Рис. 16.3 Отави (Намибия). Геологи Дэн Шраг (слева) и Пол Хоффман стоят на ледниковой формации Гхоб, содержащей ледниковые валуны, и показывают на границу между ледниковыми отложениями и покровными карбонатами. Фото предоставлено Полом Хоффманом (Paul Xoffman)
Поскольку у Джо в распоряжении одна из лучших в мире палеомагнитных лабораторий, он заново определил древнюю широту протерозойских сэндвичей из ледниковых отложений и известняков и продемонстрировал, что многие из них (особенно из моусоновской формации Элатина в Австралии) располагались в тропиках или субтропиках. Эти данные изложены в его короткой статье, упрятанной в огромном дорогущем томе материалов симпозиума PPRG 1989 г., посвященного докембрийской жизни. После многих задержек том в конце концов вышел из печати в 1992 г. (причем цена книги была настолько большой, что лишь немногие ее приобрели или прочитали), и Джо занялся другими задачами. Большинство людей опубликовали бы такую прорывную работу в журналах Nature или Science, но Джо не нужна слава. У него всегда так много отличных идей, что ему не нужно тратить свое время на долгое продвижение любой из них. У концепции Земли-снежка появились название и четкое объяснение действующего механизма. Вскоре за нее взялись другие геологи.
Снежок начинает расти
В 1989 г. геолог из Гарвардского университета Пол Хоффман пересекся на Международном геологическом конгрессе в Вашингтоне с Киршвинком и узнал о его идее Земли-снежка. (Я тоже был на этом конгрессе, но занимался другими научными проблемами.) Когда Хоффман в 1993 г. начал работать с ледниковыми отложениями верхнего докембрия в Намибии, он осознал важность гипотезы Земли-снежка и с 1997 г. стал активно продвигать эту концепцию, поскольку ледниковые отложения Намибии начали в его исследованиях доминировать.
Хоффман – высокий, сухощавый, крепко сложенный бородатый полевой геолог, который предпочитает проводить как можно больше времени в поисках обнажений в канадской Арктике или в намибийских и австралийских пустынях. Он мастерски бегает кроссы, а потому любит пешие походы. Хоффман повидал множество сэндвичей из ледниковых отложений и известняка, относящихся к канадскому протерозою, посвятив большую часть своей карьеры картированию протоконтинентов, которые были архейскими предшественниками Канады. Позже они сбились в протерозойское ядро, а оно стало тем центром, вокруг которого выросла Северная Америка. Хоффман привлек к работе нескольких блестящих специалистов по геохимии (в том числе Дэна Шрага), и вскоре они взбудоражили геологическое сообщество разговорами о Земле-снежке.
Хоффман, Шраг и другие геологи изучили несколько прекрасно обнаженных сэндвичей из ледниковых отложений и известняка – в частности, в пустынях современной Намибии на юго-западе Африки (рис. 16.3). В этом месте на кровле ледникового тилла располагаются особенно мощные и хорошо развитые известняки с примечательными геохимическими и минералогическими характеристиками. Хоффман и Шраг предположили, что эти покровные карбонаты поверх ледниковых отложений – продукты неорганического осаждения известняков, произошедшего после того, как океан, насыщенный растворенными в нем карбонатами, освободился от хватки льда. Это явно не обычные известняки, которые образуются сегодня, осаждаясь в результате органической активности. Современные известняки состоят в основном из раковин кораллов, моллюсков и других морских существ, а также известковых водорослей.
Рис. 16.4 Ледниковые отложения из тилла Гоуганда около озера Гурон в Канаде, соответствующие раннепротерозойскому (гуронскому) оледенению. Они свидетельствуют о раннем состоянии Земли-снежка примерно 2,1 млрд лет назад. Источник: Wikimedia Сommons
Еще один факт, наводящий на размышления, – кратковременное возвращение полосчатых железистых кварцитов (BIF) на пике снежных условий позднего протерозоя. Киршвинк указал, что подобное событие вполне естественно при замерзании Земли: в этом случае закрытые океаны остаются без кислорода и насыщаются растворенными карбонатами, становясь в результате очень кислыми (как это случается с современными океанами из-за парниковых газов). Реки (которые полностью замерзли) не уносят в океан осадочный материал, и поэтому останавливается поступление в воду сульфатов. В результате в этих кислых океанах с низким содержанием кислорода и серы хорошо растворяется железо. В таких обстоятельствах железо вполне могло накапливаться на дне, как это и было в промежутке 3,7–1,7 млрд лет назад (рис. 14.5).
Итак, базовая модель Земли-снежка функционирует следующим образом: какой-то фактор приводит к началу сильного остывания планеты, после чего начинают формироваться огромные ледяные щиты. Поскольку отсутствует современная сложная жизнь, которая регулирует углеродный цикл и выделяет углекислый газ в атмосферу (глава 6), планета входит в цикл обратной связи лед – альбедо и в конечном итоге замерзает от полюсов до экватора. Как только такой шар застывает окончательно, Земля застревает в этом состоянии на миллионы лет – подобно нынешнему Марсу, который полностью заморожен, хотя в прошлом на его поверхности была жидкая вода, создававшая океаны и реки. Океаническая циркуляция прекращается, на бескислородном морском дне накапливаются железистые кварциты, а большое количество углерода оказывается в донных отложениях внутри льдистых соединений – гидратов метана. Что-то должно произойти – иначе Земля осталась бы замороженной, и нас бы на ней не существовало.
Однако, повторим, на Земле, в отличие от Марса и других планет, совершаются тектонические процессы (движение блоков коры) и есть вулканы, которые за долгое время извергли достаточно парниковых газов, чтобы наша планета наконец стала нагреваться. Как только наступал такой момент, снова запускался цикл положительной обратной связи лед – альбедо, а в результате ледяной покров планеты быстро таял и почти исчезал. Гидраты метана на морском дне высвобождали огромное количество метана, что еще больше ускоряло глобальное потепление. Геохимический состав океана был теперь настолько богат растворенными карбонатами, что огромные залежи кальцита выпадали в осадок прямо из морской воды, образуя покровные карбонаты. В итоге Земля снова становилась стабильной – на ней опять существовали и теплые тропические регионы, и холодные полярные. Дальнейшие исследования показали, что описанный процесс происходил как минимум дважды или трижды в позднем протерозое и один раз – в раннем протерозое (около 2 млрд лет назад); последнее оледенение называют гуронским (рис. 16.4). Оно основывается на хорошо известном тиллите формации Гоуганда на берегу озера Гурон и свидетельствует, что ситуация с Землей-снежком не уникальна и при надлежащих условиях может повторяться несколько раз.
Из снега или из снежуры?
Как и все ученые, геологи скептически относятся к новым идеям, особенно тем, которые кажутся выходящими за рамки нормы. За последние 25 лет модель Земли-снежка подтверждается все новыми и новыми данными, поэтому большей части геологического сообщества пришлось согласиться с очевидным выводом, что нечто такого рода должно было являться по крайней мере трижды или четырежды.
Однако все же есть и другие мнения. Некоторые геологи хотя и признают, что в позднем протерозое на экваторе существовали ледники на уровне моря, тем не менее не считают, что при этом окоченели все тропические регионы, а планета превратилась в замерзший ком. Они предпочитают чуть менее экстремальную гипотезу, названную Slushball, то есть Шар из снежуры (смеси снега, льда и воды). В этой модели какое-то оледенение на экваторе происходило (это подтверждают имеющиеся факты), однако бо́льшая часть тропического региона была пусть и холодной, но все же свободной ото льда. Сторонники такой версии указывают на геологические свидетельства отложений, которые могли образоваться только в воде, а не во льдах. Первоначальная модель Киршвинка тоже допускала существование некоторых свободных ото льда областей в тропиках, так что новизны в этом нет. Кроме того, многие геологи видят подтверждения версии Киршвинка в том, что эпизоды с Землей-снежком отличались быстрыми колебаниями ледниково-межледниковых циклов, как это было в последние ледниковые периоды (см. главу 25), а это допускает одновременно наличие и ледниковых отложений, и отложений, сформировавшихся в проточной воде и в незамерзающих океанах. Важнее всего, что датировка отдельных эпизодов Земли-снежка в позднем протерозое показывает глобальную синхронность: события от полюса до экватора происходили в одно и то же время. Все перечисленное говорит в пользу именно экстремальной гипотезы шара из снега, а не из снежуры, потому что в моделях со снежурой границы льда отступают при повышении уровня углекислого газа – однако этого не наблюдается в модели Земли-снежка для позднего протерозоя.
Одно из следствий модели Земли-снежка – то, что сильное замерзание в конце протерозоя, по-видимому, вызвало большие изменения в жизни на планете. Мы обнаруживаем в морских осадочных отложениях множество окаменелостей спор эукариотических водорослей (известных как акритархи), обитавших на Земле до оледенения. Затем они, вероятно, пережили массовое вымирание, потому что после окончания стадии Земли-снежка разнообразие акритархов исчезает. Вместо этого в конце позднего протерозоя мы видим признаки возвращения жизни во множестве более сложных форм, включая многоклеточные организмы. К концу протерозоя по всей Земле появляются первые крупные многоклеточные животные; этот комплекс известен как эдиакарская биота. Впервые их обнаружил Рег Спригг в исследованном Моусоном австралийском хребте Флиндерс, а описал палеонтолог Мартин Глесснер. В то время как эти существа процветали, уже полным ходом шла диверсификация многоклеточной животной жизни (например, трилобитов). У данного явления есть вводящее в заблуждение название «кембрийский взрыв», хотя ему больше подошло бы обозначение «кембрийский длинный фитиль», поскольку от первых эдиакарских существ до первых трилобитов прошло 70 млн лет.