Вопрос, как сформировались и выросли первые материки нашей планеты, геологи обсуждают уже больше полувека. Технологические достижения помогли найти подсказки, о которых всего несколько десятилетий назад нельзя было и думать, и потому на обсуждение этой темы сильно влияют последние исследования. В частности, новые горизонты открывает умение датировать древние породы с беспрецедентной точностью и возможность анализировать мельчайшие зерна минералов в поисках сведений о химическом составе окружающей среды в далеком прошлом. Как говорилось в главе 4, одним из плодов такой работы стало открытие кристаллов циркона, относящихся к катархейскому эону, и, насколько можно судить по их химическим свойствам, они должны были образоваться в породах, не слишком отличающихся от тех, что характерны для более молодой континентальной коры.
Сведения, полученные из изучения цирконов, в сочетании с наличием пород возрастом 4,28 миллиарда лет на берегу Гудзонова залива указывают, что континентальная кора существовала уже на ранних стадиях жизни планеты. Восходящие к архею небольшие остатки «микроконтинентов» входят во все современные материки (рисунок 20), но общая величина этих фрагментов невелика по сравнению с объемом более молодой коры. Важный вопрос состоит в том, что означает такая скудость: то, что существовали какие-то большие объемы древней коры, но позже их переплавило так, что мы их уже не распознаем, или то, что большего количества древней коры не существовало вовсе. Общая точка зрения, основанная на многих свидетельствах, состоит в том, что поначалу формирование континентальной коры было ограниченным, а первые континенты — маленькими. Вполне вероятно, что вплоть до архейского эона, а, возможно, до начала протерозоя ни один материк не приближался по размеру к сегодняшним.
Рисунок 20. Все современные континенты содержат хотя бы небольшие фрагменты древней коры. Закрашенные области на этой карте — примерное расположение известных участков архейской коры и остатков первых микроконтинентов. В некоторых из этих районов есть небольшие фрагменты коры катархейского возраста.
Однако геологические данные показывают, что в протерозое появились первые суперконтиненты планеты — поистине гигантские массивы суши, объединявшие почти всю существовавшую тогда континентальную кору в единый материк. Анализ горных пород выявляет, что в течение эона появились минимум два из них; затем они распались на более мелкие части. Совсем недавно — в середине фанерозоя — собрался и распался третий суперконтинент, и многие геофизики считают, что такие длительные циклы образования и распада суперконтинентов являются естественным следствием тектоники плит.
Ключ к выяснению существования и природы протерозойских суперконтинентов, к их образованию и развитию — сочетание полевых исследований и технологий, в частности, технологий для измерения магнитных свойств горных пород и точного определения их возраста. Исследования, имеющие решающее значение для понимания хронологии образования суперконтинентов, в значительной степени используют палочку-выручалочку геохронологов — уран-свинцовое датирование кристаллов циркона. Циркон широко распространен и даже при метаморфизме не склонен «сбрасывать внутренние настройки часов»; поэтому он — предпочтительный минерал для определения возраста древних горных пород. Другой, не менее важный тип сведений, обеспечивает магнетизм пород.
В главе 5 мы видели, что магнитные свойства лавовых потоков на материках или морском дне содержат информацию о полярности магнитного поля Земли на момент их образования. Магнитные минералы в различных типах магматических горных пород фиксируют также и другую информацию. Один из признаков — направление: магнитное поле в разных точках Земли имеет разную ориентацию — от почти вертикальной к поверхности около полюсов до почти горизонтальной на экваторе. Таким образом, ориентация оказывается весьма полезной для определения широты места, где формировалась эта порода. С некоторыми оговорками магнитные свойства континентальных пород можно использовать для достаточно точного определения места их образования; эта информация очень полезна для реконструкции прошлого местоположения континентальных фрагментов, поскольку с тех пор эти плиты попутешествовали по всему миру.
Область науки, которая изучает магнетизм горных пород, называется палеомагнетизмом. Она зародилась в 1950-х и начале 1960-х, когда тектонику плит еще не понимали, и большинство ученых считали, что материки всегда занимали свое нынешнее положение. Первые специалисты по палеомагнетизму сделали поразительное открытие. Измеряя магнитную ориентацию в континентальных породах разного возраста, они пришли к выводу, что в прошлом северный магнитный полюс должен был, перемещаться и оказываться в местах, далеких от его нынешнего расположения. Это казалось странным, поскольку теории возникновения магнитного поля Земли предполагали, что магнитная ось планеты должна примерно совпадать с осью ее вращения. Ученые назвали это явление «движением полюсов».
Еще труднее было понять тот факт, что породы одного возраста, но с разных континентов, иногда давали совершенно разное положение полюсов. Ученые других специальностей стали отчасти в шутку называть специалистов по палеомагнетизму палеомагами. Однако в итоге выяснилось, что проблем с измерениями не было; ошибка заключалась в предположении, что материки оставались на том же месте. Как только ученые разобрались с тектоникой плит, магнитные измерения обрели смысл: блуждали не полюса, а континенты. Теперь появилась возможность перевернуть трактовку вверх ногами и использовать полученные данные для определения прошлого местоположения материков при условии, что магнитные полюса остаются примерно на одном месте. Магнитные полюса и в самом деле немного блуждают (ученые следят за северным магнитным полюсом в течение сотен лет, и видят, как он двигается по арктическим островам северной Канады[44]), но в среднем магнитная ось совпадает с осью вращения.
Как и в большинстве случаев с извлечением информации из древних пород, в палеомагнитных исследованиях нужно тщательно прояснять геологический контекст и внимательно отбирать образцы. Например, если есть признаки того, что порода погружалась вглубь и сильно нагревалась, это свидетельствует, что ее магнитная сигнатура могла измениться или даже совсем «сброситься». Если складки или опрокидывание пластов изменили ориентацию породы, то это тоже приходится учитывать при определении исходной широты. Если результаты от нескольких образцов одной формации, собранные в большой географической зоне, согласуются между собой, это добавляет уверенности в надежности измерений. Многие различные исследовательские группы проводили палеомагнитные измерения с протерозойскими породами, учитывая все эти аспекты, и в совокупности их результаты — убедительное подтверждение существования комплекса протерозойских суперконтинентов.
Первоначально предположение о существовании этих суперконтинентов основывалось на геологическом картировании, которое показало формации сходного характера и близкого возраста, разбросанные по разным материкам. Палеомагнитные исследования прояснили исходные пространственные отношения между этими образованиями, показав, что некоторые из них когда-то располагались рядом. Таким образом ученые связали породы из таких далеких друг от друга мест, как центральная Австралия и западная часть Северной Америки, или Африка и Скандинавия, и точные определения возраста подтвердили такую связь. Этот процесс немного похож на сборку пазла, только картинка нечеткая и со временем меняется. Иногда имеющимся данным удовлетворяют несколько вариантов. Однако ясно, что в течение протерозоя собрались, а затем рассыпались два суперконтинента, каждый из которых включал всю или почти всю существовавшую тогда континентальную кору. Геологи называют их Колумбия и Родиния (последнее название образовано от русского слова «родина»). Есть определенные намеки на то, что существовал еще более ранний суперконтинент, который сформировался ближе к концу архейского эона и дожил до первой стадии протерозоя, но здесь доказательств пока не хватает.
Протерозойские суперконтиненты были не статичными, а динамичными объектами: они постоянно менялись, пусть даже эти изменения были медленными в геологических масштабах. Одни куски коры добавлялись, другие отделялись. Колумбия — более старый из суперконтинентов — собиралась в течение нескольких сотен миллионов лет: процесс начался около 2,1 миллиарда лет назад, а максимального размера массив суши достиг примерно 1,8 миллиарда лет назад. В течение большей части следующих 300 миллионов лет суперконтинент включал практически всю сушу мира, но затем разделился на несколько частей. Через несколько сотен миллионов лет отдельные части Колумбии постепенно объединились в Родинию. Это произошло в промежутке между 1,3 и 1 миллиардом лет назад; далее Родиния оставалась в целом единой еще 150–200 миллионов лет, а потом так же распалась на части (временная шкала протерозойских событий приведена на рисунке 21).
Основой Родинии[45] было то, что мы сейчас называем Северной Америкой (или как минимум ее значительная часть — после отделения от Родинии Северная Америка увеличилась в размерах). Северную Америку долгое время считали «классическим» континентом: она играла центральную роль в развитии идей, как устроены материки. С геологической точки зрения поражает то (если говорить упрощенно), что породы, составляющие Северную Америку, становятся моложе при движении от центра к окраинам. Самые старые породы (образующие так называемый Канадский щит) находятся в центре и окружены более молодыми породами. Континент каким-то образом вырос из первоначального небольшого центрального ядра за счет добавления новой коры по краям.