Древние кристаллы показывают, что на ранней Земле была суша и пресная вода

Фото из открытых источников

Крошечные зерна минерала под названием циркон могли стать свидетелями выпадения дождя на древнейшей суше Земли около 4 миллиардов лет назад, когда океаны, вероятно, покрывали большую часть планеты. Химический состав кристаллов, извлеченных из пород в Австралии, намекает на то, что они образовались из магмы с примесью пресной воды, утверждает группа ученых. По их словам, это было возможно только на твердой земле.

«Мы нашли доказательства двух вещей: над уровнем моря существовала земля и, в то же время, эта земля взаимодействовала с пресной водой», — говорит Хамед Гамалелдиен, геохимик из Университета Халифы, который представил результаты в этом месяце на конференции Европейских наук о Земле. «Это означает, что у вас начинается гидрологический цикл и рецепт начала жизни».

Хотя некоторые исследователи скептически относятся к результату, Бет Энн Белл, геохимик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, говорит, что это «имеет смысл». «Это еще одно действительно важное доказательство того, что на ранней Земле у нас была субаэральная суша».

Цирконы представляют собой редкое свидетельство загадочного Гадея, геологического периода времени, который закончился около 4 миллиардов лет назад, через 500 миллионов лет после образования Земли. Планета, изначально представлявшая собой шар магмы, остыла и образовала корку. Каким-то образом, возможно, в результате бомбардировки богатых водой астероидов, на ней образовался глобальный океан. Земля могла оставаться водной в течение довольно долгого времени — по крайней мере, до тех пор, пока тектонические процессы не начали перерабатывать земную кору в ее недра, а магма не начала пузыриться в цепочках островных вулканов, которые в конечном итоге слились в континенты.

Во многом это лишь догадки, потому что от Гадеана почти не сохранилось ни одного камня. Возраст самой старой породы с достоверным возрастом — гнейса из Канады — 4,03 миллиарда лет. Единственным сохранившимся материалом того времени являются цирконы, найденные в более молодых породах, возраст которых достигает 4,4 миллиарда лет. «Практически любая информация, которую мы можем получить от этих гадейских цирконов, полезна, потому что это наша уникальная запись о первых 500 миллионах лет существования Земли», — говорит геолог Стивен Мойзис из Исследовательского центра астрономии и наук о Земле HUN-REN.

Цирконы — это маленькие прочные минералы, часто переживающие первоначальную породу, внутри которой они образовались. Например, гадейские цирконы, найденные в Джек-Хиллз в Австралии, находятся в породе возрастом около 3 миллиардов лет — они вытекли из еще более древних пород, которые уже давно исчезли. Цирконы содержат небольшое количество таких элементов, как уран, что позволяет их точно датировать, а также дает другие подсказки о древней Земле. Исследователи использовали цирконы, чтобы попытаться датировать начало тектоники плит и происхождение континентальной коры. Они даже намекают на происхождение жизни: в 2015 году Белл и ее коллеги обнаружили кусочки графита в цирконе возрастом 4,1 миллиарда лет, который мог образоваться из биологического углерода.

Самые ранние убедительные доказательства существования пресной воды гораздо моложе: курганы осадочных пород и окаменелых микробов, называемых строматолитами, которые образовались в горячих источниках 3,5 миллиарда лет назад. Но Гамалелдиен считал, что цирконы помогут ему отодвинуть эту дату. Он намеревался измерить количество «тяжелого» кислорода-18 и «легкого» кислорода-16 в кристаллах. Поскольку кислород-18 тяжелее кислорода-16, он чаще остается после испарения воды, образуя облака и, в конечном итоге, дождь. В результате дождевая вода изотопно легче морской воды, которая сама по себе содержит меньше кислорода, чем чистые породы мантии Земли.

Прежде чем Гамалельдиен и его коллеги смогли провести измерения, им пришлось собрать, отполировать и индивидуально осмотреть тысячи цирконов из двух кусков породы, извлеченных из Джек-Хиллз. Они проанализировали около 1400 цирконов возрастом от 1,85 до 4,28 миллиардов лет.

Несколько этих цирконов, возраст которых составляет 4 миллиарда лет, имели очень легкие записи изотопов кислорода по сравнению с другими гадейскими цирконами. Другое скопление возрастом 3,4 миллиарда лет имело самый легкий состав изотопов кислорода, когда-либо зарегистрированный для древних цирконов. Команда восприняла это как доказательство того, что эти два набора цирконов образовались из неглубокой магмы, которая взаимодействовала с пресной водой. Этот эффект можно увидеть сегодня в Йеллоустонском национальном парке, где цирконы, образующиеся в неглубоких магматических системах под парком, могут содержать изотопно легкий кислород благодаря подавляющему влиянию пресной воды.

Чтобы быть уверенным, исследователи выполнили десятки тысяч компьютерных моделей цирконов, образующихся из магмы, смешанной с морской водой, дождевой водой или их комбинацией. Только имея хотя бы немного пресной воды, команда смогла воспроизвести исключительно легкую изотопную характеристику своих цирконов.

Белл говорит, что это открытие подтверждается другими свидетельствами существования ранней суши, включая цирконы с изотопами кислорода, которые, как ни странно, тяжелее мантийных значений. Они могут возникнуть на суше, когда вода взаимодействует с горными породами с образованием глины; когда глины плавятся, цирконы, образующиеся из магмы, могут унаследовать характер тяжелого изотопа кислорода. По словам Белла, это само по себе не является убедительным доказательством, поскольку взаимодействие воды и горных пород на морском дне может оставлять аналогичные изотопные следы. Но высокий уровень алюминия, обнаруженный в некоторых цирконах, намекает на процессы образования глины, которые могут происходить только на суше.

Мойзис, однако, не убежден, что соотношение изотопов цирконов является убедительным доказательством пресноводного происхождения. Он считает, что при правильных условиях подобные соотношения легких изотопов могли возникнуть в магме, взаимодействующей с морской водой. Джон Вэлли, изотопный геохимик из Университета Висконсин-Мэдисон, добавляет, что Гамалелдин и его коллеги основывают свои выводы на предположении, что гадейская морская вода была изотопно подобна современной морской воде, тогда как некоторые исследователи полагают, что она могла быть легче и способна имитировать эффект пресной воды.

Однако, если Гамалельдин и его коллеги правы, поздний Гадей мог быть обитаемым задолго до появления первых окаменелостей. Не все гипотезы происхождения жизни требуют наличия суши. Но некоторые ссылаются на пресноводные горячие источники. Гамалелдиен надеется, что его открытие вызовет новый интерес к поиску жизни в возрасте до 4 миллиардов лет. «Есть ли жизнь или нет, мы не знаем», — говорит он. — «Но у нас есть рецепт».