ИМЕЮЩИЕСЯ различия позволяют представить геологическую машину, у которой внутренняя температура была выше, атмосфера и океаны были лишены кислорода и существовали лишь изолированные массивы суши — небольшие по плошали участки, а не крупные континенты. И все же постоянство среднего состава горных порол и их сходство в разных местах и в разные моменты времени указываю! на то, что машина, обеспечивающая повторение циклов, работала почти с той же скоростью и в основном в том же режиме, что и в наши лни. Она, несомненно, претерпевала постепенные изменения, но, кроме того, имеются свидетельства и о внезапных эпизодических перестройках. Первое оледенение в истории Земли зафиксировано в раннем докембрии. Более значительное изменение в характере цикла произошло около 2,5 млрд. лет назад, когда резко, по-вилнмому, возросло формирование гранитов и появились обширные континентальные шельфы.
Практически современный облик машина приобрела в позднем докембрии, около миллиарда лет назад. По мерс роста количества и продуктивности фот осин тезирующих организмов и параллельно с ускорением процесса развития более сложных форм жизни стало увеличиваться содержание в атмосфере кислорода. Хотя поверхность суши была заселена только водорослями и разными вилами грибов и бактерий, выветривание почв в докембрии и фор-
мирование речных и озерных осадков шли в основном тем же путем, как и сегодня; хотя скорость этих процессов могла быть и меньше. Состояние недр Земли к этому времени стало близким к современному; частичное плавление мантийного материала в некоторых участках вызвало его дифференциацию и обеднение — по сравнению с мантией в целом — рядом элементов. Вопрос о том, осуществлялась ли потеря тепла в это время главным образом через механизм тектоники плит, остается открытым. Характер остаточной намагниченности древних пород свидетельствует О дрейфе континентов и инверсиях магнитного поля Земли, так что «динамо-машина» в земном ядре, генерирующая это поле, очевидно, уже устойчиво функционировала (см, статью Раймонда Джинлоэа «Земное ядро», с. 16). Плиты, возможно, были еще слишком тонкими для того, чтобы вести себя так же, как в настоя-
щее время, или же средний размер плит был меньше. Наши знания о геологин докембрия все еще слишком фрагментарны, чтобы можно было уверенно ответить на эти вопросы.
Большинство геологов двух последних столетий были единодушны во мнении, что самые крупные изменения в истории Земли произошли на границе докембрия с кембрийским периодом, маркирующей начало фанерозойской эры — хорошо «документированного» отрезка геологической летописи. Именно тогда появились раковинные организмы, окаменелые остатки которых позволяют более точно определять возраст горных пород и создать стратиграфическую (хроностратнгра-фнческую) шкалу.

Ранняя история Земли проходила в условиях непрерывно продолжавшейся аккреции и быстро возрастающей температуры вследствие сочетания трех факторов: разогрева, связанного с распадом радиоактивных элементов, в большом количестве содержавшихся в раннем конденсате, разогрева в результате столкновения падающего материала и разогрева за счет контракции (сжатия) тела молодой планеты. Рост температуры привел, в соответствии с принятыми сейчас взглядами, к массовому плавлению и дифференциации вещества Земли с расслоением се на ядро, мантию и кору. Все эти идеи, высказанные задолго до начала исследования Солнечной системы космическими аппаратами, были развиты в последние годы в результате изучения Луны и других планет. Особенно видную роль при этом сыграла Луна: космонавтам удалось собрать образцы пород этого космического тела, развитие которого приостановилось на ранней стадии. Луна, не имеющая ни атмосферы, ни океанов, не подвержена химическому выветриванию, которое могло бы уничсланцы. Обнаруженные здесь же магматические породы, по-видимому, образовались в результате плавления того же типа, которое происходит и сегодня. Деформация порол также аналогична деформациям более поздних эпох.
И тем не менее различия между этими древнейшими и более современными породами имеются. Хотя в упомянутых породах Гренландии и не найдено остатков организмов (возможно, из-за их сильной метаморфической переработки), в несколько более молодых слоях указания на примитивную жизнь обнаружены (см. статью Престона Клауда «Биосфера», с. 102). Состав некоторых базальтов, приуроченных к древнейшим породам Земли, указывает на гораздо более высокую температуру их плавления, как если бы скорость повышения температуры с глубиной была значительно больше, чем сейчас; учитывая особенности ранней термальной истории Земли, это не удивительно. Более того, уже приблизительно 2,5 млрд. лет назад существовало несколько крупных масс, сложенных породами гранитного состава, и разные типы осадков накапливались в условиях мелководного континентального шельфа.
тожить ранние генерации горных пород. На ней также не возникли условия, подходящие для зарождения жизни. Все это подчеркивает, насколько важным оказалось для Земли существование ее подвижной оболочки из волы и газа. Состав газа, правда, отличался от его состава в современной атмосфере. На ранних стадиях в атмосфере не было кислорода, и она состояла из исчезнувших сейчас метана и аммиака (см. статью Эндрю П. Ингерсола «Атмосфера Земли», с. 88).
Лишь с помощью дедукции можно попытаться понять, какова была динамика Земли в ее ранние дни, поскольку не сохранилось ни гор, ни осадков того времени, которые дали бы хоть какой-то намек. Отрывочные данные имеются лишь по радиометрическому возрасту горных пород начиная с 3.8 млрд. лет назад; это — время метаморфизма толши первично осадочных порол в юго-западной Гренландии под воздействием температуры и давления. Эти данные отчетливо показывают, что главные операции, производимые геологической машиной, были близки к сегодняшним. В метаморфических породах Гренландии можно распознать железистые и другие виды осадочных пород, такие, как песчаники и глинистые

Описанный циклический процесс захватывает и мантию, так как в зонах субдукции на участках конвергенции плит каровый материал затягивается до глубин в сотни километров, где перемешивается как с тем веществом, которое никогда не входило в состав коры, так и с тем, которое раньше уже побывало на поверхности. Только сейчас геологи начинают понимать, как происходит перемешивание вещества Земли в господствующих на глубине условиях высокой температуры и давления. Проследить этот процесс смешивания позволяет главным образом изучение поведения изотопов рубидия и неодима, благодаря которым можно выявить соотношение между возрастом и перемешиванием (см. статью Д. П. Мак-Кензи «Мантия Земли», с. 28). Изучение поведения вещества ядра и мантии в различных масштабах времени покажет, в какой мере они могут рассматриваться как части этой ги-i ми к коп циклично работающей машины.
ЕСЛИ машина в ходу уже миллиарды лет, включая эпохи мощнейших катаклизмов, то как она была устроена в самом начале? Через какой последовательный ряд устойчивых состояний она прошла, прежде чем приобрела свой современный вид? Все это вопросы, при ответе на которые наши фрагментарные сведения по геологической истории, зафиксированной в горных породах Земли и других планет, смыкаются с умозаключениями, касающимися образования звезд и эволюции Солнечной системы.
Теории образования Солнечной системы из газово-пылевого облака постоянно совершенствуются, однако всех их объединяет центральная идея о том, что Земля выросла приблизительно до своих теперешних размеров около 4,6 млрд. лет назад в результате комбинации двух процессов: конденса-
ции первичного солнечного газово-пылевого вещества и аккреции обломков и кусков других планет, находившихся поблизости.

Эти химические циклы представляют собой разные проявления общего геологического цикла, представление о котором было сформулировано Джеймсом Геттоном — основателем современной геологии — почти 200 лет назад. Согласно взглядам Геттона, горные породы подвергаются выветриванию, что приводит к образованию осадка, который потом захороняется. При погружении на глубину породы испытывают метаморфизм и (или) плавление. Позже они деформируются и перемешаются в горных цепях вверх, однако лишь для того, чтобы снова подвергнуться выветриванию и совершить новый цикл. Несмотря на многочисленные споры и существование разнообразных теорий относительно механизма цикла Геттона, его главная суть остается незыблемой, так же как и характерный для геолога взгляд на Землю как на объект, находящийся в постоянном изменении.
Континентальная кора, хранилище геологической летописи за последние 3,8 млрд. лет, проходит свой собствен-
ный цикл развития, сопровождающийся ее разрушением и новым созиданием. Ежегодно около 1016 г твердого и растворенного вещества, образовавшегося при эрозии земной поверхности, удаляется реками, ветром и ледниками. Большая часть твердого обломочного материала откладывается в виде осадка на континентальном шельфе, но немалая его доля уносится и в океанические впадины. Возврат осуществляется в зонах субдукции, где часть осадков глубоководных впадин соскабливается с поверхности океанических лито-сферных плит по мере их потружения в мантию (см. статью Жана Франшто «Океаническая кора», с. 44). Перед фронтом океанических островных дуг и вдоль тех континентальных окраин, где континентальные массы ограничены зонами субдукцин, обнаруживаются океанические осадки, снова как бы прилепленные к континентам. К континентам причленяются также магматические породы, возникшие в зонах субдукции. В итоге континентальные массы в течение геологического времени остаются стабильными, несмотря на частый подъем и понижение уровня океана, вызывающие периодическое затопление и осушение континентальных шельфов и пониженных участков в пределах уже собственно континентов. Осалки и магматические породы, добавленные к континентам, «припаиваются» к ним преимущественно в виде горных цепей, ассоциирующихся с границами плит (см. статью Б. Кларка Берчфила «Континентальная кора», с. 40). Таким образом, древние горные системы представляют собой следы результатов действия прошлых циклов, которые континенты испытали под влиянием движения литосферных плит.

Кругооборот двуокиси углерода в атмосфере, океане и твердых оболочках Земли дает еще одну возможность проследить крупномасштабный перенос химических элементов от одной части Земли к другой. Двуокись углерода поглощается из атмосферы растениями в процессе фотосинтеза и горными породами при их выветривании. В результате фотосинтеза создаются земные запасы углерода органического происхождения, а выветривание обеспечивает накопление карбоната кальция для образования известняков — основного продукта трансформации магматических пород в осадки. Углерод удерживается в отмершем веществе растений и животных, а также в карбонате кальция раковин моллюсков и других организмов. По мере того как это вещество эахоро-няется в виде осадков, входя в состав материала земной коры, углерод уда-

ляется с поверхности. Но одновременно происходят размыв и химическое выветривание древнего органического вещества и известняков. В результате окисления органического вещества и растворения карбоната кальция двуокись углерода снова возвращается в динамическую систему, поддерживая ее в равновесии.
Приблизительно таким же образом можно воссоздать картину кругооборота всех элементов и их изотопов. Например, исходя из объема растворенного кальция, выносимого в Мировой океан реками (приблизительно 1013 моль в год), и общего содержания там кальция (около 1019 моль) можно определить время, в течение которого ион кальция остается в океане, — около одного миллиона лет. В среднем эта цифра соответствует сроку, необходимому для того, чтобы кальций образовал химическое соединение с карбонатной группой и осади лея из водного резервуара в форме известняка. Затем ион кальция может быть захоронен и в конце концов войти в состав силикатной метаморфической породы. Или же, в другом варианте, он может опуститься в еще более глубокие слои Земли и, попав в состав магмы, возвратиться к поверхности в составе магматической породы; здесь он вновь подвергается выветриванию, растворению и выносится рекой обратно в океан.

ЕСЛИ история Земли состоит из циклов, то через какое время они повторяются и как выявляется этот циклический процесс? Моделью циклического переноса вещества между разными частями земного шара служит гидрологический цикл. Из одного огромного резервуара — атмосферы — вода выпадает на сушу и в море. Часть атмосферных осадков временно задерживается в виде фунтовых вол и в озерах. Остальная масса различными путями сбрасывается в другой крупный резервуар — Мировой океан. Испарение воды р поверхности суши и моря обратно в атмосферу завершает цикл. Гидрологический   цикл   глобален. Следовательно, просуммировав количество воды, заключенное во всех резервуарах земного шара и каналах стока, можно подсчитать общее количество воды в системе и в ее главных элементах. Анализ отдельных резервуаров позволяет избежать влияния неод-нородиостей: оказывается, что глобальный баланс из года в год весьма постоянен. Говоря другими словами, всегда одно и то же количество воды содержится в атмосфере. Мировом океане, полярных ледниковых покровах и на континентах. Для отрезков времени продолжительностью меньше года система, вероятно, не столь стабильна, а для периодов длительностью в несколько лет глобальный баланс может несколько меняться за счет перераспределения воды между резервуарами. В самом деле, изменения в системе могут влиять на протекание цикла. Одно из таких изменений связано с ледниковыми периодами, когда значительная часть воды была удалена из океана и удерживалась в ледниковых покровах; это привело к соответствующей перестройке процесса переноса из одного резервуара в другой, в результате чего произошло резкое изменение климата, понижение уровня моря и осушение больших площадей континентального шельфа. Продолжающаяся до сих пор дискуссия, связанная с этой крупной перестройкой, сфокусирована на вопросе о ее возможных причинах, скорости распространения ледниковых шапок и их последующего отступания, вернувшего Землю а ее теперешнее относительно неоледенелое состояние. Полярные льды и горные ледники еще, естественно, сохраняются, и поэтому у нас нет достаточно надежных свидетельств того, каким был гидрологический цикл в те эпохи, когда Земля была полностью свободна от льда.

Например, изучая процесс меандри-рования рек, можно воспользоваться историческими документами, если только они охватывают достаточный отрезок времени, быть может дополнив почерпнутую из них информацию данными по остаткам доисторических речных террас. Но при изучении история реки за действительно лолгий перилл, от начального врезания долины в коренные породы и до ее последующего расширения и образования характерной поймы, не остается уже иного пути, как обратиться к геологической летописи. Повышение уровня моря со времени отступания ледников около 10 тыс. лет назад также зафиксировано в геологической летописи, из которой можно извлечь информацию как о скорости изменения ледниковых покровов и их связи с океаном, так и об одном важном свойстве земных недр. При отступании льда происходит разгрузка земной коры, и по реакции последней можно оценить вязкость расположенного ниже мантийного вещества, движение которого сообразуется с поднятием.
Историю Земли изучают также из экономических соображений — для извлечения из нее нефти, газа, руд металлов и других полезных материалов, образовавшихся в далеком прошлом в определенные эпохи и в определенных местах. Однако большинством геологов движет любознательность, стремление понять, что происходило и когда. О последнем ледниковом периоде, например, хочется знать и потому, что это позволит не только предсказать характер следующего оледенения, но и взглянуть хотя бы краешком глаза на условия жизни древнего человека. Наконец, некоторые геологи специализируются в поисках доказательств того, что история Земли является не случайным, беспорядочным нагромождением фактов, а отражением крупномасштабных циклов гигантской машины.

Поколения геологов опирались главным образом на «биологические часы» — последовательность ископаемых организмов, которые благодаря эволюционному изменению органического мира маркируют крупные подразделения геологической истории. В XIX в. другого метода не существовало, но в XX в. появилась возможность уточнения биологических часов с помощью другого способа отсчета времени — радиоактивного распада, в основе которого лежит известная скорость распада радиоактивных изотопов углерода, урана, калия, рубидия и неодима. Этими двумя часами в общем случае датируются события разного масштаба, что соответствует также и разной природе датируемых событий.
При определении времени относительно быстро протекающих процессов, таких, как изменение погоды, на-
воднения и паводки, движение оползней, вулканические извержения и землетрясения, геологи пользуются обычным солнечным временем. Отсчет времени по радиоактивному распаду применим лишь в случае очень медленных процессов, таких, например, как эволюция атмосферы. В промежутке лежит шкала собственно геологического времени, в течение которого происходит движение континентов, растут горные цепи, меняется полярность магнитного поля Земли, эволюционируют виды ископаемых организмов, чередуются ледниковые эпохи. При использовании    этой    промежуточной
шкалы времени особое значение приобретают разрезы горных пород, из которых складывается геологическая летопись.

В науках о Земле ученые неизбежно сталкиваются с проблемой согласования разных масштабов. Геологи-тектонисты и геофизики пытаются, например, установить связь между крупно масштабны ми столкновениями (коллизиями) тектонических плит, приводящими к воэдымаиню таких высокогорных систем, как Альпы или Гималаи, и мелкими складками и разрывами, наблюдаемыми на отдельных горных склонах. Цель заключается в исследовании возможности решения обратной задачи: как, изучая, мелкие складки и разрывы, получить представление о древних, теперь уже размытых горных иепях и оиенить возможность их формирования за счет движении древних плит.
С разными масштабами времени связана дополнительная тонкость. Ско-
рость течения какой-либо реки, измеряемая несколькими сантиметрами в секунду, сопоставима в первом приближении со скоростью смешения блока горных пород вдоль разрыва при землетрясении. Но на протяжении длительных отрезков времени характер движения в этих двух случаях окажется совершенно различным. Река месяцами и годами течет с более или менее постоянной скоростью, тогда как смещение по разрыву происходит эпизодически, разделяясь периодами длительностью до сотен лет, с незначительными смешениями или даже вообще без смешений.   Проблема   постепенного
или эпизодического изменения находится в центре современных дебатов о скорости биологической эволюции; ключевой вопрос здесь: позволяет ли точность шкалы геологического времени, воплощенной в последовательности слоев с органическими остатками, сделать выбор между моделью «постепенной» эволюции видов и моделью «прерывистого равновесия».

ИЕРАРХИЯ масштабов в работе ученого, изучающего Землю, лучше всего, пожалуй, иллюстрирует процесс создания геологической карты—творческий акт, который, воспользовавшись не вполне геологической фразеологией, можно охарактеризовать ках графическое изображение в системе координат земной поверхности положения толщ горных пород разного возраста. Первый шаг в геологическом картировании — это работа в поле, при которой выявляются две важные особенности горных порол: их состав и возраст. В типичном обнажении горных порол обычно можно наблюдать лишь соотношения мелкого масштаба на расстояниях, измеряемых метрами. Обобщающая геологическая карта рай-
она составляется по совокупности такого рода наблюдений с использованием, как и при построении любого графика, приемов интерполяции и экстраполяции и с изображением элементов соответственно масштабу карты. На карте для плошали, скажем, 200 км2 можно видеть речную сеть и характерные складки и разрывы в коренных породах. Обильная информация, полученная при изучении каждого отдельного обнажения, принесена в жертву ради изображения более крупных особенностей. На карте района площадью многие тысячи квадратных километров начинают выявляться элементы еще более значительного размера: плоскогорья, горы, равнины, целые речные системы, контуры рифтовых долин, ледниковые озера. На картах же континентов и картах глобального охвата видны крупнейшие структуры поверхности континентов, главные горные цепи. В любом случае при генерализации изображения, связанной с переходом к более мелкомасштабным картам, хитрость заключается в определении тех деталей, которыми следует поступиться. Иными словами, суть этой стадии геологического анализа всегда состоит в отделении интересующего нас «сигнала» от «шума».