Исследователи из Смитсоновского института отправились в отдалённое место на севере Канады, чтобы собрать образцы пород возрастом четыре миллиарда лет, которые могут раскрыть тайны ранней истории Земли.
Все люди знают, что Земля достаточно стара. По оценкам учёных,
планета сформировалась около 4,5 миллиарда лет назад. Но сколько ей лет? И что было, когда планета Земля ещё формировалась?
Эти вопросы давно волнуют исследователей со всех стран, которые ищут разгадку на разных континентах. Но поскольку большая часть горных пород была утрачена во времени, редко удаётся найти физические остатки первых нескольких сотен миллионов лет существования планеты. Прошлым летом геологи Смитсоновского института отправились заполнять эти пробелы.
Первые шаги и находки
Майкл Акерсон, геолог-исследователь из Национального музея естественной истории Смитсоновского университета, возглавил экспедицию в Северо-Западные территории Канады, чтобы собрать образцы из Акаста Гнейс - удалённого обнажения, где находятся самые древние из известных пород
на Земле. Некоторые из них датируются более чем четырьмя миллиардами лет.
Акерсон и его коллега Вриджу Чоудхури, который занимается научно-исследовательской деятельностью в постдокторнатуре, привезли образцы в Вашингтон, где они изучаются и хранятся в Национальной коллекции горных пород и руд музея.
Поездка стала частью инициативы под названием «Наша уникальная планета», которая объединяет исследователей разных дисциплин для изучения фундаментального вопроса о том, что делает Землю такой непохожей на все остальные известные планеты Солнечной системы.
«Земля - уникальная планета в трёх смыслах», - говорит Акерсон. «У неё есть континентальная кора, океаны и жизнь. Ни одно другое планетарное тело не обладает всеми тремя этими качествами».
Чтобы понять, как появились эти особенности, исследователи должны заглянуть в прошлое - далеко назад. «Какой была Земля четыре миллиарда лет назад?», - спрашивает Акерсон. «Как это может помочь нам понять эволюцию нашей планеты?».
Фото: theconversation.com
В этом вопросе пригодятся серые гнейсы района Акаста. В прошлом году Чоудхури рассказал, что только в 1999 году учёные подтвердили возраст некоторых пород этой формации, который превышает четыре миллиарда лет, и это самый древний из известных сохранившихся материалов земной коры на планете. «Это снимок первых 500 миллионов лет», - говорит Чоудхури. «Это всё равно что смотреть на планету через булавочное отверстие».
Гнейсы района Акаста
По словам Акерсона, добытые им породы были собраны с удивительно маленькой и раздробленной территории - размером примерно с красную зону футбольного поля. Древний материал, разбросанный тонкими, прерывистыми полосами на территории в несколько километров, трудно идентифицировать и ещё труднее достать.
Всё усложняет и внешний вид породы района Акаста. «Они все серые», - говорит Джесси Рейминк, геолог из Университета штата Пенсильвания, который защитил докторскую диссертацию по гнейсу Акаста и присоединился к поездке прошлым летом. «Один серый камень может совершенно отличаться от другого, даже если они выглядят одинаково».
Рейминк выступал в роли полевого гида для команды, помогая им отличать неуловимые древние породы от окружающей местности. «Эти камни невообразимо трудно найти», - говорит Акерсон. «Вы можете стоять одной ногой на камне возрастом 3,6 миллиарда лет, а другой - на камне возрастом четыре миллиарда лет».
Чтобы определить самый древний материал, исследователи прибегли к помощи надёжного инструмента - магнита. «Самые древние породы, которым 4,02-4,03 миллиарда лет, магнитные», - говорит Акерсон. «Это очень удобно и комфортно».
Они также искали особые минералы, такие как
гранат - кристалл тёмно-красного цвета, найденный в самых древних породах, и отличали более молодой материал по его чуть более розовому оттенку. Сочетание
магнетизма, подсказок по минералам и цветовых различий помогло им сориентироваться в сложном геологическом объекте.
Они искали тип метаморфической породы под названием гнейс. Он образуется, когда магматические породы, такие как гранит, подвергаются сильному нагреву и давлению, изменяя со временем свою структуру и внешний вид. Но внутри этого древнего гнейса погребено нечто ещё более ценное - циркон.
Ценный минерал циркон
«Цирконы устойчивы к давлению, температуре, эрозии», - объясняет Чоудхури. «Они фиксируют химическую среду, в которой были созданы». Эти крошечные кристаллы образуются в магме и поглощают следовые количества урана, который со временем распадается на свинец. Измеряя соотношение изотопов урана и свинца, учёные могут с удивительной точностью определить возраст кристалла.
Акерсон сравнивает это исследование с выпечкой. «Если представить, что Земля сегодня похожа на красивый праздничный торт, то, глядя на конечный продукт, невозможно понять, как он был сделан», - говорит он. «Мы пытаемся разработать обратный рецепт, начиная с ингредиентов».
Раскрытие секретов этих древних минералов может перевернуть представление учёных о том, как Земля превратилась из расплавленного каменного шара в пригодную для жизни планету.
Первые несколько сотен миллионов лет истории Земли остаются одной из самых малоизученных глав геологического времени, однако именно в этот период могли зародиться основы современной тектоники плит, континентальной коры и, возможно, даже ранней микробной жизни.
По словам Акерсона, понимание того, какие условия привели к появлению Земли, которая известна человечеству сегодня, и самой жизни, начинается с этих древних пород. Образцы из района Акаста представляют собой одну из единственных прямых записей той эпохи, давая редкий и важный взгляд на силы, сформировавшие мир.
За время путешествия команда собрала более 450 килограмм породы. Доставить образцы домой было непростой задачей. Их доставляли с отдалённых островов на надувных лодках и винтовых самолетах в вёдрах, которые затем перемещали в гидропланах и поездах, направлявшихся в Вашингтон.
Исследование минералов
В лаборатории образцы подвергаются тщательной подготовке. Сначала команда измельчает породу до мелких зёрен и отделяет цирконы с помощью густых жидкостей и магнитных полей. Затем исследователи измеряют изотопный состав кристаллов - процесс, требующий тщательной калибровки и точности. Каждый датированный циркон позволяет взглянуть на состояние земной коры в момент её формирования.
Фото: theconversation.com
Хотя камни уже анализируются на предмет возраста и химического состава, их история только начинается. «То, что делают Майк и Вриджу, очень креативно», - говорит Рейминк. «Они ищут более древний материал, крошечные минеральные зёрна или ранее неизученные породы, которые могут ещё больше расширить наше понимание ранней Земли».
Эти образцы, являющиеся частью Национальной коллекции горных пород и руд, будут доступны учёным всего мира. Для широкой публики эти исследования помогут расширить представление музея об истории Земли.
В настоящее время выставка «Глубокое прошлое» охватывает большую часть древнего прошлого Земли. «Мы надеемся создать «выставку-компаньона», которая пойдёт ещё дальше», - говорит Акерсон. «Проследить историю от сегодняшнего дня до формирования нашей Солнечной системы».
До этой выставки ещё много лет, но её фундамент уже формируется - по одному серому камню за раз. «Эти образцы содержат подсказки о самых ранних этапах эволюции нашей планеты», - говорит Рейминк. «А в более широком смысле они помогают ответить на фундаментальный вопрос: Почему мы здесь?».