Путешествие кианита: камни рассказывают о недолговечности любой версии мира

Если говорить об этих скалах как о геологических объектах, то легко не заметить их суть. С точки зрения геологии, это просто невысокий выступ породы вдоль проселочной дороги в северном Висконсине, за пределами города, единственной достопримечательностью которого является таверна, где прятался в 1930-е годы гангстер Джон Диллинджер. Я много раз бывал здесь и в этот осенний день ищу место, где могли бы припарковаться три университетских фургона. Нам кое-как удается припарковаться на обочине. Студенты покидают фургоны с разочарованным и недоуменным видом. Они пока не понимают, что это портал в недра Земли.

Я прошу их присмотреться, встать на четвереньки и взглянуть на горные породы через лупу. Раздаются недовольные возгласы: мои ученики проголодались. Но через минуту недовольные голоса сменяются изумленными:«Посмотрите, это же биотит! И множество вкраплений граната! Что это за голубые кристаллы. Кианит?»

Мои ученики начинают понимать, что эти камни проделали путь, который никогда не смог бы совершить человек. На уроке мы говорили с ними о невероятной биографии слюдяных сланцев и о том, что они — посланники, несущие новости из далеких миров. Но одно дело обсуждать на уроке, а другое — видеть вблизи.

Согласно геологической классификации, эти породы являются «метаморфическими», то есть они преобразовывались под воздействием высоких температур и давления под поверхностью Земли, а затем поднялись на поверхность. В отличие от магматического базальта, кристаллизовавшегося из лавы, или осадочного песчаника, образовавшегося из воды, метаморфические породы формируются в одной среде, а затем перемещаются вглубь земной коры. Это делает их странствующими «писателями-путешественниками» в мире горных пород: они возвращаются, чтобы рассказать нам о беспокойной, живой природе Земли. На каждом этапе своего паломничества они ведут записи о своих впечатлениях, и благодаря им мы можем заглянуть в недоступные подземные миры — места, с которыми мы, люди, никогда не столкнёмся напрямую.

История метаморфических сланцев, которую мы с учениками анализируем в Висконсине, начиналась скромно, на древнем морском дне, с грязных отложений — выветрившихся остатков еще более древних пород. По мере того, как все больше наслоений покрывало и погребало их, эти слои ила теряли контакт с беспокойным миром воды. Под растущим весом верхних отложений они были вынуждены становиться все более плотными и компактными, затвердевая в сланец.

Идут миллионы лет. География мира меняется в бесконечном танце тектонических плит. Однажды сланец оказывается в тисках столкнувшихся континентов и глубоко погружается в недра горного хребта. На таких глубинах экстремальное давление, глинистые минералы в сланце, оказавшись вдали от морских вод, больше не могут сохранять свою форму. Их химические связи ослабевают, границы между зёрнами размываются, и начинается удивительное преображение. Элементы внутри, которые раньше были частью жёсткой кристаллической структуры, теперь могут свободно перемещаться. Атомы алюминия, кремния, магния и железа, удивлённые своей непривычной свободой, образуют новые соединения и перестраиваются в минералы, которым комфортно на этих глубинах и при таких температурах: блестящий чёрный биотит, тёмно-красный гранат и небесно-голубой кианит.

Причина метаморфизма понятна — это термодинамический императив, согласно которому кристаллы перестраиваются в формы, устойчивые при новых условиях температуры и давления, подобно тому как рыхлый снег под давлением превращается в лед. Это легко понять, исходя из знаний. Но все равно этот процесс кажется мне глубоко загадочным, алхимическим. Прозаичная грязь превращается в сверкающий слюдяной сланец, тусклые известняки трансформируются в молочный мрамор, песчаники перевоплощаются в светящиеся кварциты — даже несмотря на то, что в их подземном мире нет света, который мог бы раскрыть их прекрасные новые образы.

Горы, в которых обитали эти сланцы, однажды достигли максимальной высоты, и тектонические процессы переместились в другие места. Эрозия начала разрушать их, уделяя особое внимание вершинам в центре хребта. Для сланцев это стало началом медленного восхождения на поверхность. В конце концов они вновь увидели ветер и солнечный свет.

Я прошу своих студентов вспомнить предыдущую остановку наших фургонов, примерно в 50 км к северу, где мы видели тёмно-серые аргиллиты. Когда я говорю им, что эти породы были предшественниками этих сланцев, но никогда не залегавшими на такой глубине, — они очень удивляются: это всё равно что встретить одного и того же человека в детстве и во взрослом возрасте в один день.

Большинство людей назвали бы космос «последним рубежом», последней неизведанной территорией. Но обратите внимание на эту асимметрию: самолёты могут летать на высоте 15 км над поверхностью Земли, два десятка человек совершили путешествие на Луну длиной 384 000 км. Наши спутники находятся на внешней границе атмосферы, мы отправили марсоходы на Марс. Но ни один человек не проникал вглубь земной коры более чем на 4 км (глубина самой глубокой шахты по добыче золота в Южной Африке). Даже наши механические помощники не продвинулись далеко. В соревновании времён холодной войны СССР и страны НАТО пытались превзойти друг друга в глубоком бурении. Советские учёные победили в этом соревновании, пробурив на Кольском полуострове скважину глубиной 12 км. Это чуть больше, чем длинная прогулка от северной части Центрального парка до паромных терминалов в южной части Манхэттена.

У нас есть возможность делать косвенные выводы о составе недр Земли — в первую очередь, наблюдая за тем, как сейсмические волны распространяются в породах глубоко под поверхностью. Но единственные образцы нижней части земной коры и мантии, которые у нас есть, — это метаморфические породы, такие как наши висконсинские сланцы, которые провели какое-то время на недоступных глубинах, а затем совершили долгий путь обратно, чтобы поделиться с нами, живущими на поверхности, тем, что они видели.

В своих лекциях я иногда испытываю трудности с тем, чтобы передать странность метаморфизма. Три основные категории горных пород — магматические, осадочные и метаморфические — похожи на разные литературные жанры. Магматические породы похожи на остросюжетные триллеры, рассказывающие драматические истории о вулканах. Осадочные породы — это серьёзные исторические тома, удивительно подробные, но иногда скучные. Метаморфические породы, напротив, имеют гораздо более широкий спектр сюжетных линий и не поддаются простой классификации. Их первые главы могли бы быть посвящены магматическим или осадочным породам, но затем действие разворачивается в совершенно ином направлении, и главные герои-минералы оказываются на чужой территории и вынуждены приспосабливаться. Это как если бы в середине научной биографии лорда Нельсона действие переместилось на морское дно, и он стал капитаном Немо.

Мы наблюдаем метаморфизм — «перекристаллизацию» горных пород — по крайней мере, с середины 1800-х годов. Однако наше современное понимание обычно восходит к работам, проведённым в 1910-х и 1920-х годах. В то время геологи понимали, что такое геологическая история, но только начинали задумываться о том, что нашу планету оживляет внутренний двигатель, работающий на радиоактивном тепле. Прошли десятилетия, прежде чем появилась теория тектоники плит, которая объяснила, как образуются горы.

В Шотландском нагорье геологи составили карту сложной последовательности осадочных пород, называемой Далрадийской серией. Теперь мы знаем, что эти породы свидетельствуют о росте Каледонско-Аппалачской горной цепи в масштабе полушария во время формирования Пангеи, но в то время, когда считалось, что континенты неподвижны, глобальный контекст горных пород нагорья не был понятен. Во время составления карты Грампианского региона геологи тщательно изучали минералы в метаморфизованном аргиллите. Среди них были биотит, гранат и кианит — те же цветные минералы, которые мои студенты узнали в сланцах Висконсина.

В то время геологи считали, что метаморфизм вызывается исключительно нагревом. Поэтому они были удивлены, когда не обнаружили кианита в аналогичных нагретых далрадийских аргиллитах к северо-востоку от Шотландии, в районе Бьюкен. Вместо этого там был обнаружен минерал кремового цвета под названием андалузит. Почему такая разница? Это было похоже на то, как если бы вы одновременно поставили в духовку два пирога из одного теста, а получили совершенно разные вкусы.

Одним из ключей к разгадке было то, что андалузит и кианит имеют одинаковый химический состав и формулу — Al2SiO5, — но разные кристаллические структуры. Они являются «полиморфами» друг друга, подобно тому, как графит и алмаз являются кристаллическими разновидностями углерода, но с разными молекулярными формами. Вторым важным наблюдением было то, что кианит значительно плотнее андалузита, что указывает на более компактную кристаллическую структуру и образование под большим давлением. Это было решением загадки Далрадии: метаморфические реакции и метаморфические минералы зависят как от температуры, так и от давления.

Примерно в то же время, в 1910–1920-х годах, финский геолог Пентти Эскола пришёл к тому же выводу, что и его британские коллеги. Основываясь на своих глубоких знаниях геологии Балтийского щита, Эскола построил график зависимости давления от температуры для различных метаморфических пород, создав первую приблизительную диаграмму метаморфических фаз. Он предвидел время, когда можно будет количественно определить поля стабильности — естественные среды обитания или «зоны комфорта» — метаморфических минералов и перевести малопонятные диалекты метаморфических пород.

Спустя столетие мечта Эсколы сбылась. Теперь в лабораторных экспериментах можно имитировать условия метаморфизма с высоким давлением и температурой и получать в небольших количествах такие минералы, как гранат, кианит и андалузит. Теперь у нас есть подробные диаграммы метаморфических фаз для горных пород любого исходного состава, и можно детально реконструировать пути их формирования.

Некоторые метаморфические реакции, такие как превращение графита в алмаз, в первую очередь чувствительны к давлению, а температура играет лишь второстепенную роль. Такие реакции известны как «геобарометры», потому что наличие того или иного минерала строго ограничивает давление, которому подвергались породы. И наоборот, реакции, чувствительные к температуре, но не зависящие от давления, являются «геотермометрами» — надёжными индикаторами прошлых температур. Таким образом, метаморфические породы, подобно исследователям, тщательно записывающим свои координаты, фиксируют свои «координаты» в пространстве давления и температуры. Эта информация в сочетании с методами датирования минералов с помощью естественной радиоактивности позволяет отслеживать метаморфические породы в пространстве и времени. Эскола был бы рад и удивлён.

Под микроскопом метаморфические породы похожи на изысканные рукописи с миниатюрами, в которых переплетающиеся минералы рассказывают о своих подземных приключениях. Кристаллы, которые росли в разное время, образуют концентрические полосы, похожие на годичные кольца деревьев, а более ранние минералы могут быть поглощены или окружены более поздними. На пути к превращению в сланец аргиллит мог сначала быть глинистым сланцем, и гранаты, которые разрослись поверх минералов сланца, могут сохранять память об этом этапе, даже если сланцевая текстура была стёрта в остальной части породы — как дерево, выросшее вокруг проволоки старого забора, который давно убрали.

Микроскопические наблюдения в сочетании с лабораторными экспериментами также показали, что жидкости в земной коре — в основном вода, но также углекислый газ и различные элементы, растворённые в этих фазах, — так же важны для метаморфических реакций, как температура и давление. Присутствие воды определяет температуру и скорость протекания реакций, и на водной планете это скорее правило, чем исключение. Действительно, единственным важным научным результатом абсурдной и дорогостоящей гонки за бурением самой глубокой скважины во время холодной войны стало открытие того, что вода встречается даже на самых больших достигнутых глубинах.

Некоторые из моих собственных работ в западной Норвегии, ещё одной части великой Каледонско-Аппалачской горной цепи, показали, что при полном отсутствии флюидов метаморфизм может вообще не происходить. К северу от Бергена, на изрезанном ледниками и продуваемом ветрами острове Хольснёй, обнажаются породы, которые когда-то находились глубоко в сердце этого великого горного хребта. Крошечный остров пользуется непропорционально большой известностью среди геологов, потому что он даёт своего рода «контрфактическое» представление о Земле, в которой породы земной коры лишены воды.

Горные породы на этом остраве имеют состав базальта — породы, из которой состоит океаническая кора. Они образовались в результате двух отдельных процессов горообразования: один произошёл около 900 миллионов лет назад, а другой — около 400 миллионов лет назад, и в обоих случаях подверглись экстремальным метаморфическим условиям. Во время первого события породы подверглись умеренному давлению на глубине 25 км, но при очень высоких температурах — близких к точке плавления — настолько высоких, что вся вода в гидратированных минералах «выпарилась», оставив исключительно сухую горную породу.

Пятьсот миллионов лет спустя эти иссохшие породы оказались ещё глубже в земной коре — на глубине более 45 км, — но при менее экстремальных температурах. На такой глубине они должны были полностью преобразоваться в результате метаморфической перекристаллизации в плотную, невероятно красивую породу под названием эклогит с малиновыми гранатами, вкраплёнными в травянисто-зелёный пироксен (любимый минерал Эсколы). Но, как ни странно, эклогит на Хольснёе встречается только в узких зонах и полосах, составляющих, возможно, 30% от общей массы горных пород. Метаморфические реакции, приводящие к образованию эклогита, по какой-то причине прекратились в процессе, оставив преобразованные и не преобразованные породы вперемешку и обеспечив редкую возможность увидеть крупным планом в «реальном времени» метаморфические процессы, которые происходят слишком глубоко в земной коре, чтобы мы могли их наблюдать.

Как могло случиться, что породы на острове проигнорировали термодинамический закон и под очень сильным давлением полностью перекристаллизовались в эклогит? Ответ, по-видимому, заключается в необычайной сухости пород на глубине. Без воды атомы могут перемещаться в породах только в результате сложного процесса диффузии, который длится мучительно медленно, как поездка на автомобиле в пробке. Метаморфические реакции в полном отсутствии воды были бы настолько медленными, что не происходили бы даже в геологическом масштабе времени. Напротив, при наличии воды атомы могут растворяться и перемещаться, подобно тому, как вы садитесь в метро и быстро передвигаетесь по городу. Быстро перемещаясь в новые места, элементы горных пород могут легко реорганизовываться и образовывать минералы, устойчивые к новым условиям.

Мы считаем, что на Хольснёе реакции, приводящие к образованию эклогита, подавлялись из-за недостатка воды до тех пор, пока несколько крупных землетрясений не разрушили необычно сухие породы и не позволили ограниченному количеству внешних жидкостей проникнуть по трещинам, сформировав локализованные линзы эклогита, которые так необычны и примечательны. Не менее примечателен тот факт, что эти породы когда-то поднялись на поверхность в результате тектонического сдвига и эрозии, чтобы поразить воображение паломников.

Эта история может показаться загадочной из-за странных камней, найденных в отдалённом месте, но она проливает свет на некоторые фундаментальные истины о тектонической системе плит Земли и, в частности, о характерном для неё процессе субдукции. В зонах субдукции, таких как та, что находится у восточного побережья Японии, базальтовая океаническая кора погружается в мантию. Субдукция океанического дна — это блестящая система переработки и омоложения Земли, и без неё наша планета была бы совершенно другой.

Однако плиты океанической коры были бы слишком плавучими, чтобы опускаться глубоко в мантию, если бы они не превращались в более плотную метаморфическую форму — эклогит. Для меня одна из самых странных особенностей Земли заключается в том, что базальт, который образуется в мантии, может перекристаллизовываться при высоком давлении в эклогит, который плотнее мантии. Наша работа на Хольснёе показывает, что в отсутствие воды преобразование базальта в эклогит не произошло бы, глубинная субдукция была бы невозможна, а тектоническая система планеты была бы совершенно иной. Другими словами, метаморфизм, опосредованный водой, является ключом к тектонике плит, которая обновляет рельеф, пополняет атмосферу и поддерживает планету в постоянном состоянии обновления.

В более широком смысле, учитывая решающую роль воды в их формировании, метаморфические породы любого типа (кроме тех, что образовались в результате ударов метеоритов) могут быть уникальными для Солнечной системы. А в отсутствие тектоники плит, которая также уникальна для Земли, возможности для перемещения пород в новые условия и их преобразования в любом случае были бы ограничены. Лунные камни, собранные во время миссий «Аполлон», и редкие метеориты, которые попали к нам с Марса, свидетельствуют о том, что мы подвергались ужасающим бомбардировкам космическими обломками, но не могут рассказать о приключениях в своих собственных мирах. Несмотря на долгое путешествие на Землю, эти камни кажутся странно наивными и неопытными.

Только у горных пород есть возможность учиться за границей, путешествовать по миру, погружаться в земную кору и воссоздавать себя. На самом деле, метаморфические породы являются преобладающим типом горных пород на Земле, потому что большинство горных пород, если они существуют достаточно долго, оказываются в новых условиях.

Нам повезло, что среди нас так много метаморфических пород, и мы можем поделиться знаниями не только об их происхождении, но и обо всём, что они пережили с тех пор. Не будет преувеличением сказать, что они реагируют, даже обладают сознанием, поскольку «воспринимают» окружающую среду и меняются в ответ на неё. Их истории по-настоящему эпичны: путешествие такого камня, как наш висконсинский сланец, с поверхности в центр горного хребта и обратно перекликается с сюжетной линией катабазиса и анабазиса в греческих мифах: спуск главного героя в Подземный мир, пережитые там испытания и, в конце концов, возвращение с с трудом обретённой мудростью в мир живых.

Метаморфические породы воплощают в себе живую, устойчивую, созидательную природу твёрдой Земли. Для нас, смертных землян, они говорят о возможности переосмысления, о красоте преобразований — и о недолговечности любой конкретной версии мира.

Уже поздно, пора уезжать. В косых лучах вечернего солнца меня наполняет чувство умиротворения, когда я наблюдаю за студентами, которые ползают по этому слюдяному сланцу на четвереньках, словно паломники, приближающиеся к святыне.

Источник