«Великое стратиграфическое несогласие» — длительный перерыв в осадконакоплении, который прослеживается в отложениях конца докембрия во многих частях планеты. На значительных территориях из геологической летописи были вычеркнуты сотни миллионов лет. Насчет причин, приведших к появлению этого геохронологического разрыва, консенсуса среди ученых не было. Недавно в журнале PNAS вышла статья американских геологов, которые, основываясь на данных о содержании изотопов гафния и кислорода в древних цирконах и количестве известных древних метеоритных кратеров, обосновывают ледниковую гипотезу его образования. Ученые считают, что значительная часть континентальной земной коры на рубеже протерозоя и фанерозоя была срезана во время серии крупных оледенений и затем захоронена за счет субдукции.
Абсолютный возраст горной породы можно определить при помощи изотопных методов датирования. Они основываются на законе радиоактивного распада, из которого, зная время полураспада нестабильного изотопа и его исходную концентрацию в минерале, можно рассчитать возраст образца этого минерала. Чаще всего используется распад 235U в 207Pb, для оценки количества продуктов которого обычно анализируют циркон — распространенный минерал магматических горных пород, очень устойчивый к разрушению. Именно на основе анализа цирконов построена международная геохронологическая шкала и установлены самые древние датировки океанической и континентальной коры.
Эти два типа земной коры различаются по своему составу и строению. Океаническая кора сравнительно тонкая, до 10 километров, а из-за постоянного переплавления в зонах субдукции, где океанические плиты подминаются под континентальные, ее возраст ограничен сверху, так что в масштабе возраста Земли океаническая кора молодая (R. Granot, 2016. Palaeozoic oceanic crust preserved beneath the eastern Mediterranean). У нее слоистая структура: сверху океанические осадки, под ними базальтовые лавы, ниже располагаются параллельные дайки габбро и перидотиты.
Континентальная кора — более толстая (до 70 км) и древняя (датировка гнейсов Акаста (см. Acasta Gneiss) в Гренландии дает возраст 4,1 млрд лет). У нее тоже слоистая структура, но не такая, как у океанической коры: осадочные породы залегают на магматических или метаморфических породах кристаллического фундамента (гнейсах и гранитах). Контакт между ними не обязательно должен быть резким — по мере погружения осадки перекристаллизуются и испытывают частичное плавление (метаморфизуются), поэтому граница «осадки — фундамент» постепенно размывается.
Однако довольно часто бывает так, что осадочные породы континентальной коры, накопившиеся за последние полмиллиарда лет, залегают на более древних породах не с плавным переходом, а с резким разрывом (в среднем потерялось около 0,9 млрд лет). Эту границу называют «Великим несогласием» (термин применяется, в основном, американскими геологами, см. Great Unconformity). Обычно из-за своей древности она находится на большой глубине и недоступна для прямого изучения, но некоторые формы рельефа дают возможность наблюдать его на поверхности. Хороший пример — Большого каньон (рис. 1), где есть резкая граница между сланцами Вишну (палеопротерозой, возраст около 1700 млн лет) и песчаниками Тапитс (кембрий, возраст около 550 млн лет).
Такое соседство кембрийских осадочных горных пород, «несогласно» залегающих на сильно более старом докембрийском фундаменте, было впервые отмечено геологом Чарльзом Уолкоттом (C. Walcott, 1914. Cambrian Geology and Paleontology). Он предположил, что наблюдает глобальный перерыв в континентальной эрозии и осадконакоплении, названный им липалианским (от греческого слова λείπει — «исчезнувший»). Первая работа по изотопному датированию пород была опубликована в 1907 году — в то время этот метод еще не был распространен, поэтому Уолкотт пользовался относительной геохронологической шкалой, построенной на окаменелостях, встречающихся в различных слоях. Она могла помочь определить, какая из пород образовалась раньше или позже, но ничего не говорила об их абсолютном возрасте.
По его гипотезе от этого времени могли сохраниться лишь глубинные океанские осадки и любую докембрийскую фауну следовало искать именно в них — на океанском дне возрастом в миллиард лет. Как уже говорилось выше, из-за субдукции у нас нет шансов найти настолько древние породы океанической коры на поверхности планеты, максимум — 340 млн лет, но Уолкотт ничего не знал про спрединг и субдукцию (эта концепция оформилась лишь к концу 1960-х годов). В более поздних исследованиях в разных частях планеты, естественно, обнаружились непрерывные геологические разрезы с плавным переходом от докембрия к кембрию, однако это не отменяет того, что «несогласие» наблюдается на значительных площадях, особенно в Северной Америке. В недавней статье, вышедшей в конце января в журнале PNAS, международная группа ученых во главе с К. Брэнином Келлером (C. Brenhin Keller) из Калифорнийского университета в Беркли попыталась разобраться с загадкой «Великого несогласия».
Современные оценки масштабов «Великого несогласия» впервые были даны Александром Роновым с соавторами (A. Ronov et al., 1980. Quantitative analysis of Phanerozoic sedimentation): они оценили количество сохранившихся осадков за последние 1,6 млрд лет, основываясь на данных геологического картирования и известных мощностях слоев осадочных пород. Для Северной Америки (Лаврентии) более точная (по сравнению с данными Ронова) информация накоплена в геологической базе данных Macrostrat. По этим данным (рис. 2) на границе протерозоя с фанерозоем количество сохранившегося осадочного материала подскакивает с примерно 0,2 км3/год до примерно 1 км3/год. Это может объясняться двумя главными гипотезами: «конструктивной» (ускорение осадконакопления в фанерозое) и «деструктивной» (протерозойские породы были разрушены и не сохранились).
Логично предположить, что за счет постепенного разрушения (например, под действием эрозии) количество сохранившихся континентальных осадков (в мире и, в частности, в Северной Америке) будет убывать экспоненциально с возрастом (см., например, B. Gregor, 1970. Denudation of the continents). Однако этого не происходит: объемы осадков накапливались почти с постоянной скоростью в протерозое и фанерозое, хотя для каждого эона скорость, конечно же, своя (см. рис. 2). Исходя из этого можно предположить очень малое влияние эрозии на сохранность эпикратонных (накапливавшихся в районах древних морей, расположенных на земной коре континентального типа) морских осадков.
Если принять «деструктивную» гипотезу и считать, что резкий скачок в количестве сохранившегося осадочного материала — это просто контраст между очень быстрой скоростью разрушения осадков до кембрия и медленной в более новые геологические эпохи, то из этого следует, что 80% протерозойских осадков (мощность которых должна была бы составлять около 14 км) не дошли до наших дней (J. Husson, S. Peters, 2018. Nature of the sedimentary rock record and its implications for Earth system evolution). Чисто «конструктивная» гипотеза требует не менее фантастических условий — пятикратного возрастания потока осадочного материала и площади континентальной коры для его накопления в фанерозое. То есть в чистом виде ни одно из объяснений не годится. В целом, «Великое несогласие» больше напоминает результат разрушения, так как накапливающиеся на поверхности осадочные породы залегают прямо на глубинных породах кристаллического фундамента (рис. 3).
И при «конструктивном», и при «деструктивном» сценариях глобальный поток осадков за счет тектонических процессов сохраняется постоянным на протяжении фанерозоя. Основываясь на рис. 1, можно предположить, что объем разрушенного осадочного материала составил около 109 км3, который был вынесен с континентов в океанские впадины. Этот процесс происходил либо медленно (на протяжении всего протерозоя), из-за уменьшения возможностей для накопления на континентах («конструктивная» модель), либо быстро, за счет ускорившейся эрозии на рубеже протерозоя-фанерозоя («деструктивная» модель).
До теории литосферных плит в геологии господствовала теория геосинклиналей, объяснявшая глобальную тектонику циклическими вертикальными подъемами и опусканиями участков земной коры. Исходя из геосинклинальной концепции, предполагалось, что потерянные кубические километры находятся в настоящее время под океанским дном и недоступны для изучения. Их отсутствие по результатам бурения, а также крайне молодой возраст океанической коры в свое время стали существенными аргументами в пользу наличия спрединга, субдукции и тектоники плит (R. Dietz, 1961. Continent and ocean basin evolution by spreading of the sea floor). В принятой в настоящее время модели океанические осадки уходят в мантию при субдукции со скоростью примерно 1,65 км3/год (P. Clift et al., 2009. Crustal redistribution, crust–mantle recycling and Phanerozoic evolution of the continental crust). За счет своей малой плотности и состава субдуцированный осадок очень часто становится частью островодужных магм, в которых можно обнаружить характерные геохимические или изотопные маркеры.
Одним из таких изотопных маркеров является радиогенный гафний 176Hf, образующийся за счет бета-распада лютеция 176Lu. Так как лютеций, из-за своих химических свойств (размер атома и возможные заряды), лучше накапливается в мантии чем гафний (177Hf), то со временем в мантии увеличивается концентрация радиогенного 176Hf (более высокое отношение 176Hf/177Hf, чем в коре). Традиционно, в геохимии эти значения приводятся в виде нормированного соотношения εHf = [(176Hf/177Hf)в образце/(176Hf/177Hf)CHUR − 1]×104. Аббревиатура CHUR — сокращение от Chondritic Uniform Reservoir (хондритный универсальный резервуар); можно считать, что это соотношение данных изотопов в хондритах типа CI (A. Bouvier et al., 2008. The Lu–Hf and Sm–Nd isotopic composition of CHUR: Constraints from unequilibrated chondrites and implications for the bulk composition of terrestrial planets). Распространенный и очень устойчивый к разрушению минерал циркон (ZrSiO4) кристаллизуется с очень низким Lu/Hf отношением (так как исходно было очень мало лютеция и поэтому примесь радиогенного гафния, захваченного при кристаллизации-минимальна), и датирование уран-свинцовым методом дает возможность оценить исходное изотопное соотношение гафния при формировании кристалла. Циркон очень часто кристаллизуется в магмах, наследующих геохимические маркеры древних осадков, делая этот минерал носителем информации об уже исчезнувшем с поверхности планеты веществе.
Масштабное разрушение континентальной коры привело бы к накоплению большего количества осадков в океанских впадинах и, соответственно, к захоронению большего их количества при субдукции. Такой поток корового вещества в мантию привел бы к возникновению отрицательной Hf-аномалии в образующихся цирконах, так что εHf коррелировала бы с толщиной слоя осадков в океанских впадинах. Для оценки глобальной эволюции εHf за последние 4,4 млрд лет в обсуждаемой работе был изучен набор изотопных данных по 29 523 кристаллам циркона (U–Pb возраст, концентрация изотопов Hf и/или кислорода).
Среднее изотопное соотношение εHf на протяжении земной истории держится около нуля (как и у хондритов CI) с периодическими колебаниями длительностью 500–700 млн лет (рис. 4, T. Iizuka et al., 2017. What Hf isotopes in zircon tell us about crust–mantle evolution), традиционно считающимися атрибутами суперконтинентального цикла (распад-сборка суперконтинентов, цикл Уилсона). Однако если посмотреть внимательно на рис. 4, А, то видно, что все колебания заметно меньше одной отрицательной аномалии, начинающейся в раннем криогении (700 млн лет назад) и продолжающейся до палеозоя.
Объяснение этой аномалии — активная переработка материала континентальной коры. Это может происходить несколькими путями, из которых авторы обсуждаемой работы остановились на двух наиболее подходящих. Первый вариант — выплавка новых магм с участием древнего корового материала происходит на границе коры и мантии за счет подъема глубинных горячих потоков: своеобразное плавление снизу. Измеряя соотношение изотопов кислорода в минералах этих новых магм, мы получим значения, характерные для неизмененной усредненной континентальной коры того времени.
Второй вариант — плавилось субдуцированное коровое вещество, длительное время перед этим подвергавшееся воздействию холодных водных растворов (то есть выветриванию и разрушению). Тогда должна появиться положительная аномалия по изотопам кислорода. Это происходит из-за фракционирования изотопов кислорода в системе «вода — порода», в результате которого порода при низких температурах обогащается более тяжелым изотопом кислорода (подробно об этом нетривиальном процессе можно прочитать в книгах Г. Фора «Основы изотопной геологии» и C. Allegre Isotope Geology).
Именно второй случай мы видим на рис. 4, В: аномалии εHf соответствует аномалия δ18O. То есть, попавший в зону субдукции осадочный материал до этого подвергся приповерхностным изменениям. Ковариация этих двух величин (рис. 4, С) будет примерно отражать относительную скорость процесса: у ее графика будет положительный наклон (рис. 3, D), если переработка корового материала ускоряется, и отрицательный, если она замедляется. Максимальные отклонения от нулевых значений в районе возникновения «Великого несогласия» на границе протерозоя и фанерозоя интерпретируются, как резко возросший темп переплавки древнего корового материала в новые магмы в позднем неопротерозое с замедлением процесса в фанерозое.
Несмотря на хорошее совпадение датировок, объем эродированного материала для возникновения «Великого несогласия» по такому сценарию должен быть очень значительным. Используя достаточно консервативные оценки для средних коровых и мантийных значений εHf того времени, авторы оценивают объем задействованного вещества в 2,4×108 км3, что примерно соответствует слою толщиной 1,6 км (если «размазать» его по всей доступной на тот момент континентальной поверхности). А если учитывать, что лишь малая часть гафния из погрузившихся осадков попадает в итоговые базальтовые расплавы из-за его химических свойств (в основном, атомного радиуса, см. M. Perfit et al., 1980. Chemical characteristics of island-arc basalts: Implications for mantle sources), то можно предположить, что эти объемы еще в два раза больше (соответственно, толщина слоя должна быть 3,2 км или даже больше).
Стратиграфические несогласия, связанные с разрушением горных пород и последующим накоплением новых на их месте, достаточно распространены и обычно объясняются подъемом и опусканием изучаемого блока земной поверхности. В целом, такое объяснение можно было бы со скрипом применить и к некоторым отдельным проявлениям «Великого несогласия» (K. Karlstrom, J. Timmons, 2012. Many unconformities make one «Great Unconformity’), но такой подход не помогает в интерпретации поразительного сходства всех этих несогласий и скачка в темпах переработки корового материала, наблюдаемого по изотопным данным. В свою очередь, неопротерозойское оледенение (известное как гипотеза «Земля-снежок») и связанное с ним разрушение горных пород ледниками (W. White, 1973. Deep erosion by infracambrian ice sheets) является простым и эффективным механизмом, который мог бы объяснить все особенности формирования «Великого несогласия».
Ледники обладают совершенно уникальной деструктивной силой (достаточно взглянуть на карту Канады с полосками ледниковых озер или норвежские фьорды). Крупные ледяные щиты не только срезают горные породы в своем основании, но и влияют на глобальную эрозию за счет понижения уровня моря в ледниковую эпоху (увеличивая площадь континентов и ускоряя их разрушение). Хорошо исследованы три неопротерозойских оледенения: Стертское (717–660 млн лет), Марино (641–635 млн лет) и Гаскье (около 580 млн назад). Первые два были глобальными (P. Hoffman, Z. Li, 2009. A palaeogeographic context for Neoproterozoic glaciation), то есть Земля была практически целиком покрыта ледяным щитом, а оледенение Гаскье было крупным, но все же локальным (экваториальные и тропические широты были свободны ото льда). Толщину ледяного щита в этих оледенениях, естественно, можно только оценивать (считается, что она колебалась между от 0 до 6 км). Разные модели дают разные оценки падения уровня Мирового океана (относительно уровня того времени), но можно с большой уверенностью предполагать, что уровень упал на несколько сотен метров и что обнажились обширные площади континентальных окраин (Y. Liu, W. Peltier, 2013. Sea level variations during snowball Earth formation: 1. A preliminary analysis), а это сильно ускорило разрушение континентальных горных пород.
В зависимости от разных факторов (состава пород, скорости движения ледника и т. д.) современные ледники разрушают горные породы со скоростью 0,01–100 мм/год (B. Hallet et al., 1996. Rates of erosion and sediment evacuation by glaciers: A review of field data and their implications). Логично предположить, что за последний миллиард лет в этом процессе вряд ли могло что-то поменяться: породы остаются породами, а лед — льдом. Так что даже если взять толщину слоя пород 4 км (это больше, чем получается по приведенным выше оценкам), а скорость ледниковой эрозии — вблизи нижней границы современных значений (0,0625 мм/год, это на два порядка меньше, чем оценки для современного Гренландского ледяного щита, см.T. Cowton et al., 2012. Rapid erosion beneath the Greenland ice sheet), то несложно прикинуть, что разрушение займет 64 миллиона лет — столько и длилось неопротерозойское оледенение. Вводя поправки на неравномерную толщину ледяного покрова и вариацию скоростей эрозии, мы все равно остаемся в пределах времени этого оледенения.
Для прямой оценки интенсивности разрушения древней коры этими ледниками авторы использовали данные по сохранности метеоритных кратеров. Метеоритные кратеры — отличные индикаторы эрозии: они (с определенного момента времени) более-менее равномерно распределены во времени (хотя на этот счет есть и другие данные, см. Интенсивность метеоритной бомбардировки Земли резко возросла в конце палеозоя, «Элементы», 31.01.2019) и достаточно плоские, а значит эффективно «стираются» ледниками без следа. Глобальное оледенение, таким образом, должно было значительно сократить количество предшествовавших ему метеоритных кратеров.
На рис. 5, А приведена диаграмма возрастного распределения всех известных кратеров. Если в случае небольших (менее 10 км) кратеров их количество напрямую соотносится с известными обнажениями пород того времени (что есть на поверхности — то и нашли), то Стертскому оледенению предшествуют всего лишь два суперкратера — Садбери и Вредефорт, потерявшие с момента своего появления, соответственно, 4,2–5,8 км и 8–11 км глубины (F. Molnar et al., 2001. Multiple hydrothermal processes in footwall units of the North Range, Sudbury Igneous Complex, Canada, and implications for the genesis of vein-type Cu-Ni-PGE deposits; R. Gibson et al., 1998. Thermal-metamorphic signature of an impact event in the Vredefort dome, South Africa). Особенно хорошо ледниковое разрушение кратеров заметно на рис. 5, В — на нем нанесена расчетная скорость возникновения кратеров разного размера на определенной площади. Мелкие кратеры доледникового возраста до нас не дошли в принципе, а количество более крупных снижается по мере удаления в «ледниковые периоды». Подобная качественная оценка подтверждает наличие оледенения и сходится с расчетными масштабами эрозии.
Самым важным итогом оледенения, по мнению авторов, стало его влияние на рельеф планеты на протяжении всего фанерозоя. Уменьшение толщины континентальной коры во время подобных событий делает рельеф более плоским, повышает уровень моря и усиливает накопление морских осадков — в частности, из-за того, что увеличивается площадь поверхности, на которой может идти накопление. Хотя этот процесс может немного компенсироваться подъемом коры после отступления ледника, глобально в послеледниковые эпохи наблюдается значительно большая мощность морских осадков (J. Husson, S. Peters, 2017. Atmospheric oxygenation driven by unsteady growth of the continental sedimentary reservoir).
Чтобы оценить количество новообразованных осадков, авторы построили одномерную модель поверхности континента с учетом эрозии, вертикальных движений коры и скорости осадконакопления для последних 800 млн лет. Для двух вариантов (первый — толщина подвергшегося эрозии слоя 3,4 км, поток осадков взят из базы данных Macrostrat, второй — эрозия 4,2 км, поток осадков 0,9 км3/год) результаты получившегося колебания уровня моря оказались удивительно совпадающими с реально наблюдаемыми по геологическим отложениям: сразу после оледенения количество покрытой морем континентальной коры возрастает, а потом уменьшается до современных значений.
Таким образом, ученые предполагают, что неопротерозойское оледенение в значительной степени (а не чисто тектонические причины) ответственно за увеличение площади континентов в фанерозое. Изотопы гафния и кислорода в их модели служат геохимическими свидетельствами этого события, а данные по глобальному осадконакоплению и сохранности метеоритных кратеров позволяют оценить приблизительные масштабы события. Характер накопления осадков в фанерозое наилучшим образом, по мнению авторов обсуждаемой работы, объясняется сносом значительного слоя континентальной коры в океан. Приведенные аргументы служат серьезным доказательством того, что «Великое несогласие» — результат глобального оледенения (или серии из нескольких оледенений).
Источник: C. Brenhin Keller, Jon M. Husson, Ross N. Mitchell, William F. Bottke, Thomas M. Gernon, Patrick Boehnke, Elizabeth A. Bell, Nicholas L. Swanson-Hysell, and Shanan E. Peters. Neoproterozoic glacial origin of the Great Unconformity // PNAS. 2018. V. 116 (4). P. 1136–1145/ DOI: 10.1073/pnas.1804350116.
Кирилл Власов