Космические часы: как лучи из далекого космоса раскрывают историю древних ландшафтов Земли

Знаменитые красные ландшафты Австралии были домом для культуры аборигенов и запечатлены в их песенных путях (songlines) на протяжении десятков тысяч лет. Но новые ключи к разгадке истинного возраста этого ландшафта пришли из далекого космоса: речь идет о космических лучах, которые оставляют характерные «отпечатки пальцев» внутри минералов на поверхности Земли.

В нашем новом исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, мы показываем, как эти «космические часы» раскрывают эволюцию рек, побережий и природных сред.

Они также показывают, как формировались гигантские месторождения полезных ископаемых. Продукты из этих месторождений попадают в повседневные керамические изделия, но несут в себе скрытую историю ландшафта.

Взгляд сквозь глубину времени

Поверхность Земли постоянно меняется, поскольку противоборствующие силы эрозии и тектонического поднятия соревнуются, формируя ландшафт вокруг нас. Яркий пример — горы, которые поднимаются, а затем разрушаются под воздействием выветривания.

Чтобы понять современные экосистемы и спрогнозировать их реакцию на будущие изменения, нам необходимо знать, как ландшафты вели себя в глубине времен — миллионы и миллиарды лет назад.

До недавнего времени прямая оценка изменений древних ландшафтов была сложной задачей. Новая техника наконец дала нам окно в далекое прошлое земной поверхности.

Пробурив скважину прямо в недра, мы получили образцы, открывшие древние пляжи, некогда окаймлявшие равнину Налларбор на юге Австралии.

Сегодня расположенные более чем в 100 километрах от океана, эти погребенные береговые линии свидетельствуют о невероятных превращениях ландшафта. Когда-то это было морское дно, позже — лесные угодья с гигантскими древесными кенгуру и сумчатыми львами, а сегодня это одно из самых плоских и засушливых мест на Земле.

Эти древние пляжи содержат необычно высокое количество циркона — минерала, любимого геологами за его прочность, подобную временной капсуле. Внутри этих крошечных кристаллов, размером с человеческий волос, скрывается космический секрет.

Охота за космогенным криптоном

Земля постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами — высокоэнергетическими частицами из космоса, рождающимися при взрывах звезд. В отличие от более крупных метеоритов, космические лучи меньше атомов. Но когда они сталкиваются с атомами внутри минералов у поверхности Земли, микроскопические «взрывы» порождают новые элементы, известные как космогенные нуклиды.

Измерение этих нуклидов — популярный способ определить скорость изменения ландшафтов. Но многие нуклиды очень недолговечны, что делает их непригодными для изучения древних ландшафтов.

Для наших измерений мы использовали космогенный криптон, накопленный внутри природных кристаллов циркона. Эта методика стала возможной лишь недавно благодаря технологическим достижениям. Она работает, потому что криптон не распадается и сохраняет информацию в течение десятков и даже сотен миллионов лет.

Чтобы запустить эти «космические часы», мы использовали лазер для испарения нескольких тысяч кристаллов циркона и измерили высвободившийся из них криптон. Чем больше криптона содержится в зерне, тем дольше оно должно было находиться на поверхности, прежде чем быть погребенным под более молодыми слоями осадков.

Необычайно стабильная земля

Результаты показывают, что около 40 миллионов лет назад, когда Австралия была теплой, влажной и покрытой пышными лесами, ландшафты на юге континента разрушались чрезвычайно медленно — менее чем на один метр за миллион лет.

Это гораздо медленнее, чем в горных регионах, таких как Анды в Южной Америке или Южные Альпы в Новой Зеландии. Однако эта скорость эрозии схожа с некоторыми из самых стабильных регионов на Земле сегодня, такими как пустыня Атакама или сухие долины Антарктиды.

Мы подсчитали, что богатым цирконом пляжным пескам потребовалось около 1,6 миллиона лет, чтобы переместиться от места размыва до места окончательного захоронения на побережье. Во время этого очень медленного переноса осадков многие менее прочные минералы постепенно разрушались или растворялись под воздействием выветривания. Оставались лишь самые устойчивые минералы, такие как циркон, которые становились все более концентрированными.

Со временем этот естественный процесс фильтрации привел к образованию песчаных пляжных отложений, чрезвычайно богатых экономически ценным цирконом и другими стабильными минералами.

Результаты также фиксируют переломный момент в эволюции ландшафта региона. После периода относительной стабильности изменения климата, тектонические движения и колебания уровня моря спровоцировали ускорение эрозии. Осадки также начали двигаться быстрее.

Новые хронометры из кристаллов

Эти «космические часы» помогают объяснить минеральное богатство окраин равнины Налларбор, включая крупнейший в мире рудник по добыче циркона Jacinth-Ambrosia. На его долю приходится около четверти мировых поставок этого минерала.

Большое количество циркона используется в производстве керамики, поэтому высока вероятность, что многие из нас уже соприкасались с этими минералами, которые провели на поверхности Земли гораздо больше времени, чем существует наш собственный вид.

Считывая «отпечатки пальцев» космических лучей в цирконе, мы теперь обладаем новыми геологическими часами для измерения древних процессов на поверхности нашей планеты.

Исследование современных ландшафтов, где поверхностные процессы можно измерить независимо, поможет усовершенствовать и расширить применение методики, а ее потенциал огромен. Поскольку криптон и циркон стабильны, метод может быть применен к периодам истории Земли сотни миллионов лет назад.

Это открывает возможность изучения реакции ландшафтов на некоторые из крупнейших событий в истории Земли, таких как появление наземных растений около 500–400 миллионов лет назад, которое преобразило поверхность и атмосферу планеты.

Для этого мы могли бы проанализировать кристаллы циркона, сохранившиеся в речных отложениях того времени. Это, вероятно, позволило бы измерить, насколько сильно появление растений изменило эрозию, перенос осадков и стабильность ландшафтов.

Пейзажи Земли хранят воспоминания, запертые в минералах, созданных космическими лучами. Научившись считывать эти «космические часы», мы нашли новый способ понять историю, стоящую за знаковыми ландшафтами. Возможно, что еще важнее, это дает нам схему изменений, которые могут ожидать нас в будущем.