Gdzie się podziało pół miliarda lat?

Krajobraz płaskowyżu Kolorado doskonale znają amatorzy westernów. Tutaj właśnie, w rejonie zwanym Monument Valley, wiele filmów nakręcił John Ford, autor takich klasyków jak „Dyliżans”, „Fort Apache” czy „Rio Grande”. Surowe rozległe panoramy stanowiły idealne tło romantycznych opowieści o obdarzonych twardym charakterem mieszkańcach Dzikiego Zachodu. Niezwykłą cechą płaskowyżu jest to, że budujące go skały leżą poziomo, jakby nigdy nie zostały poddane żadnym naciskom i fałdowaniom. Zdumiało to już ich pierwszych odkrywców, którzy dotarli do kanionu w drugiej połowie XIX w.

Pionierem był John Wesley Powell. On i jego towarzysze latem 1869 r. przepłynęli Wielki Kanion Kolorado, pokonując setki niebezpiecznych bystrzy i spiętrzeń. Wyprawa zajęła im trzy miesiące. Wcześniej nikt tego nie uczynił, bo przełom uważano za zbyt niebezpieczny dla żeglugi. Powell po drodze zbierał próbki skał i prowadził badania geologiczne. W raporcie dla amerykańskiego Kongresu, przygotowanym w 1875 r., nie mógł się nadziwić, jak to możliwe, że w środku olbrzymich Gór Skalistych, których warstwy są pofałdowane we wszelkich możliwych kierunkach, mógł ocaleć blok sztywnych skał. W raporcie tym znalazł się opis jeszcze jednego geologicznego cudu natury: wielkiej niezgodności, czyli braku sporej części osadów, które jakaś potężna siła zdarła dawno temu z powierzchni ziemi, niszcząc zapis geologiczny, pozwalający zrekonstruować dzieje świata w tym właśnie okresie.

Powell domyślał się, że wyrwa może być spora, ale nie znał dokładnie jej rozmiarów. Podali je dopiero późniejsi geolodzy. Okazało się, że luka obejmuje okres od 200 mln do ponad 1 mld lat i można ją obserwować nie tylko w Wielkim Kanionie, ale w różnych zakątkach globu. Jakaś potężna siła występująca równocześnie na całej planecie musiała usunąć warstwy skalne, które wcześniej akumulowały się milimetr po milimetrze przez tak długi czas. Kilometry skał zniknęły, jakby ich nigdy nie było. Jakby zdarzenia, które doprowadziły do ich powstania, nigdy nie zaszły. Na naszej żywej planecie, która stale odmładza swoje oblicze i na której nic nie trwa wiecznie, takie zamazywanie śladów jest raczej regułą niż wyjątkiem, ale w tym przypadku skala destrukcji była nadzwyczajna. A skoro tak, to i zdarzenia, które odpowiadają za tę destrukcję, musiały być nadzwyczajne.

Niesamowite cyrkony

Geolodzy terminem „niezgodność” określają zaburzoną granicę pomiędzy warstwami geologicznymi. Warstwy są zgodne, kiedy młodsza leży na starszej, a ich granice są do siebie równoległe. Zwykle też nie zostaje przerwana ciągłość akumulacji osadów, chociaż rzadko zdarza się tak jak na płaskowyżu Kolorado, że zostaje zachowane poziome ułożenie warstw. Zazwyczaj bowiem dochodzi do ich pochylenia lub powyginania w fałdy podczas ruchów górotwórczych. Nowe góry, kiedy już wyrosną i staną się lądem, natychmiast zaczynają być niszczone przez erozję. W efekcie teren ulega wyrównaniu, a powstała w ten sposób powierzchnia erozyjna przecina warstwy różnego wieku. Z czasem mogą tworzyć się na niej kolejne poziome warstwy skalne, które będą leżały niezgodnie na starszych, pochylonych i pofałdowanych.

W zależności od tego, jak długo trwał proces niszczenia, możemy mieć do czynienia z mniejszą lub większą luką stratygraficzną, czyli nieobecnością osadów usuniętych w wyniku erozji. Odsłaniające się w Wielkim Kanionie Kolorado młodsze skały paleozoiczne leżą na znacznie starszych, średnio o pół miliarda lat, skałach proterozoicznych. Pomiędzy nimi czegoś brakuje. Tak samo jest w innych częściach świata. Ciągłość akumulacji musiała zostać przerwana brutalnie na długo przed osadzeniem się skał paleozoicznych, a naukowiec C. Brenhin Keller z Berkeley Geochronology Center znalazł dowody na to, że za proces ten odpowiada największa w dziejach globu seria zlodowaceń, która zaczęła się około 720 mln lat temu i trwała z przerwami ponad 100 mln lat. Plejstocen, czyli ostatnia epoka lodowa, która zakończyła się 10 tys. lat temu, był niewinną igraszką klimatu w porównaniu z tamtymi inwazjami lodu. Zdaniem Kellera i jego współpracowników megalodowce, które przesuwały się po lądach, zdarły górną część skorupy ziemskiej, a porwany osad złożyły na dnie zbiorników morskich. Następnie sedymenty te zostały wciągnięte do wnętrza Ziemi i poddane recyklingowi w wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Przetopione i przeobrażone wzbogaciły magmę, która zasila wulkany. Wszystko to Keller wyczytał z maleńkich cyrkonów – minerałów znanych z niezwykłej odporności. Najstarsze znalezione przez naukowców liczą ponad 4 mld lat. Są starsze od najstarszych znanych nam skał.

W cyrkonach jako domieszki uwięzione są izotopy rozmaitych pierwiastków, w tym tlenu i hafnu, które szczególnie zainteresowały Kellera. Dzięki nim można ustalić, co działo się z cyrkonami podczas ich kolejnych wędrówek pomiędzy powierzchnią Ziemi a jej wnętrzem. Odkryto na przykład, że ok. 720 mln lat temu na globie ruszyła gigantyczna erozja. W artykule zamieszczonym na łamach „PNAS” padają liczby, w które trudno uwierzyć. Badacze twierdzą bowiem, że warstwa zdartych skał miała w niektórych miejscach grubość 3–5 km. „Jakby potężny spychacz zepchnął z lądów do morza górną część skorupy ziemskiej” – mówi Keller.

Już w latach 60. XX w. podejrzewano, że cała Ziemia mogła niegdyś całkowicie pokryć się lodem. Były to jednak głównie teoretyczne rozważania. Na przedstawienie kompletnej hipotezy nikt się nie zdecydował. Przełom nastąpił trzy dekady później, gdy Joseph Kirschvink z California Institute of Technology (USA) odkrył w Australii grube warstwy skał polodowcowych. Były bardzo stare – miały ponad 600 mln lat – a analiza paleomagnetyczna wskazywała, że powstały w pobliżu równika. Naukowiec doszedł do wniosku, że znalazł dowody na całkowite zlodowacenie Ziemi. W 1992 r. ogłosił koncepcję Ziemi-śnieżki (ang. snowball Earth), w którą – jak sądził – nasza planeta zamieniła się co najmniej dwa razy. Z jego obliczeń wynikało, że stało się tak w przedziale datowanym na 710–640 mln lat temu.

Koncepcję Kirschvinka przyjęto sceptycznie. Niełatwo wyjaśnić bowiem, jak Ziemia mogłaby się wyrwać z takiej lodowej pułapki. Lód odbija promieniowanie słoneczne, co dodatkowo obniża temperatury. Zlodzony glob nie ma zatem większych szans na zmianę swego losu, a zatem nic takiego nie mogło spotkać Ziemi – argumentowali przeciwnicy. Zwracano też uwagę, że podczas takiej globalnej zimy życie na planecie wymarłoby całkowicie, a przecież ma się ono całkiem nieźle. Nie znajdowano też żadnego sensownego wytłumaczenia przyczyn zamarznięcia Ziemi, szczególnie oceanów. Początkowo Kirschvink miał garstkę sprzymierzeńców i armię wrogów. Tych pierwszych zaczęło ubywać, gdy mniej więcej dekadę temu Daniel Schrag i Francis Macdonald z Harvard University z podziwu godną precyzją wyznaczyli moment, gdy megalodowiec po raz pierwszy zajął tropiki. Na terytorium Jukonu w północno-zachodniej Kanadzie znaleźli skamieniałe moreny polodowcowe (geolodzy zwą je tillitami), których wiek określono na 716,5 mln lat. Dzięki badaniom magnetycznym naukowcy ustalili, że owe moreny powstały w odległości zaledwie 2 tys. km od równika. Na tej podstawie uznali, że wolna od lodu pozostała jedynie najcieplejsza okołorównikowa strefa o szerokości kilku tysięcy kilometrów.

Schrag i Macdonald zwrócili uwagę na coś jeszcze: sąsiadującą z morenami rozległą pokrywę lawową pochodzącą z tego samego co one okresu. To intensywny wulkanizm mógł uratować Ziemię przed zamarznięciem – brzmiała konkluzja badaczy. Wulkany wpompowały do atmosfery olbrzymie dawki dwutlenku węgla. Deszcze go nie usuwały, bo ich praktycznie nie było – na zmrożonej planecie obieg wody prawie ustał. Dwutlenek węgla gromadził się więc w powietrzu, podwyższając temperaturę. W końcu zebrało się go tyle, że najpierw rozpuścił lód, a następnie wraz z parą wodną ogrzał planetę do wysokich temperatur. „Zanim to jednak nastąpiło, lód zdążył nieźle nabroić. Zdzierał warstwy skalne tak intensywnie, że usunął z lądów niemal wszystkie kratery impaktowe po uderzeniach meteorytów. Znalezienie starszego niż 700 mln lat graniczy z cudem” – mówi Keller.

Rodinia się rozpada

Istnieje jednak konkurencyjne wytłumaczenie wielkiej niezgodności. Ono także jest świeżej daty. Zaproponowali je w zeszłym roku Michael DeLucia i Stephen Marshak, geofizycy z University of Illinois w Urbana-Champaign. Nie kwestionują oni skali erozji. Także uważają, że z lądów zostało usuniętych wiele kilometrów skał. Zgadzają się też, że niemal cała Ziemia pokryła się lodem. „Bez wątpienia to było wydarzenie bez precedensu, ale naszym zdaniem przebieg zdarzeń był inny” – mówi Marshak. Co ciekawe, on i DeLucia także wykorzystali cyrkony jako główne źródło informacji, ale doszli do odmiennych wniosków. W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Geology” argumentowali, że to olbrzymia erozja utorowała drogę megalodowcom, a nie odwrotnie. A praprzyczyną jednego i drugiego był rozpad superkontynentu o nazwie Rodinia.

W dziejach Ziemi wiele razy zdarzało się, że wszystkie lądy łączyły się ze sobą, tworząc superkontynent. Najlepiej poznano historię ostatniego, noszącego nazwę Pangea. Jego rozpad rozpoczął się jakieś 200 mln lat temu i trwa do dziś. Pangea nie była jednak pierwsza. W jej skład weszły lądy, które ok. 1,2 mld lat temu utworzyły Rodinię. Wiedza na jej temat była początkowo bardzo skąpa. Nie znano jej dokładnego położenia, nie wiedziano, jaki miała kształt i jaką zajmowała powierzchnię. Stopniowo gromadzono informacje, prowadząc badania na całej Ziemi, jako że fragmenty Rodinii rozrzucone są po całym globie. Był to zapewne ląd mało gościnny i kompletnie pozbawiony życia. Żadnych roślin, żadnych zwierząt. Nic. Tylko goła ziemia, niszczona i wyrównywana przez wiatry i płynącą wodę, która u podnóża gór osadzała olbrzymie ilości piasków i iłów. Kształt i położenie Rodinii z grubsza ustalono, zestawiając wiek prastarych skał z ich ówczesnym położeniem względem biegunów magnetycznych. Do określania tego drugiego wykorzystuje się zjawisko paleomagnetyzmu – trwałego namagnesowania niektórych skał przez ziemskie pole magnetyczne. Dzięki danym paleomagnetycznym można m.in. rekonstruować zarysy nieistniejących już lądów. Tą właśnie metodą posłużyli się Zheng- -Xiang Li i David Evans z Curtin University w Perth i stwierdzili, że ów gigantyczny ląd rozpadł się na dobre ok. 750 mln lat temu. Chwilę później – oczywiście w geologicznej skali czasu – niemal cały glob pokrył się lodem.

Dlaczego pojawił się lód? DeLucia i Marshak dowodzą, że zanim Rodinia się rozpadła, najpierw napuchła. Gigantyczne strumienie magmy napierające z wnętrza globu, które później podzielą ją na kawałki, najpierw naciskały ją od dołu. Podobnie dzieje się dziś we wschodniej Afryce, która jest położona o kilometr wyżej niż zachodnia część kontynentu. Tam również dojdzie w przyszłości do pęknięcia lądu wzdłuż Wielkiego Rowu Afrykańskiego. Im mocniej była wypychana Rodinia, tym silniej niszczyła ją erozja, której konsekwencją było wycofywanie z atmosfery gazu cieplarnianego – dwutlenku węgla. „Zdarcie wielokilometrowej warstwy skał pośrednio doprowadziło do takiego ochłodzenia, że temperatury na Ziemi raptownie poleciały w dół. Wkrótce lód dotarł aż pod równik” – mówi Marshak. Zgadza się on, że olbrzymie lądolody także musiały niszczyć skalne podłoże, po którym się przesuwały, ale czyniły to raczej niespiesznie. „Spójrzmy na tempo akumulacji osadów wynoszonych do mórz przez współczesny lądolód Antarktydy. Jest ono bardzo powolne” – zauważa.

Początek karnawału

W jednej kwestii obie grupy są zgodne: rozpad Rodinii w połączeniu ze zlodzeniem globu miały kolosalne znaczenie dla ewolucji życia na Ziemi. Życie, które przetrwało kryzys klimatyczny w oazach, bujnie rozkwitło. Ci, którzy jakoś przebiedowali post, w nagrodę wzięli udział w karnawale. Już dwie dekady temu Daniel Schrag wspólnie z Paulem Hoffmanem opisali, jak ten karnawał mógł się zacząć. Powyżej skał polodowcowych znaleźli warstwy wapieni utworzonych w bardzo ciepłym klimacie. Wychłodzony glob nagle stał się przegrzany.

Mniej więcej w tym samym czasie na Ziemi pojawiły się pierwsze zwierzęta wielokomórkowe. Topnienie lądolodów mogło im w tym pomóc. Kilka lat temu geochemicy Timothy Lyons i Noah Planavsky z University of California w Riverside z siedmiu miejsc na globie pobrali kilkaset próbek skał z czasów Ziemi--śnieżki. Szukali w nich fosforu – pierwiastka o kluczowym znaczeniu biologicznym, wspomagającego wzrost żywych organizmów. Intuicja ich nie zawiodła. We wszystkich miejscach koncentracja fosforu okazała się wysoka w porównaniu z wcześniejszymi i późniejszymi czasami. Skąd się wziął? Dostarczały go topniejące lodowce – stwierdzili badacze. W wyniku erozji podłoża, po którym sunęły, wzbogacały się one w różne związki mineralne. A gdy lód znikał, wypływająca z niego woda transportowała cały ten ładunek substancji pokarmowych, w tym fosforu, do oceanu. „To był potężny impuls do rozwoju życia. Geologia do spółki z klimatem doprowadziły do szybkich przetasowań w ziemskiej biosferze” – napisali Lyons i Planavsky.

Kilkadziesiąt milionów lat później w morzach nastąpiła kambryjska eksplozja życia i zaczęła się era paleozoiczna. Jednak te kilkadziesiąt milionów lat, które upłynęły od wycofania się lodowców do początku paleozoiku, wciąż pozostaje dla naukowców zagadką. Dlaczego np. tak mało jest osadów geologicznych z tego okresu, skoro faza erozji teoretycznie już się skończyła? Zdaniem Kellera rozmiary wcześniejszego niszczenia powierzchni Ziemi mogły być tak olbrzymie, że na płaskich jak stół i nisko położonych lądach nic już nie pozostało do usunięcia. „Dzieło destrukcji się dokonało. Wszystkie grzbiety górskie zostały starte na piasek i pył, które powędrowały do mórz. Planeta potrzebowała trochę czasu na wytworzenie nowych lądów” – mówi naukowiec, podkreślając jednak, że jest to jedynie spekulacja. Tymczasem w płytkich wodach przybrzeżnych oraz zacisznych zatokach powstałych po podniesieniu się poziomu mórz w wyniku stopienia lodu trwały już przygotowania do przełomu. Z badań Jochena Brocksa z Australian National University (ANU) – opublikowało je czasopismo „Nature” – wynika, że w oceanach, żyznych jak nigdy wcześniej, mnożył się na potęgę wszelki drobiazg jednokomórkowy, na czele z glonami. To on wkrótce utoruje drogę bardziej złożonym organizmom. „Z ewolucyjnej perspektywy silny stres czasami nie jest taki zły dla ziemskiego życia. Co nas nie zabije, to nas wzmocni” – konkluduje Brocks.

Andrzej Hołdys
dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”