Космические лучи как часы: как минералы раскрывают древнюю историю Австралии

Культовые красные ландшафты Австралии были домом для аборигенной культуры и запечатлены в песенных линиях на протяжении десятков тысяч лет. Но новые ключи к пониманию истинной древности этой земли приходят из далекого космоса: это космические лучи, оставляющие характерные «отпечатки пальцев» внутри минералов на поверхности Земли.

В нашем новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, мы показываем, как эти «космические часы» раскрывают эволюцию рек, побережий и мест обитания. 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 противостоящие силы эрозии и тектонического подъема соревнуются, формируя окружающий нас ландшафт. Один из примеров — горы, которые растут, а затем разрушаются под воздействием выветривания. Чтобы понять современные природные условия и предсказать их реакцию на будущие изменения, нам нужно знать, как ландшафты вели себя в глубокой древности — миллионы и даже миллиарды лет назад.

До сих пор прямая оценка изменений древних ландшафтов была серьезной проблемой. Новая методика наконец дает нам окно в далекое прошлое поверхности Земли.

Пробурив скважину прямо в недра, мы получили образцы, открывшие древние пляжи, окаймлявшие равнину Налларбор на юге Австралии. Сегодня расположенные более чем в 100 километрах от океана, эти погребенные береговые линии свидетельствуют о невероятных преобразованиях ландшафта. Когда-то это было морское дно, позже — лесистая местность 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 и свойства временной капсулы. Внутри этих крошечных кристаллов, размером с человеческий волос, скрывается космическая тайна.

В поисках космогенного криптона

Земля постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами — высокоэнергетическими частицами из космоса, рождающимися при взрывах звезд. В отличие от более крупных метеоритов, космические лучи меньше атома. Но когда они сталкиваются с атомами внутри минералов у поверхности Земли, микроскопические «взрывы» производят 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, сохранившийся в природных кристаллах циркона. Эта методика стала возможной лишь недавно благодаря технологическому прогрессу. Она работает, потому что криптон не распадается, а сохраняет информацию в течение десятков или даже сотен миллионов лет.

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

Удивительно стабильная земля

Результаты показывают, что около 40 миллионов лет назад, когда в Австралии был теплый, влажный климат, и она была покрыта пышными лесами, ландшафты на юге континента разрушались крайне медленно — менее чем на один метр за миллион лет.

Это намного медленнее, чем в горных регионах, таких как Анды в Южной Америке или Южные Альпы в Новой Зеландии. Однако эта скорость эрозии аналогична некоторым из самых стабильных регионов на Земле сегодня, таким как пустыня Атакама или сухие долины Антарктиды.

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

Со временем этот естественный процесс фильтрации привел к образованию богатых залежей пляжного песка, исключительно ценных с экономической точки зрения из-за содержания циркона и других стабильных минералов.

Результаты также фиксируют переломный момент в эволюции ландшафта региона. После периода относительной стабильности изменения климата, движения земной коры и уровня моря спровоцировали ускорение эрозии. Осадочные породы также начали перемещаться быстрее.

Новые хронометры для Земли

Эти «космические часы» помогают объяснить минеральные богатства окраин равнины Налларбор, включая крупнейший в мире рудник по добыче циркона Jacinth-Ambrosia. Этот рудник производит около четверти мирового предложения циркона.

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

Читая «отпечатки пальцев» космических лучей в цирконе, мы теперь имеем новые геологические часы для измерения древних процессов на поверхности нашей планеты. Изучение современных ландшафтов, где поверхностные процессы могут быть измерены независимо, поможет усовершенствовать и расширить область применения метода — и его потенциал огромен. Поскольку криптон и циркон стабильны, методику можно применять к периодам истории Земли, отстоящим на сотни миллионов лет в прошлое.

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 трансформировало поверхность и атмосферу планеты.

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

Ландшафты Земли хранят воспоминания, запертые в минералах, созданных космическими лучами. Научившись считывать показания этих «космических часов», мы нашли новый способ понять историю, стоящую за знаковыми ландшафтами. Возможно, что еще важнее, это дает нам план изменений, которые могут ожидать нас впереди, и подчеркивает невероятную устойчивость некоторых уголков нашей планеты на протяжении немыслимых промежутков времени.