отложения. С каждым разом песчаники становятся богаче кварцем, и почти все нестойкие зерна (например, полевые шпаты или фрагменты горных пород) полностью исчезают. Чем выше в песке процентное содержание кварца и других очень прочных минералов (например, циркона, турмалина и рутила, по которым определяется индекс ZTR), тем более этот песчаник «зрелый». Некоторые песчаники считаются «сверхзрелыми», потому что они на 99,99 % состоят из чистого кварца с очень хорошо окатанными и отсортированными зернами одинакового размера. Геологи, исследующие осадочные породы, долго размышляли над тем, какие условия могут довести кварцевый песок до такого состояния. Большинство соглашается, что для появления песчаника, богатого кварцем с хорошо окатанными зернами, песок должен провести хотя бы какой-то период времени в песчаной дюне, переносимой ветром. Затем, наконец, песок в последний раз сбрасывается в океан, и он превращается в песчаник.

Именно это специалисты по осадочным породам ожидали от любого песчаника возрастом менее 2 млрд лет, и именно так мы смотрим на формирование песчаников сегодня. Но когда геологи отправились в те редкие места, где обнажались архейские осадочные породы (например, центр Канады, Южная Африка или Бразилия), они удивились. Обычных песчаников там не было вовсе. Вместо этого почти все осадочные породы (кроме полосчатых железистых кварцитов) представляли собой мощные параллельные слои песчаника, многократно (десятки и сотни раз) чередующиеся со слоями глинистых сланцев и простирающиеся на большие расстояния без изменения мощности (рис. 15.2).

Рис. 15.2 (А) Повторяющаяся сортированная (градационная) слоистость, типичная для архейских отложений. Фото предоставлено Карлом Вирцем (Karl Wirth). (В) Схема сортированной (градационной) слоистости, показывающая более крупный материал в основании и более тонкий наверху каждого слоя

Примечательной оказалась и природа этих песчаников. Это были отнюдь не чистые кварцевые насыпи, столь типичные для более поздних времен, а горная порода, которую немецкие геологи назвали граувакка[61], – незрелый песчаник с большим количеством глин либо илов, заключенных между зернами, а не с чистыми порами, характерными для обычных песчаников. Еще удивительнее было то, что у каждого слоя граувакки была важная особенность, известная как сортированная, или градационная, слоистость (рис. 15.3): в основании слоя находился наиболее массивный материал (гравий и крупнозернистый песок), а по мере приближения к верхней части пласта песок становился все тоньше и тоньше; на самом верху часто оказывались тонкозернистые глинистые сланцы.

Рис. 15.3 Механизм мощных гравитационных (турбидитных) потоков, которые отвечают за образование сортированной (градационной) слоистости. Предоставлено Национальным управлением океанических и атмосферных исследований

Все эти особенности были необычными, хотя в мире существовали места (например, предгорные впадины перед вздымающимися Альпами в Германии или глубоководные котловины в Южной Калифорнии) с молодыми граувакками, где можно обнаружить сортированную слоистость, чередующуюся с глинистыми сланцами. Однако оставалось загадкой, как эти породы образовались. Сортированная слоистость предполагает, что смесь песка с илом оседает из взвеси, при этом самые крупные зерна тонут быстрее всего, а тонкозернистые илы опускаются очень медленно, поэтому зерна и располагаются от крупных к мелким по размеру. Все это было достаточно ясно, но как объяснить, почему один и тот же процесс происходил сотни раз подряд? Геологи могли представить себе один слой, отображающий переход от мелководного песчаника к глубоководным сланцам, но для того, чтобы то же самое случалось вновь, вновь и вновь, уровень моря должен был быстро подниматься и опускаться, как игрушка йо-йо, – а это уже какой-то геологический абсурд.

Чем больше ученые ломали голову над этими своеобразными явлениями, тем сильнее приходили в замешательство. Легендарный специалист по осадочным породам Фрэнсис Джон Петтиджон в своей знаменитой автобиографии 1984 г. «Мемуары упорствующего полевого геолога» (Memoirs of an Unrepentant Field Geologist) описывает, как работал над картами архейских пород в северной Канаде в конце 1920-х – начале 1930-х гг. Вот характерная цитата (с. 123):

Меня поразила распространенность граувакки. Все архейские песчаники были граувакками – темные, заполненные угловатым кварцем, полевым шпатом и частицами пород. Почему архейские песчаники так отличались по внешнему виду от чистых белых докембрийских кварцитов гуронского периода [раннего протерозоя] на северном побережье озера Гурон и кварцитов железных кряжей Мичигана? Кроме того, выделялся архейский комплекс – зеленокаменные породы и граувакки, без известняков и кварцевых аренитов [кварцевых песчаников].

Несмотря на озадаченность, разные геологи изо всех сил пытались объяснить эти примечательные отложения. В 1930 г. Эдвард Баттерсби Бейли предположил, что причина их специфики – в периодических землетрясениях, нарушающих отложения, которые затем медленно оседают. Другие специалисты выдвигали еще более оригинальные версии. Большинство просто довольствовалось подробным описанием феномена, но воздерживалось от гипотез, касающихся его первопричин. Одно было понятно в отношении архейских песчаников: все они незрелые граувакки, явно недавно выветрившиеся с поверхности Земли – без какой-либо сортировки, перевеивания или рециклинга, чем объяснялось отсутствие чистого кварцевого песчаника. Очевидно, это были отложения, образовавшиеся путем осаждения сначала более крупных, а затем более мелких зерен под действием силы тяжести; но как именно это происходило и почему процесс ритмично повторялся, до последнего времени оставалось загадкой.

Фрагмент головоломки № 3: Турбидитные потоки

Важные открытия были сделаны между тем в совершенно другой области. В 1936 г. закончилось строительство плотины Гувера, и когда позже расположенное перед нею водохранилище Мид стало заполняться, инженеры с удивлением обнаружили, что не весь песок, попадающий из реки Колорадо в верхнюю часть водохранилища, остается там же. Когда они взяли образцы из реки гораздо ниже устья, то обнаружили мощные песчаные пласты, которые двигались по дну водохранилища под стоячей водой, иногда без помощи течения преодолевая сотни километров. Инженеры измерили параметры этих потоков осадочных отложений, скользивших по дну водохранилища со скоростью до 30 см в секунду (около километра в час). Эти массы текучего песка оказались плотнее воды (1,05 грамма на кубический сантиметр, а не 1,0 грамма на кубический сантиметр, как у чистой воды) и формировали песчаные пласты толщиной до 2 м. Канадский геолог Реджинальд Дейли предположил, что обнаруженные на дне водохранилища Мид песчаные гравитационные потоки (сейчас их называют турбидитными[62], или мутьевыми, потоками) могут также объяснить сортированную слоистость, наблюдаемую в других местах. Однако не было никаких экспериментальных данных, подтверждающих эту идею.

Геологам требовались моделирование и эксперименты, которые могли бы верно показать, как ведут себя такие образования. Этот пробел заполнил изобретательный голландский геолог Филипп Кюнен из Гронингенского университета. Перед Второй мировой войной он участвовал в океанографических работах, которые исследовательское судно Snellius вело в Голландской Ост-Индии в 1929–1930 гг. Тогда на дне континентального шельфа были обнаружены огромные подводные каньоны, и в 1937 г. Кюнен опубликовал об этом статью. В ходе рейса драгированием удалось достать пески из глубин океана и