Читая каменную летопись Земли...

Конюхов Александр Иванович

Надо сказать, что отложения гуронского комплекса на Канадском щите, включающие типичные ледниковые образования (так называемые диамиктиты), не содержат никаких «экзотических» продуктов, хотя в разрезе нижних толщ комплекса описаны горизонты и пачки вулканогенных отложений. В целом гуронский комплекс сложен преимущественно песчаниками и конгломератами аллювиального и дельтового происхождения, а также диамиктитами.

Рис. 7. Докембрийские формы прокариотов и эукариотов [Buick, Dunlop, 1990] 1 — древнейшие биогенные остатки — сфероиды в породах толщи Уоррауом, Австралия; 2 — строматолиты различных форм и размеров; 3 — нитевидные формы и сфероиды цианобактерий из кремнистых отложений Ганфлинт в Канаде; 4 — реконструкция способа деления клеток водоросли Glenobotrydion (эукариота) из отложений Биттер-Спрингс в Австралии; 5 — мягкотелые животные позднего докембрия, реконструированные по отпечаткам в отложениях с возрастом 700 млн

лет из Австралии и Англии

Скорее всего, похолодание, повлекшее за собой оледенение, было вызвано теми же причинами, что и более поздние оледенения. Среди них едва ли не главным могло быть понижение концентрации диоксида углерода в воздухе на рубеже архея и протерозоя, что привело к уничтожению существовавшего парникового эффекта. Одной из причин этого, вероятно, была жизнедеятельность примитивных фотосинтезирующих организмов — прокариотов (в их клетках отсутствовало ядро), в буквальном смысле «съевших» избыточный углекислый газ и выделивших значительное количество кислорода (рис. 7). Их распространению способствовало значительное увеличение площади континентов 3–2 млрд лет назад и соответственно площади прибрежного мелководья, где обитали фотосинтезирующие микроорганизмы. Таким образом, чтобы свести на нет парниковый эффект и существенно понизить среднюю температуру на поверхности Земли, первым фотосинтезирующим организмам потребовалось 1,5 млрд лет. Хотя самые значительные следы гуронского оледенения обнаружены в Северной Америке, в районе Канадского щита, оно затронуло и ряд других континентов, существовавших в протерозое. Длительность этого эпизода в истории Земли еще не определена.

Муссоны обрушиваются на сушу

Завершение гуронского оледенения совпало с началом нового длительного этапа развития в геологической истории Земли, ознаменовавшегося широчайшим распространением совершенно уникальных осадочных образований, по существу не имеющих аналогов в современной седиментационной палитре. Речь идет о джеспиллитах, или band-iron formation (сокращенно BIF), которые представляют собой чередование слойков, в высокой степени обогащенных железом, со слойками, сложенными кремнеземом. Незначительная толщина слойков, до нескольких миллиметров, позволяет предположить, что в них, как и в плейстоценовых ленточных глинах, называемых варвами, отразилась сезонная изменчивость климата. В плейстоцене и голоцене с периодом паводков было связано поступление в бассейн седиментации терригенного глинистого материала. В жаркое, засушливое время происходили активизация биоты и отложение на дне вещества, обогащенного органическими остатками. В раннем протерозое живые организмы еще не расселились широко в фотическом слое морских и океанских водоемов, поэтому они не могли непосредственно определять в тот или иной сезон седиментационные процессы. Их влияние проявилось через способность многих докембрийских микроорганизмов к фотосинтезу. Дело в том, что снижение содержания углекислого газа в атмосфере докембрия сопровождалось накоплением в ней кислорода. Последний легко вступает в реакцию с закисным железом, переводя его в оксидное состояние: FeO —> Fe₂.

Так как первичная земная кора была изначально в сильной степени обогащена железом и марганцем, аккумуляция кислорода в воздухе привела к окислению этих металлов. Это нашло отражение в появлении красноцветных осадков, так как присутствие железа в оксидной или оксигидратной форме придает ему красный или бурый цвет. Следует отметить, что образование первых BIF произошло еще в позднем архее. Самые древние из них имеют возраст 3,8 млрд лет. Однако массовый характер это явление приобрело в раннем протерозое, в интервале с 2,3 до 1,7 млрд лет назад.

Резонно спросить: какое отношение ко всему этому имеют сезонные изменения климата? Посмотрим на современную латеритную кору выветривания, типичную для низких широт с гумидным тропическим климатом. В сезоны дождей, связанные обычно с приходом муссона, огромные массы воды обрушиваются на сушу. При этом наблюдается не только разрушение коренного субстрата и почв водными потоками, т. е. физическое выветривание суши. Гораздо более эффективным фактором эрозии в этих условиях является гидролиз — химическое взаимодействие воды с минералами горных пород. Сначала оно ведет к их выщелачиванию, т. е. к выносу щелочных и щелочноземельных элементов (натрий, калий, кальций, магний) из структуры, а затем к частичному или полному ее разложению с образованием либо новых минералов, главным образом глинистых, либо оксидов — Fe₂, AI₂O₃, SiO₂ и оксигидратов — Fe(OH)₃, Al(OH)₃. Более подвижные из этих соединений (Fe₂О₃, SiO₂ и др.) в виде взвеси и в коллоидной форме выносятся речными и паводковыми водами в конечный водоем стока. В то же время в латеритной коре выветривания, защищенной железистой кирасой, накапливаются малоподвижные оксиды и оксигидраты алюминия, дающие начало залежам бокситов. Происходит, таким образом, разделение (дифференциация) вещества. Оно, однако, не завершается процессами, протекающими в коре выветривания и на путях переноса вещества. В озерном или полуизолированном морском водоеме дифференциация продолжается. Вначале на дно садится вещество глинистой природы вместе с сорбированным железом. Когда же наступает сухой сезон и вследствие испарения части воды происходит концентрация растворенных в ней солей, возникают благоприятные условия для хемогенной седиментации. В замкнутых и полузамкнутых обстановках начинается новообразование минералов, обогащенных кремнеземом. Обычно образуются слоистые (смектиты или корренситы) или псевдослоистые силикаты с дефицитом алюминия в структуре (палыгорскит, сепиолит), иногда цеолиты.

Можно думать, что нечто подобное имело место и в раннем протерозое, когда сложилась устойчивая система атмосферной циркуляции, во многом схожая с той, что господствовала позднее, в некоторые периоды фанерозоя. В зонах с муссонным климатом на суше резко активизировались процессы гидролиза и в водоемы в огромных количествах стали поступать продукты химического выветривания. При этом глинистые и железистые субстанции отлагались на дне преимущественно во влажные сезоны, тогда как в засушливые сезоны начинался аутигенез различных силикатов. Впоследствии при погружении в недра эти слои подвергались окремнению. В докембрии полноценные латеритные профили вряд ли были возможны, так как они развиваются в настоящее время под пологом тропического леса. Среди продуктов химического выветривания преобладали поэтому простые формы — оксиды и оксигидраты железа. Можно думать, что воды морей и океанов, до того грязно-серые в районах частых вулканических извержений и голубые над центральными абиссальными котловинами, окрасились в раннем протерозое в бурый цвет. В отсутствие организмов-фильтраторов коллоидные формы железа осаждались на дно с большим трудом, в основном там, где происходило слипание взвеси. Наиболее благоприятные условия для образования джеспиллитов, вероятно, существовали в полузамкнутых и изолированных водоемах, где в сухие сезоны в воде происходило концентрирование солей.

Гидролиз коренных пород на суше протекал в раннем протерозое в окислительной среде, вызванной присутствием ионов кислорода. Кислород, поступавший вместе с атмосферными осадками, расходовался на окислительные процессы. Поэтому его уровень в атмосфере долгое время не повышался, а может быть, даже и снизился, несмотря на продолжавшуюся жизнедеятельность фотосинтезирующих микроорганизмов. Между тем вместе с выбросами вулканических продуктов и вследствие продолжавшейся дегазации мантии Земли в атмосферу поступали все новые порции углекислоты. Ее накопление на фоне невысокого содержания кислорода через определенное время привело к реставрации парникового эффекта. Средняя температура на поверхности Земли стала повышаться, полярные льды растаяли, что сопровождалось повышением уровня протерозойского океана. Его воды затопили прибрежные низменности, превратив огромные пространства в периферийных областях континентов в мелководные эпиконтинентальные моря, отделенные от суши цепью обширных лагун и приливно-отливных равнин и системами береговых баров. Сначала на этих равнинах, вероятно, накапливались железисто-кремнистые слоистые отложения (BIF), с которыми связаны месторождения железных руд.

Со временем, однако, положение изменилось. Обширные районы суши были затоплены или пенепленизированы в результате длительной эрозии, т. е. превратились в низменные равнины. Вынос железа и кремнезема резко сократился. Лагуны и приливно-отливные равнины стали расселяться известьвыделяющими организмами. К этому времени (1,6–1,5 млрд лет назад) в органическом мире произошли заметные изменения: появились одноклеточные микроорганизмы более высокого уровня развития. Они обладали ядром, что значительно повысило их способность к делению. Эти новые организмы — эукариоты вскоре вытеснили своих более примитивных предшественников. Самой процветающей группой стали цианобактерии. Колонии цианобактерий в виде водорослевых подушек и строматолитовых построек распространились на обширных пространствах мелководных морей и прибрежной зоны шельфа. Они поглощали из воды и воздуха все больше углекислого газа, переводя его, с одной стороны, в органическое вещество, а с другой — в карбонатные минералы. Со временем отдельные строматолитовые постройки, слившись вместе, образовали мощные карбонатные платформы. Их реликты до сих пор сохранились в краевых частях древних платформ, например на востоке Русской плиты и в горах Урала. В отдельных регионах накапливались и так называемые черные сланцы — отложения, обогащенные органическим веществом. Своим происхождением они обязаны жизнедеятельности других групп низших растений, в том числе бурых водорослей, также появившихся в протерозое. Как и цианобактерии, они мало изменились с тех пор.

Постепенно резервуар углекислого газа в гидро- и атмосфере сокращался. Его потери уже не восполнялись за счет дегазации земной коры и мантии. Зато высвобождавшийся при фотосинтезе кислород накапливался сначала в атмосфере, а затем и в толще морей и океанов, благодаря течениям опускаясь до самого дна. Бескислородные обстановки в глубинах океана стали встречаться реже. Все это создавало предпосылки для распространения жизни от берегов в центральные районы океанов. Микроорганизмы постепенно заселили его верхний, фотический слой.

В позднем протерозое появились и многоклеточные организмы, в первую очередь — водоросли, а уж потом животные, правда, без прочного защитного покрова, так как строить его из минерального вещества они еще не умели. Хитин также не был изобретен. Поэтому о примитивных формах животных можно судить лишь по отпечаткам, кое-где сохранившимся в породах докембрия.

Однако органический мир развивался быстро, в результате равновесие на земной поверхности оказалось нарушенным. Парниковый эффект, поддерживавший высокие среднегодовые температуры, исчез. Началось постепенное похолодание, завершившееся в конце концов широкомасштабным оледенением. Следы этого оледенения сохранились на многих континентах в слоях с возрастом 800–600 млн лет. Мельчайшие живые организмы во второй раз качнули климатический маятник в сторону глобального похолодания. Впрочем, повинны в этом не только организмы. Оледенение, вероятно, было вызвано и тектоническими факторами, в частности слиянием небольших континентальных глыб в крупные мегаблоки, внутренние районы которых в зимние сезоны, особенно в высоких широтах, сильнее выстуживались.