Читая каменную летопись Земли... - Александр Конюхов

Самым интригующим, однако, является другое: архейские эвапориты представлены сульфатами, в структуре которых участвует кислород. Откуда же он брался в условиях бескислородной среды? Ведь по современным воззрениям и воздух и вода были лишены свободного кислорода. Для формирования седиментационных карбонатов, ассоциированных с сульфатами, также был необходим молекулярный кислород. Не исключено, что часть карбонатных осадков возникла в результате разрушения строматолитовых построек. Однако эвапориты — это хемогенные образования, выпадающие из воды, пересыщенной по отношению к той или иной соли, в данном случае к карбонату кальция. В современных лагунах и соляных «ваннах» на побережье Красного моря и Персидского залива в засушливые сезоны первыми выпадают на дно кристаллы арагонита и гипса. То же самое, видимо, происходило и в раннем архее. Следовательно, состав морской воды уже тогда был весьма близок к современному. Главное же заключается в том, что в воде, остававшейся в архейских соляных «ваннах», находился растворенный кислород, а значит, он, скорее всего, присутствовал и в атмосфере.

Был ли этот кислород биогенным, т. е. появился ли он за счет разложения углекислого газа фотосинтезирующими организмами, или возник под действием ультрафиолетового излучения в результате диссоциации в верхних слоях атмосферы паров воды на водород и кислород? Точного ответа на этот вопрос пока нет. Вероятно, имело место и то и другое. Надо учитывать, что протяженность береговой линии вокруг небольших по площади архейских континентов была невелика. К тому же, если подразумевать высокую активность тектоносферы на ранних этапах ее развития, должен был преобладать скалистый тип берегов. А с ним, как известно, связаны лишь небольшие лагуны и отдельные заливы, но не обширные приливно-отливные равнины. Таким образом, строматолитовые постройки не могли иметь глобальное распространение, а значит, деятельность фотосинтезирующих микроорганизмов в раннем архее не могла серьезно влиять на состав атмосферы. Да и само существование строматолитов, большая часть которых выступает из воды во время отлива, было бы вряд ли возможно при отсутствии хотя бы призрачного озонового экрана. Без него ультрафиолетовое солнечное излучение неминуемо уничтожило бы микроорганизмы. Озон же в верхних слоях атмосферы возникает за счет кислорода, появляющегося вследствие распада водных паров.

Все сказанное свидетельствует о том, что уже в раннеархейской атмосфере и в верхних слоях водной толщи океана мог быть свободный кислород, хотя наверняка неповсеместно и в довольно ограниченном количестве. Считается, что так называемая точка Пастера, когда содержание свободного кислорода в воздухе составило 1 % от нынешнего, была достигнута лишь 1,6–1,4 млрд лет назад [Kershaw, 1990], т. е. спустя более 2 млрд лет после появления первых строматолитовых построек. Если это так, то накопление свободного кислорода в атмосфере происходило в архее и в раннем протерозое чрезвычайно медленно. Впрочем, последнее может показаться вполне объяснимым, если учесть, что он расходовался не только на образование карбонатов и сульфатов, но и на окисление огромного количества металлов, железа и марганца прежде всего, находившихся преимущественно в закисной форме. Считается, что первичная земная кора была обогащена железом и марганцем.

Загадочным остается, однако, то обстоятельство, что при незначительной концентрации кислорода в атмосфере и подразумеваемом высоком содержании углекислого газа парниковый эффект над планетой оказался весьма неустойчивым. Дело в том, что уже в раннем протерозое на Земле произошло широкомасштабное оледенение, следы которого фиксируются в слоях с возрастом 2,3 млрд лет назад. Чем же было вызвано это, называемое гуронским, оледенение? Резким ли снижением содержания углекислого газа в раннепротерозойской атмосфере или другими причинами, способными вызвать похолодание? Так, за столкновением с крупным небесным телом или поясом астероидов могло последовать явление, близкое к эффекту «ядерной зимы». Тот же результат возможен при длительной активизации вулканических процессов с выбросом в верхние слои атмосферы огромных масс пепла и других продуктов. Сейчас мы этого не знаем.

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.

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.