К ИСТОКУ

открыть спойлер

Для сухопутных районов самыми важными факторами являются высота над уровнем моря и климат. Геологов, впрочем, высота не очень интересует: ведь все возвышенности подвергаются эрозии и постепенно исчезают с лица Земли.

Поэтому в геологической летописи, как правило, сохраняются только указания об условиях, существовавших в низменностях. Во влажном климате развиваются марши, болота, крупные и мелкие озера.

Такой ландшафт называется озерным.

Его противоположность - равнинная пустыня. Геологи отличают древнее дно моря от озерного ландшафта по ископаемым остаткам.

Чаще всего определенные группы растений и животных тесно связаны с морскими или озерными условиями существования. Но когда речь идет о серии пород, не содержащей ископаемых остатков, обычно не удается определить, отлагалась она в море или в пресноводном бассейне.

И тут не помогают все наши знания, накопленные при изучении осадочных пород. Не существует безошибочных седиментологических критериев, позволяющих отличать морские осадки от пресноводных.

Но для выявления материковых ландшафтов такой критерий есть: это ископаемые почвы, или палеопочвы (конечно, в тех случаях, когда их удается найти). Наиболее известные палеопочвы - это так называемые горизонты стигмариев, или подстилающие глины, они же - породы, подстилающие угольные пласты.

Их находят под пластами угля в материковых угленосных сериях. В этих горизонтах встречаются так называемые стигмарии, корни древовидных растений, живших в болоте.

Кроме того, породы эти имеют однородное строение, т. е. они утратили свою первичную стратификацию. Но при изучении условий среды, в которой отлагались осадки докембрия, эти образования не могут нам помочь.

Ведь в докембрии еще не было растений с корнями. Неприменим тут и второй критерий - однородность палеопочв, так как она образовалась в результате деятельности роющей почвенной фауны, уничтожающей первичную стратификацию , а такой фауны в раннем и среднем докембрии тоже не было.

Для иллюстрации затруднений, связанных с проблемой распознавания морского или озерного происхождения осадочных пород, расскажем о работе по палеобиологии сланцев Нансач, проделанной Баргхоорном и сотр.

Они сделали вывод, что эти сланцы отлагались в мелководном бассейне, в районе речной дельты, вблизи морской береговой линии. Но им не удалось определить, по какую сторону береговой линии шла седиментация, т. е. происходила ли она в пресной воде или в морской.

Причина неудачи - а ведь вопрос этот для палеобиологии имеет первостепенную важность! -отсутствие надежных критериев.

Кроме стигмариев мы располагаем и другими критериями для распознавания палеопочв. Они связаны с выщелачиванием или накоплением некоторых элементов во время почвообразования.

Эти явления хорошо знакомы почвоведам, занимающимся современными почвами, но приложение данных почвоведения к палеопочвам пока только начинается. Мне кажется, что вопрос этот очень интересен.

Мы находимся сейчас в отношении геохимии докембрийских осадочных пород в досадном положении полных невежд. Например, до сих пор невозможно узнать, в каком окружении возникли массивные отложения водорослевых известняков докембрия - в морском или в пресноводном.

А может быть, здесь два типа отложений?

открыть спойлер

Видимо, лучшими индикаторами состава атмосферы являются элементы, имеющие несколько окислов с разной степенью окисленности элемента.

Мы уже показали, что полосчатые железорудные формации раннего и среднего докембрия содержат железо главным образом в его наименее окисленной форме - в виде минерала магнетита, а железорудные формации позднего докембрия и фанерозоя содержат полностью окисленную форму железа - минерал гематит.

Другая группа железосодержащих осадочных пород, в которых однако, содержание железа ниже, чем в обычных железорудных формациях, это красноцветные толщи.

Они распространены не менее широко, чем железорудные формации, и представляют собой тонкозернистые кварцевые осадочные породы типа илистых наносов, т. е. зерна их имеют промежуточный размер между размерами зерен обычных песков и обычных глин.

Более того, в сериях крас-ноцветных толщ обычно встречаются тонкие прослои глин, а также более грубозернистые пласты песчаников и конгломератов (или только последних).

Красноцветные толщи имеют материковое происхождение. Цвет их варьирует от ярко-красного до красновато-бурого.

Такой окраской они обязаны железу, содержащемуся в них, впрочем в небольшом количестве. Железо включено в эти породы в виде мелких чешуек или адсорбировано на зернах кварца.

Оно находится в трехвалентном, т. е. в полностью окисленном, состоянии, обычно в форме гематита (Fe203). Образование красноцветных толщ - довольно сложный и еще не до конца понятый процесс.

Гематит стабилен в сухом климате с относительной влажностью менее 60%. В более влажных районах устойчивым является сероватый минерал гётит, FeO (ОН) .

Исходя из этого полагали, что красноцветные породы сформировались в пустынях и, таким образом, должны свидетельствовать о пустынном климате данной местности в то далекое время.

Но затем выяснилось, что в современных пустынях подобные образования встречаются очень редко.

На том основании, что в составе древних красноцветных толщ встречаются глинистые минералы, сейчас предполагают, что эти породы формировались в два этапа.

Считается, что их материал образовался на плоскогорьях, в климатических условиях саванн, но окончательное отложение его произошло в близлежащих бассейнах с пустынным климатом.

Перенос крупных обломков мог осуществляться временно пересыхающими реками, мелких зерен -ветром или теми же реками. Впрочем, существует гипотеза, согласно которой большая часть гематита образовалась лишь после отложения, в ходе раннего диагенеза осадков.

Мы не будем подробнее вдаваться в проблему происхождения красноцветных толщ - она хорошо освещена в литературе .

Но необходимо запомнить, что эта группа осадочных пород обладает некоторыми особыми признаками, одинаковыми для таких пород, залегающих в различных районах земного шара в разных пластах фанерозоя, а также в верхнем докембрии.

Это обломочные осадочные породы, сформировавшиеся тем или иным образом в условиях сухого климата и содержащие железо в его наиболее окисленной форме.

открыть спойлер

Таким образом, эти древние отложения содержат зерна очень разного минерального состава - кварц, пирит, урановая смолка - а значит, и разной удельной массы.

Физические процессы сортировки отдельных зерен при отложении этих пород происходили гораздо активнее, чем при образовании позднейших отложений пескаи гравия, состоящих почти исключительно ид зерен кварца.

Б древних отложениях одного горизонта более легкие кварцевые зерна всегда гораздо крупнее тяжелых зерен пирита, а зерна самого тяжелого минерала - урановой смолки - самые мелкие.

По своему залеганию эти древние пески и гравии очень похожи на отложения более молодых осадочных бассейнов. В качестве примера рассмотрим бассейн Витватерсранд в Южной Африке .

Это блюдцеобразная впадина размером примерно 300 на 100 км, расположенная на гораздо более древнем основании. В центре бассейна в результате позднейшего поднятия и эрозии породы основания обнажились (купол Вредефорт).

Максимальная мощность осадочной серии Витватерсранд составляет около 8 км, но это не означает, что здесь когда-то был постепенно заполнявшийся отложениями бассейн глубиной 8 км.

Отложения эти материковые или прибрежные (или только прибрежные) ; возможно, они сформировались в дельтах и аналогичных образованиях, существовавших на протяжении всего времени образования системы Витватерсранд.

Мы можем представить себе медленно опускающийся бассейн, в котором осадконакопление преобладало над опусканием. Поверхность суши всегда оставалась вблизи уровня моря, независимо от того, насколько низко опускалось основание.

Лишь много времени спустя после того, как осадконакопление прекратилось, дальнейшее опускание коры создало знакомый нам блюдцеобразный "бассейн", в котором серия Витватерсранд почти на всем своем протяжении перекрыта молодыми породами.

В процессе отложения этой серии кластических осадков вследствие изменений в скорости опускания корЕЛ и скорости седиментации возникла так называемая ритмичность осадочных пород (фиг.72 и 73), вполне сходная с ритмичностью, обнаруженной в более молодых осадочных бассейнах.

Итак, по способу отложения, переработки и переотложения эти древние гравий и пески поразительно похожи на более новые.

Различие только одно, но оно крайне важно: все более молодые пески и гравии состоят главным образом или даже исключительно из кварца, тогда как в этих древних осадочных породах содержатся в больших количествах другие минералы - сульфиды и уранинит, которые в условиях современной атмосферы нестабильны.

Сравнить строение древних и современных песков можно по фото 30 и. Первый снимок - шлиф древнего песчаника системы Витватерсранд, возраст более 2 млрд. лет.

Второй снимок - современный магнетитовый песчаник с побережья к северу от Буэнос-Айреса. Древний песчаник состоит главным образом из пирита, современный - из магнетита; оба минерала имеют сходные удельные массы.

Сходство структуры, как мы видим, совершенно очевидно. На фото 32 также показан древний песчаник из системы Вит-ватерсранд.

Он состоит в основном из кварца и пирита. Здесь мы тоже замечаем множество зерен сульфида.

Пирит наряду с кварцем - важнейший компонент этого песчаника. В верхней части снимка виден переотложенный крупный обломок более древнего песчаника, состоящий почти целиком из пирита.

Кроме того, можно различить округлые границы сцементированных зерен пирита, образующих более древний пиритовый песчаник. Такое вовлечение в новый круговорот старых осадочных пород не является исключением.

Об этом свидетельствуют, в частности, подробные седиментологические исследования рифов Кимберли на месторождении золота Ист-Рэнд, проведенные Армстронгом .

Он сделал даже вывод, что основная часть породы верхнекимберлийских рифов 9А - продукт эрозии более древних верхнекимберлийскнх рифов 9В, а те в свою очередь могли произойти из различных пластов среднекемберлийской серии.

На фото 33 виден осадочный ритм, во всех отношениях сравнимый с ритмичностью в отложениях более молодых песков и гра-виев. Порода, состоящая почти целиком из зерен кварца, покрыта тонким слоем из зерен пирита и урановой смолки; затем опять следует почти чистый кварцевый песок.

Границы кварцевых зерен не видны на фотографии, воспроизведенной типографским способом, но на оригинальной микрофотографии они выступают явственно и хорошо видно, что зерна кварца не менее чем в 2 раза превосходят по размеру зерна пирита.

Зерна урановой смолки мельче остальных и, кроме того, лучше других минералов отсортированы по размеру.

Зерна уранинита, как видно при большем увеличении, тоже имеют округлую форму, что характерно для кластических зерен, переносившихся с потоками воды и утративших при этом угловатость, присущую исходным кристаллам.

Большинство геологов согласны с выводом Рамдора , что эти отложения возникли в условиях первичной бескислородной атмосферы, когда не могло идти химическое выветривание сульфидов, уранинита и других подобных минералов, неустойчивых в кислородной атмосфере.

Однако не все геологи принимают этот вывод. Наиболее резкой критике подверг предположения Рамдора покойный проф. Дэвидсон.

Но он сам выразительно и кратко изложил аргументы в пользу гипотезы Рамдора: "Я могу лишь сказать, что мы не знаем геологического образования, из которого могли бы произойти россыпи золота, уранинита и пирита без примеси других тяжелых минералов.

Если бы кто-нибудь мог предположить, каким образом сингенетически возникли такие отложения в Доминион-Риф, па юго-востоке Финляндии, в Блайнд-Ривер и т. д., - если бы кто-нибудь мог предположить" из какого геологического образования могли сформироваться сингенетически такие ассоциации, то мы бы сделали большой шаг вперед"

Но ведь именно это и сделал Рамдор, предположив, что такие золото-урановые место-рождения возникли путем осадкообразования в условиях бескислородной атмосферы.

Этим еще раз подчеркивается фундаментальность различия между примитивной и современной атмосферами, различия, о котором я уже много раз говорил и о котором не раз напомню еще.

Эти две атмосферы различны как день и ночь. Все мы, привыкшие к современной кислородной атмосфере, лишь с трудом представляем себе те химические, физические и биологические процессы,, которые происходили в условиях первичной бескислородной атмосферы.

Вопрос о том, имеют ли руды системы Витватерсранд древнее осадочное происхождение или уран и золото были принесены в эти пласты позже эндогенными растворами, очень важен для дальнейшей разработки руд.

Поэтому для его решения привлечены и более тонкие методы, с помощью которых были получены данные, свидетельствующие в пользу первичной осадочной природы этих минералов.

Для примера расскажу о двух подходах к проблеме. Изучалось отношение стабильных изотопов серы.

В изверженных породах и в залежах серы, образовавшихся из гипогепных растворов, отношение стабильных изотопов серы довольно однообразно для каждой массы породы.

Видимо, это объясняется неким процессом фракционирования, шедшим в магме. В осадочных же породах отношение изотопов серы варьирует гораздо сильнее, так как сера, содержащаяся в них, принесена из самых разных источников.

Оказалось, что пириты системы Витватерсранд по изотопному составу своей серы попадают в разряд осадочных пород. Разброс значений слишком велик для изверженной породы.

Проводилась, кроме того, оценка возраста отдельных зерен уранинита путем определения количества в них уранинита и свинцового блеска визуальным путем (фото 34) и методом электронного микрозонда.

Оказалось, что "возраст" разных зерен сильно различается, чего и следовало ожидать в осадочной породе, представ-ляющей собой смесь зерен изверженных пород разного возраста.

Более того, возраст отдельных зерен уранинита, как правило, выше возраста системы Витватерсранд, значит, возможность их образования из более молодых гипогенных растворов исключена.

Итак, хотя здесь невозможно слишком глубоко вдаваться в эту проблему, я думаю, можно считать доказанным, что ппритно-уранинитные отложения раннего и среднего докембрия являются осадочными породами, сформировавшимися в бескислородной атмосфере.


Автор статей: М. Руттен

открыть спойлер

Хотя в такой среде еще есть "свет", им можно пренебречь и называть среду темной. Как мы увидим в гл. XV, именно такой подход применяется при изучении атмосферной экстинкции (поглощения) солнечного излучения.

Трудно определить, каково было содержание свободного кислорода в бескислородной атмосфере. К этому вопросу мы вернемся в гл. XV и XVI, где дается определение бескислородной атмосфе-ры как такой атмосферы, в которой содержание кислорода не превышало 1 % современного уровня.

Пуристы предпочли бы термин "малокислородная" , но я думаю, что это ненужное усложнение.

Таким образом, даже в самой древней атмосфере всегда имелось какое-то количество свободного кислорода.

Зная это, мы можем теперь понять различие в истории пиритовых песков и железорудных формаций. Вспомним описанный в гл. X цикл горообразования.

Пиритовые пески отлагались во время посторогенных пе-риодов, а железорудные формации возникали в геосинклинальные периоды следующих друг за другом циклов горообразования в раннем и среднем докембрии.

В посторогенном периоде вертикальные перемещения коры, устраняющие неравновесие, возникшее при горообразовании, проявляются довольно сильно; сравнительно быстро идут эрозия, перенос и осадконакопление.

Образуются главным образом грубозернистые осадки - пески и гравий. В геосинклинальный период движения коры, особенно вне геосинклинальных поясов, незначительны.

Выветривание, эрозия, перенос и осадкообразование замедляются, и образуются тонкозернистые осадочные породы, такие, как сланцы и хемогенные отложения. Выше уже говорилось о том, что выветривание минералов и пород в бескислородной атмосфере шло совершенно иначе, чем в кислородной.

В последнем случае преобладает химическое выветривание, а в первом - физическое. Хороший пример физического выветривания - процессы, приведшие к образованию пиритовых песков раннего и среднего докембрия.

Но преобладание определенного типа выветривания не абсолютно: в необычных условиях это правило может нарушаться.

Мы уже говорили о том, что в суровых климатических условиях Арктики или в жарких пустынях, где слишком холодно или слишком мало влаги для активного течения химических реакций, физическое выветривание и сейчас преобладает над химическим.

Обратная ситуация могла складываться в бескислородной атмосфере в те периоды, когда движения коры были столь незначительными, что материки стачивались эрозией до уровня моря и эрозия прекращалась.

Тогда химическое выветривание начинало преобладать над физическим даже в бескислородной атмосфере.

Химическое выветривание сводилось главным образом к выщелачиванию, причем оставшийся нерастворимый остаток не подвергался переносу из-за выровненности ландшафта, которая отнюдь не благоприятствует стоку.

Растворимые вещества в отличие от зерен породы все же переносятся водой и в этих условиях. Поэтому химическое осаждение преобладает над физическим.

Следовательно, в геосинклинальный период каждого орогенического цикла, когда материки сглаживались до уровня моря, цикл выветривание - перенос - осадкообразование сильно замедлялся по сравнению с посторогенными периодами и, кроме того, материал дольше и теснее контактировал с атмосферой.

Поскольку атмосфера никогда не была совершенно лишена свободного кислорода, в такие периоды неполностью окисленные окислы могли возникать и в условиях "бескислородной" атмосферы.

Одновременно в результате действия не совсем еще понятных химических механизмов осаждались железосодержащие силикаты вместо карбонатов, формирующихся в условиях кислородной атмосферы.

Таким образом, результат процессов выветривания, эрозии, переноса и отложения зависит не только от процентного содержания свободного кислорода в атмосфере, но и от скорости и интенсивности самих этих процессов.

Если их скорость нормальна, то в условиях кислородной атмосферы образуются полностью окисленные вещества, а в условиях бескислородной - неокисленные. Если скорость этих процессов велика, то даже в условиях кислородной атмосферы могут отлагаться неокисленные вещества.

Если же, напротив, эти процессы идут медленно, то вовлеченные в них вещества могут успеть окислиться даже в условиях бескислородной атмосферы.

Итак, природа осадочных пород, формирующихся в условиях той или иной атмосферы, зависит от баланса между скоростью окисления при данном уровне содержания свободного кис-лорода в атмосфере и скоростью экзогенных процессов, в результате которых образуются эти породы.

Сейчас мы не можем представить себе, как выглядел этот баланс в разные периоды геологической истории.

Во-первых, нам неизвестна абсолютная скорость экзогенных процессов в постороген-ный или в геосинклинальный период. Очевидно, скорость эта варьировала, но данных для ее оценки нет.

Во-вторых, мы не имеем представления и о скорости окисления при разном содержании кислорода в атмосфере. Заметим, кстати, что геохимики интересуются почти исключительно конечным равновесием, достигнутым в реакциях минеральных веществ, но не кинетикой этих реакций.

Поэтому обычные выводы геохимии неприложимы к нашей проблеме: нас интересует баланс между скоростями нескольких не зависящих друг от друга процессов. К этому вопросу мы вернемся в следующей главе, но уже сейчас можно сделать некоторые выводы.

Окислительный потенциал свободного кислорода (но не скорость окисления) так высок, что если экстраполировать термодинамические уравнения на атмосферу, совершенно лишенную кислорода, то мы получим бессмысленный вывод, который сводится к следующему: будь в земной атмосфере хотя бы один атом кислорода, его существование было бы эфемерным.

Это видно и по диаграмме равновесия системы же-лезо - вода - кислород .

Анализ диаграммы показывает, что переход от современной атмосферы к атмосфере, содержащей в 100 раз меньше кислорода, ненамного изменяет положение вещей.

Но мы видели, что осадочные породы, сформировавшиеся в условиях первичной атмосферы, сильно отличаются от более поздних.

Следовательно, аргументы в пользу существования первичнойатмосферы должны основываться не на равновесиях реакций (равновесие, по-видимому, не может быть достигнуто в реакциях минералов со свободным кислородом), а на их кинетике.

открыть спойлер

Эти породы сложены древними песками и гравием и возникли в результате экзогенных процессов. Следовательно, их состав должен в какой-то мере отражать состав древней атмосферы.

В этих отложениях присутствуют зерна не только кварца, но и сульфидов, особенно пирита, а также урановой смолки.

Урановая смолка - сложный минерал непостоянного состава (от UO2 до U3O8). Первоначально он состоял из наименее окисленной формы урана - минерала уранинита (UO2), а затем окисление привело к образованию урановой смолки, смеси окислов урана.

Несмотря на различия в географическом и стратиграфическом положении, а также в возрасте, состав этих кварцево-пиритовых песков с небольшой примесью золота и урана так однообразен, что даже специалисты зачастую не могут сказать, из какого месторождения взят образец.

Конечно, минеральный состав меняется от пласта к пласту; обнаружена и горизонтальная изменчивость состава в пределах одного пласта.

Но все эти колебания состава не выходят за определенные весьма узкие пределы, и общий характер пород из разных мест и горизонтов остается однородным.

Однако еще важнее то, что эта картина резко отличается от того, что наблюдается для всех более молодых отложений гравия и песка, возникших в конце докембрия и позже, вплоть до наших дней.

открыть спойлер

Из этого Ранкама сделал вывод, что выветривание данного кварцевого диорита происходило в восстановительной атмосфере. Так было получено первое доказательство того, что в докембрии Земля действительно была окружена бескислородной атмосферой.

Это надо расценивать как крупный успех в исследовании возможности возникновения жизни естественным путем.

Работы Ранкамы дали бы нам и точное представление о том, когда именно существовала бескислородная атмосфера, если бы удалось определить возраст осадочных пород, окружающих кварцевый диорит.

К сожалению, попытка установить их возраст не увенчалась успехом.

Сначала он был оценен в 1800 млн. лет, но, как затем выяснилось, это возраст более позднего метаморфизма,, так что на самом деле эта порода должна быть гораздо древнее.

Более того, с тех пор как были опубликованы труды Ранкамы, некоторые геологи выразили сомнение в том, действительно ли эти метаморфические осадочные породы являются продуктом эрозии гранита. Тем самым ставятся под сомнение все выводы Ранкамы.

Однако основная идея автора остается верной, и ее применение позволило в дальнейшем получить гораздо более достоверные ре-зультаты. Мы обсудим их в следующих разделах.

открыть спойлер

Но нас сейчас интересует активное латеритное выветривание, выщелачивание верхних слоев . В ходе дальнейшей эрозии материков оно продвигается глубже и захватывает, наконец, лежащие ниже зоны цементации, имеющие, таким образом, временный характер.

Латеритное выветривание развивается в тропических и субтропических климатах, как правило там, где есть смена засушливого и дождливого сезонов.

Кроме дождевой воды, важным фактором выщелачивания является сейчас гуминовая кислота, продукт разложения растительных остатков. В результате такого выветривания образуются латеритные почвы.

Здесь важно вспомнить, что в железорудных формациях часто встречаются тонкие прослои графита .

Как мы узнаем из гл. XV и XVI, в раннем и среднем докембрии, в условиях бескислородной атмосферы, на суше не могла существовать никакая, даже самая примитивная раститель-ность, так как атмосфера не задерживала жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для всякой жизни.

С другой стороны, это же излучение, как нам уже известно, способствовало неорганическому синтезу "органических" молекул, а для выветривания безразлично, каким путем образовались органические кислоты - биогенным или абиогенным.

Присутствие графита в железорудных формациях свидетельствует о некотором сходстве между докембрийским выветриванием, происходившим на этих огромных плоских низменностях, и современным латеритным выветриванием.

Лепп и Голдич предложили следующее объяснение механизма отложения железорудных формаций.

В результате выветривания растворы, содержащие железо, кремний, кальций и натрий, переносились в море, а другие элементы, особенно алюминий и фосфор, оставались в районе выветривания в виде нерастворимого остатка.

В условиях бескислородной атмосферы кремний ижелезо должны были осаждаться примерно в одних и тех же районах, а кальций, магний и натрий выносились в открытое море . В условиях кислородной атмосферы совместно должны осаждаться железо и кальций, а кремний и натрий сносятся в море.

Но эта простая гипотеза не объясняет, однако, появления слоистости, чрезвычайно тонких чередующихся прослоек железосодержащих минералов и кремнистого сланца, столь типичных для многих докембрийских железорудных формаций.

Такая структура могла возникнуть в том случае, если отложение шло не в мелко-водных морях или лагунах, а в больших, сравнительно глубоких озерах . В таких изолированных водных массах существует сезонный цикл интенсивности перемешивания воды.

Видимо, слоистость, характерная для железорудных формаций, может быть связана с тем, что в разные сезоны осаждение шло по-разному, в зависимости от перемешивания.

Озера, в которых период перемешивания составляет 1 год, называются мономикстными, а те, в которых этот период равен полугоду, т. е. перемешивающиеся дважды в год,- димикстными.

Димикстные озера встречаются сейчас только в умеренной зоне и севернее, где сильно влияние смены сезонов и зимнего замерзания водоемов. Мономикстные озера находятся в субтропиках и в теплых районах умеренной зоны.

Для нашей проблемы в общем неважно, сколько раз в год складываются условия, благоприятныедля перемешивания, однако, поскольку во время образования докембрийских железорудных формаций в районах их образования, по-видимому, воздействие по-настоящему холодного климата можно исключить, нам больше подходит мономикстный тип.

В мономикстных озерах летом сильно выражена стратификация - разделение на верхний слой теплой и легкой воды (эпилим-нион) и нижний, холодный слой - гиполимнион.

Температура воды в гиполимнионе может составлять около 4 С - это температура, при которой пресная вода обладает максимальной плотностью.

Зимой поверхностная вода, охлаждаясь ниже 4 С, приобретает плотность, примерно равную плотности глубинной воды, и течения, возникающие под действием ветра и волн, перемешивают воды озера на всю его глубину.

Летом верхние слои воды хорошо аэрируются и насыщаются кислородом, а в глубинной, застойной воде весь кислород быстро расходуется на разложение опускающихся сверху органических (а в далекие геологические эпохи - "органических") веществ, и в этом слое царят восстановительные условия.

Зимой, когда стра-тификация исчезает, хорошо аэрируется вся водная масса.

Вспомним теперь, что при восстановительных условиях железо растворяется гораздо лучше, чем при окислительных. Растворимость железа определяется целым рядом факторов, но в восстановительных условиях она может увеличиться более чем в 100 ООО раз по сравнению с окислительными условиями .

Как только благодаря циркуляции глубинные слои воды начнут насыщаться кислородом, железо выпадет в осадок. Эта реакция начинается уже при невысокой концентрации кислорода.

Выделяющийся нерастворимый осадок железа сравнительно тяжел. Он слабо вовлекается в циркуляцию озерной воды и довольно быстро опускается на дно.

Глубинный слой воды пресноводного озера - гиполимнион - будет, таким образом, служить как бы ловушкой для всего растворенного железа, приносимого в озеро. И что очень важно - отложение железа будет идти не постоянно в течение всего года, а будет иметь сезонный характер.

Поведение кремния мало изучено, но вполне вероятно, что этот элемент будет отлагаться поочередно с железом. На основе этих идей была разработана несколько более сложная гипотеза, в детали которой мы не можем здесь вдаваться .

Нам важно, что для осаждения окисленного железа при перемешивании воды в глубоком озере достаточно уже очень небольшого количества кислорода.

Теперь понятно, каким образом в сходных атмосферных условиях могли возникать железорудные формации, в которых железо частично окислено, и пиритовые пески, в которых железо восстановлено.

Первые сформировались в результате химического цикла выветривание - перенос - осаждение, в котором преобладало выщелачивание исходных пород и химическое осаждение в осадочных бассейнах, а вторые - в условиях преобладания физических процессов: физического выветривания, быстрого переноса в осадочный бассейн и механического осадкообразования.

Наконец, вспомним, что докембрийские полосчатые железорудные формации отличаются от всех более новых. Это различие не только внешнее, оно связано и со способом образования.

Молодые железорудные формации никогда не бывают слоистыми; к ним всегда приурочены только морские формы ископаемых остатков. Следовательно, они сформировались не в озерах.

Стратификация воды, сезонный ритм перемешивания, от которого, по-видимому, зависело образование полосчатых железорудных формаций - все эти процессы характерны сейчас только для озер, но не для моря.

Еще один аспект генезиса полосчатых железорудных формаций - возможность участия биохимических реакций в образовании кремнистых сланцев.

Как мы узнаем из следующей главы,считается, что большая часть фанерозойских кремнистых сланцев возникла именно во время отложения данного пласта, а не позднее, в результате диагенеза, как думали раньше.

Теперь полагают, что кремнистые сланцы образовались на морском дне, непосредственно или в результате окремнения уже существовавших отложений.

Из предыдущей главы мы знаем, что в полосчатых железорудных формациях среднего, а может быть, и раннего докембрия встречаются органические остатки.

Более того, не раз отмечалось наличие в этих породах графита, иногда даже в макроскопических количествах. Это может свидетельствовать об участии биохимических процессов в отложении кремнистого сланца полосчатых железорудных формаций.

С другой стороны, мы уже не раз говорили, что преджизнь могла в период образования этих формаций сосуществовать с ранней жизнью. В таком случае трудно сказать, участвовали ли в образовании кремнистых сланцев органические или "органические" соединения (или же и те и другие вместе).

Иными словами, неясно, какие происходили при этом процессы - биохимические или чисто неорганические, и получить однозначный ответ на этот вопрос пока невозможно.



Автор статей: М. Руттен

открыть спойлер

Недвусмысленным биологическим индикатором уровня кислорода в атмосфере может служить лишь существование наземной флоры или фауны.

Из гл. XV мы узнаем, что наземные растения и животные, по-видимому, не могли жить в атмосфере с содержанием кислорода менее 0,1 его содержания в современной атмосфере, так как при меньшей концентрации кислорода убийственные ультрафиолетовые лучи беспрепятственно достигали поверхности Земли.

Однако, как мы увидим в гл. XVI, содержание кислорода в атмосфере достигло этого порога, по всей вероятности, только в силуре, так что биологический индикатор бесполезен для восстановления ранней истории жизни.

Данные о составе древней атмосферы можно получить, изучая породы, формировавшиеся в контакте с этой атмосферой. Пока такой способ позволяет нам получить лишь самый общий ответ, сообщая, была ди атмосфера в тот или иной период кислородной или нет.

Важнейшие из таких пород - осадки, образовавшиеся в процессах ъывегривания, переноса и отложения. Эти процессы, идущие на поверхности Земли, называются экзогенными в противоположность эндогенным процессам, протекающим внутри коры.

В этой главе речь пойдет о том, какие данные можно получить, изучая горные породы, относящиеся к интересующей нас эпохе. Но сначала кратко рассмотрим различия между эндогенными и экзогенными процессами, а также ознакомимся с процессом выветривания.

открыть спойлер

Большинство других минералов представляют собой силикаты, т. е. соединения Si, О и А1, в состав которых входят щелочноземельные металлы Са и Mg, щелочные металлы К и Na, основные металлы типа Fe, водород, галогены С1 и Вг, а также другие элементы.

Силикаты, в состав которых кроме алюминия и кремния входят только щелочные металлы и кальций, образуют светлоокрашенные минералы, например полевые шпаты.

В темноцветных минералах - биотите, авгите, роговой обманке и оливине - кроме алюминия и кремния содержатся магний, железо и другие металлы.

Именно из кварца вместе с полевыми шпатами и темноцветными минералами и сложена в основном земная кора.

Кроме того встречаются - главным образом в изверженных и метаморфических породах и в соответствующих рудных жилах - также рудные минералы. Они представляют собой сульфиды, например пирит (FeS2), и окислы металлов, например магнетит (FesOi).

Как правило, сульфиды образуются в низкотемпературных процессах, а окислы - при более высоких температурах. Возвращаясь к процессу выветривания, надо сказать, что породы, выходящие на земную поверхность, подвергаются двум видам воздействия - физическому и химическому.

В настоящее время редко можно встретить чисто физическое выветривание. Оно происходит в очень холодных или в очень жарких и сухих районах - арктической тундре и пустынях.

В арктических областях породы разрушает в основном морозное выветривание, а в пустынях - жара. В остальных же зонах Земли мы встречаем комбинированное, физико-химическое выветривание.

Чаще всего химическое выветривание преобладает над физическим. Нередко влияние последнего малозаметно; тогда обычно говорят просто о химическом выветривании, пренебрегая ролью физического.

открыть спойлер

Мы узнали, что геохимия железа, да и геохимия большинства породообразующих минералов изучалась до сих пор в основном с точки зрения равновесных реакций, а наиболее важный аспект - кинетика реакций - остается почти неизученным.

Степень окисленности железа, содержащегося в осадочных породах, зависит не только от количества кислорода в древней атмосфере, но и от соотношения между скоростью окисления, с одной стороны, и переноса и осадкообразования - с другой.

В гл. XV мы используем известную способность многих современных микроорганизмов переключать свой метаболизм с брожения на дыхание и попытаемся примерно определить верхний уровень содержания свобод-ного кислорода в первичной бескислородной атмосфере.

Что же касается датировки периода смены атмосфер, то мы видели, что и кварцево-пиритовые пески, и полосчатые железорудные формации встречаются в раннем и среднем, но не в позднем докембрии.

Таким образом, границу между средним и поздним докембрием - 1,8 млрд. лет - предварительно можно считать концом господства бескислородной атмосферы. Возраст песчаников Дала из центральной Швеции - 1,4 млрд. лет - принят сейчас за время появления кислородной атмосферы.

Значит, примерно 1,8- 1,4 млрд. лет назад произошел переход от первичной бескислородной к современной кислородной атмосфере. Теперь мы можем набросать в самых общих чертах историю атмосферного кислорода, а с пей и историю появления и раннего развития жизни.

Этим мы займемся в гл. XVI. Но до того нам придется обсудить некоторые проблемы геологии.

Они не имеют прямого отношения к нашему основному вопросу, но важны для лучшего попимания современной теории происхождения жизни.


Автор статей: М. Руттен

открыть спойлер

Такие методы датирования имеют значение в тех случаях, когда перед нами стоит задача соотнести период образования данной железорудной формации с другими породами этой части древнего щита или со всем древним щитом, чтобы облегчить поиски новых обнажений данной железной руды.

Их, видимо, нельзя применить для сопоставления железорудных формаций из разных древних щитов, поэтому они используются главным образом в работах с горнопромышленным уклоном.

Нас интересует не столько точный возраст данной железорудной формации, сколько период, в который на Земле возникали железорудные формации типа формации Верхнего озера.

Как первое приближение мы можем поэтому использовать хорошо известные датировки интрузивных пород, окружающих осадочные серии.

Этог как правило, позволяет ограничить интересующий нас период возрастом предыдущего и последующего горообразований.

Из данных, приведенных в табл. 18, мы видим, что в докембрийских породах Миннесоты (Канадский щит) железорудные формации встречаются в раннем и среднем докембрии; их возраст колеблется от 1,8 млрд. лет до более 2,5 млрд. лет.

В сериях моложо пинокинского (а также гренвиллского) горообразования не найдено типичных полосчатых железорудных формаций. Данные по возрасту докембрийских железорудных формаций всего мира, собранные в табл. 19 , также подтверждают выводы, сделанные на материале Миннесоты.

Как явствует из этих данных, самым древним из полосчатых железорудных формаций более 3 млрд. лет. Правда, мне кажется, что не все эти датировки сравнимы по достоверности с миннесотскими.

Относительно возраста докембрийских железорудных формаций остается упомянуть еще одну важную подробность. Как мы узнали из гл. X, геологическая история довольно однообразно повторяется в каждом орогеническом цикле.

Каждый цикл начинается с по-сторогенной стадии, для которой характерна сильная эрозия и мощная кластическая седиментация.

В средней и в заключительной частях последующей геосинклинальной фазы вне геосинклинальных бассейнов преобладают химическая эрозия и хемогенное осадкообразование; кора остается стабильной.

Что касается железорудных формаций, то до сих пор у нас недостаточно данных, чтобы судить о том, применима ли эта простая схема для всех древних щитов, в которых встречаются железорудные формации типа формации Верхнего озера.

Во всяком случае, в миннесотских отложениях эти фазы выражены хорошо.

Все три основных процесса формирования железорудных пород происходили или в середине, или в конце геосинклинального периода.

Напротив, золото-урановые "рифы" Блайнд-Ривер, находящиеся в древних песках и гравии нижнего гурона, возникали, как правило, в посторогенной фазе альгомского горообразования.

открыть спойлер

Оценку эту надо считать предварительной по двум причинам.

Во-первых, пе исключено, что будут обнаружены еще более древние красноцветпые пласты.

Во-вторых, возможно, мы научимся отдельно определять в известных сейчас отложениях этого типа возраст более древних, грубозернистых, сероватых красноцветных толщ и возраст более молодых, тонкозернистых, с сильнее выраженной красной окраской.

Тогда мы сможем представить себе, как шло накопление кислорода в земной атмосфере.

Как мы узнали из предыдущего раздела, не каждая серия грубозернистого песчаника с гематитом, осевшим на зернах кварца, соответствует типичным красноцветным толщам фанерозоя. Клауд выразил это, назвав последние "настоящими" красноцветными толщами.

Термин звучит не очень научно, но зато хорошо объяс-няет полевому геологу суть дела. Ввести понятие "настоящих" красноцветных толщ понадобилось потому, что существуют более ранние красноватые осадочные породы, отличающиеся от интересующих нас пластов.

Обсуждая полосчатые железорудные формации, мы уже видели, что окисление в той или иной степени всегда возможно и в бескислородной9Я1атмосфере.

Но точно так же, как типичные полосчатые железорудные формации приурочены к раннему и среднему докембрию, так и типичные красноцветные толщи встречаются лишь начиная с позднего докембрия и на протяжении всего фанерозоя.

Возьмем, к примеру, более ранние красноватые отложения - формацию Рораима в Гайане. Это серия грубозернистых красноватых - но не красных - песчаников.

Их отличие от типичных красноцветных толщ состоит в том, что они, по-видимому, не имеют прослоев тонкозернистой породы. Возраст формации Рораима может составлять 1,8-2,5 млрд. лет, т. е. эти отложения, возможно, являются современниками пиритовых песков золото-урановых "рифов".

Адсорбция железа на поверхности крупных зерен песка, будь то во время осадкообразования и раннего диагенеза или в ходе дальнейшей истории породы, конечно, совершается легче в грубозернистом песчанике, где грунтовые воды циркулируют гораздо легче, чем в илистых отложениях.

Надо заметить, что история фор-мации Рораима сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Оказывается, в песчаниках Рораима содержатся споры и пыльца растений третичного периода, принесенные водой.

Этот факт доказывает, что в таком крупнозернистом песчанике и после отложения возможна значительная циркуляция грунтовых вод.

Итак, даже если возраст формации Рораима определен верно - а в этом есть некоторые сомнения , - вполне возможно, что она не является настоящей красноцветной формацией.

Мне лично кажется, что и песчаники Дала также в среднем гораздо более грубозернисты, чем красноцветные толщи фанерозоя, и что в них нет тонкой иловой фракции, столь типичной для последних.

Как ни странно, до сих пор не проведен серьезный седиментологический анализ, который позволил бы ответить на вопрос, какие именно признаки характерны для "настоящих" красноцветных толщ фанерозоя.

Не изучены в этом отношении красно-песчаниковые серии позднего докембрия, такие, как торридонские песчаники и песчаники Дала. Красноцветные толщи пе имеют особого практического значения и потому пока недостаточно иссле-дованы.

Возможно, что в будущем мы научимся различать типы красно-цветных толщ. Тогда нам удастся получить данные о том, когда "почти кислородная" атмосфера сменилась кислородной.

Но пока все красноцветные толщи позднего докембрия и фанерозоя мы "сваливаем в одну кучу" и считаем, что в период их возникновения атмосфера уже была кислородной.

Итак, примерный возраст самой древней атмосферы, в которой смогли сформироваться красноцветные толщи, составляет 1,4 млрд. лет.

открыть спойлер

В отложениях Блайнд-Ривер встречаются некоторые вторичные урановые минералы типа браннерита, описанного в системе Витватерсранд. Считается, что хотя бы некоторые из этих минералов образовались во время седиментации.

Аутигенные минералы могут рассказать о возрасте осадочной породы. Правда, в дальнейшем, очевидно, происходила перекристаллизация, причем уран и 9-352 свинец могли теряться.

Возраст зерен различных урановых минералов колеблется от 1680 до 2000 млн. лет.

Дерри предполагает, что некоторые минералы теряли уран, отчего определяемое значение их возраста завышено, а другие теряли свинец, становясь, напротив, хронологически "моложе".

Дерри оценивает возраст отложений Блайнд-Ривер в 1,8 млрд. лет.

Однако, судя по их геологическому положению в нижнем гуроне, их возраст может быть и гораздо больше - примерно до 2,4 млрд. лет , в которой Блайнд-Ривер ориентировочно коррелируется с Покегама из нижних пластов среднего докембрия).

В этом случае граниты возраста 2,5 млрд. лет интрудировали сюда во время альгомского горообразования. Оно приурочено к границе между ранним и средним докембрием: его возраст оценивается в 2,5 млрд. лет.

Пески и гравии отложений Блайнд-Ривер, образующие основную посторогенную серию среднего докембрия, состоят из продуктов эрозии этого пояса складчатости, и их возраст не должен сильно отличаться от возраста самого горообразования.

На примере Блайнд-Ривер мы видели, почему датировки таких древних осадочных пород надо считать лишь весьма приближенными.

Точно такая же неопределенность характерна и для других сходных отложений древних щитов. Потребуется еще провести множество анализов и усовершенствовать наши методы исследования, прежде чем мы сможем уточнить предполагаемый возраст этих отложений.

Сейчас, во всяком случае, считается, что этим осадочным породам, сформировавшимся в условиях бескислородной атмосферы, около 2 млрд. лет. Учи-тывая приближенность наших определений, примем, что их возраст составляет около 1,8 млрд. лет.

открыть спойлер

На оценку состава коры не может не повлиять и интерпретация происхождения вулканических пород, таких, как граниты. Раньше считалось, что они ведут свое происхождение от мантии, на которой лежит кора, получающая, таким образом, постоянный приток вещества из глубины.

В противовес этой магматистской теории выдвинута метаморфистская теория происхождения гранитов: по мнению некоторых ученых, граниты- это подвергшиеся ультраметаморфизму части древнейшей коры, местами плавившейся и превращавшейся в мигму.

По этой теории, вещество коры не связано с мантией, а "циркулирует" в верхних слоях земного шара .

В последние десятилетия вторая теория завоевала немало сторонников . Итак, геохимия не может дать однозначные ответы па наши насущные вопросы.

К тому же большинство геохимических построений опирается на фиксистские и магматистские концепции. Впрочем, один случай представляет собой счастливое исключение.

Речь идет об элементах, составляющих гидросферу и атмосферу, элементах, для которых Руби создал термин "избыток летучих".

По Руби, который исходил из фиксистских (и магматистских) соображений, главные породообразующие элементы (Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К и др.), имеющиеся сейчас на Земле в осадочных породах и в морской воде, судя по их общим запасам, вполне могут происходить из первичных горных пород, выветрившихся за геологическое время.

Мобилистский (или мигматистский) подход вряд ли изменит что-либо в этом балансе. Но ни та ни другая теория не позволяет попять, откуда взялись летучие вещества (Н2О, СО2, С1, N, S и многие другие), которых в гидросфере и атмосфере явно больше, чем могло дать одно выветривание горных пород.

К этим "лишним" количествам летучих веществ и относится термин "избыток летучих". Их общее количество оценивается в табл..

Возможны два объяснения наличия в атмосфере и гидросфере избытка летучих.

Либо океанские воды и весь избыток летучих океана и атмосферы представляют собой наследие древнейшей горячей атмосферы, образовавшей после охлаждения гидросферу и атмосферу, либо все эти вещества выделились за геологическое время из недр Земли при обезгаживании.

Данные геохимии говорят, что исходная горячая атмосфера с соответствующим составом была бы совершенно нестабильной.

Кроме того, от тех времен сохранились бы в осадочных породах минералы, отличные от тех, которые нам знакомы. Поэтому приходится отдать предпочтение второй гипотезе, тем более что она лучше согласуется с современными астрономическими представлениями.

Для нашей проблемы важнее всего знать глобальные запасы Ог и СО2 в сравнении с количеством углерода, связанного в осадочных породах.

Если, как мы предполагаем, весь свободный кислород современной атмосферы имеет биологическое происхождение и возник в процессе фотосинтеза, то куда же делся углерод, фиксирующийся при этом?

Конечно же, он перешел во вновь строящиеся при фотосинтезе растительные ткани, а после отмирания растений он мог отложиться в осадочных породах. Здесь из него могли возникать горючие ископаемые (каустобиолиты), например уголь и нефть.

В основном они состоят из биогенного углерода. Сравнивая данные по Земле в целом, мы видим, что сейчас в атмосфере и гидросфере, вместе взятых, содержится гораздо больше О2, чем СО2.

Общий запас свободного кислорода (он содержится главным образом в атмосфере) оценивается примерно в 60 1018 моль, а запас СО2 (находящийся в основном в гидросфере) составляет лишь около 31018 моль .

Чтобы мог возникнуть весь свободный кислород Земли, из недр за геологическое время должны были выделиться значительные количества С02.

Это вполне возможно: в вулканических газах очень много двуокиси углерода. Запасы ископаемых каустобиолитов оцениваются в 2481020гС, или 20-1020 г-атомов С. По сравнению с запасом кислорода в атмосфере (60-1010 моль) это очень много.

Видимо, большая часть кислорода, связанная ранее с "избыточным" углеродом, пошла на окисление первичных породообразующих минералов земной коры.

Трудности, с которыми приходится сталкиваться при составлении более достоверного геохимического баланса, мы рассмотрим сейчас на примере круговорота серы.


Автор статей: М. Руттен

открыть спойлер

Запасы серы в реках, пресноводных озерах и атмосфере незначительны по сравнению с содержанием ее в море и в горных породах.

Хотя оценки количеств восстановленной и окисленной серы, участвующих в ее круговороте, хорошо обоснованы, сравнивая эти оценки с величинами для свободного кислорода и двуокиси углерода, мы замечаем некое несоответствие.

В сульфидах содержится в общей сложности 9,7-1015 т серы (9,7 1021 г), что приблизительно соответствует 30 000-Ю18 г-атомов.

В сульфатах содержится 6,3-1015 т серы (fi,3-1021 г); это примерно 20000-1018 г-атомов.

Если считать, что первично вся сера была в восстановленной форме и что в окислении участвовал лишь биогенный атмосферный кислород, то только за счет этого окисления в земной коре должно быть отложено 20 000-Ю18 г-атомов углерода.

Это плохо согласуется с величиной 2000 1018 г-атомов углерода (см.предыдущий раздел). Очевидно, здесь есть какая-то ошибка, а может быть и не одна.

Во-первых, я думаю, что оценка общего количества углерода в коре сильно занижена, ведь учтены только запасы горючих ископаемых, но не рассеянный в породах углерод.

Однако общее количество этого рассеянного углерода в осадочных породах типа черных сланцев или полосчатых кремнистых сланцев докембрия оценить трудно.

Во-вторых (и здесь количественная оценка, по-видимому, совсем невозможна), не исключено, что часть серы была уже окислена в самые ранние периоды геологической истории.

Как мы узнаем из следующих глав, в те времена кислород поступал в атмосферу в результате неорганического фотолиза воды, а углерод при этом, разумеется, не откладывался.

Хотя содержание кислорода в атмосфере оставалось ниже "уровня Юри" (0,001 его современного содержания;), окисление, как упорно подчеркивают Беркнер и Маршалл, должно было идти весьма активно, так как озон мог возникать на самой поверхности Земли или вблизи нее. Возможны и другие объяснения.

Я не буду их здесь рассматривать; надеюсь, читатель теперь видит, с какими трудностями связана интерпретация данных геохимии.