ЧТО ИЗУЧАЕТ ИСТОРИЧЕСКАЯ ГЕОХИМИЯ?

Всегда ли все процессы, которые мы с вами рассматривали в течение этого семестра, имели место? Проистекали ли они с одной и той же скоростью? А, может быть, такие распространенные явления, как садка карбонатов в океане либо гранитизация на континентах подменялись ранее каким-либо иным процессом? Ответы на эти вопросы дает историческая геохимия.

Для начального периода жизни Земли характерны сравнительно быстрый разогрев Земли, интенсивная вулканическая деятельность и выброс летучих. Происходило формирование океана по мере того, как конденсированные пары воды концентрировались на земной поверхности. Сиалическая кора только зарождалась, поэтому рельеф Земли мог напоминать лунный. Континентов не существовало. В составе газов присутствовали CH₄, NH₃, H₂S, CO₂, H₂, HCl, HF, HBr и др. Таким образом, атмосфера, в которой частично накапливались эти соединения (основная масса растворялась в водах первичного океана), отличалась исключительно восстановительным характером. Масса ее была ничтожно мала по сравнению с современной.

Океан из-за высокой концентрации кислых газов, растворившихся в его массе (такие элементы, как хлор, бром, бор, до сих пор сохраняются в солевом остатке океанической воды в количествах, превышающих возможное их поступление при выветривании горных пород), должен был оказывать сильное воздействие на вмещающие породы, выщелачивая из них катионы. Можно сказать, что если анионы в океане возникли за счет дегазации Земли, то катионы появились в ходе дальнейшего выветривания горных пород, происходившего в начале крайне медленно.

Единственным источником свободного кислорода (правда, ничтожных его количеств) служили реакции фотодиссоциации молекул Н₂О и СО₂ на значительных высотах в атмосфере под влиянием солнечного излучения. Однако этот кислород полностью расходовался на частичное окисление CH_4, NH₃ и других газов и не мого создать в тот момент ни озонового экрана, ни свободных молекул кислорода. Атмосфера носила восстановительный характер довольно долго.

Где и когда первичные атмосфера и океан стали приобретать черты, близкие к их современному состоянию? Рассмотрим для этого характер седиментационных процессов в докембрии. Необратимость процессов осадконакопления в ходе геологической истории хорошо показана в работах Н.М.Страхова.

Земля за время своего существования должна была накопить огромную толщу осадков, а это значит, что материал поверхностного слоя планеты неоднократно проходил через весь цикл: денудация – снос – осадконакопление – метаморфизм – магматизм – денудация, испытывая при этом неоднократную дифференциацию и имея возможность резкого разделения и локальной концентрации не только главных породообразующих, но и редких и рассеянных элементов.

В раннем докембрии состав осадочно-метаморфических комплексов характеризуется преимущественным развитием основных и ультраосновных эффузивов, измененных базитов, спилитов, в большинстве случаев превращенных в амфиболиты, переслаиваемых с толщами железистых кварцитов, туфогенных песчаников. Для этого времени наиболее характерно накопление эффузивов и кластических туфогенных пород, постепенно сменяемых хемогенными осадками в виде сидеритовых и других образований, превращенных в результате последующего метаморфизма в железистые кварциты. Именно этот последний процесс явился главным в последующей истории нижнего протерозоя, когда в результате интенсивного выветривания и денудации основных эффузивов архея началось формирование железистых толщ. Одновременно возрастает роль органического вещества, представленного в настоящее время графитсодержащими сланцами, появившимися в том же нижнем протерозое.

Присутствие значительного количества кварцитов, кварц-биотитовых и амфибол-биотитовых сланцев указывает на присущую нижнему протерозою особенность – появление толщ, по химическому составу весьма близких к гранитам. Это обстоятельство, вероятно, явилось причиной того, что в течение последующей геологической эпохи доминируют главным образом интрузии гранитного состава, охватывающие огромные территории нижнепротерозойских геосинклиналей.

В процессе осадкообразования в рифее заметно увеличивается значение хемогенных и главным образом биогенных факторов седиментации, т.е. в рифейских толщах преобладающее значение приобретают карбонатные и песчано-глинистые породы. Заметно возрастает компонент С_орг. Лишь в нижнем рифее еще отмечается присутствие железистых кварцитов, исчезающих из геологической истории в последующие эпохи.

Столь разительный перелом в характере осадкообразования в начале рифея по сравнению с более ранним временем обусловлен в первую очередь тем, что к этому моменту на возникших докембрийских территориях образовался мощный слой нижнепротерозойских осадков, в значительной степени гранитизированных.

Денудация, размыв и переотложение этих толщ способствовали дальнейшей дифференциации вещества, а также приводили к все большему обогащению осадков кремнезем-глиноземистым и карбонатным материалом. Вторым не менее важным фактором оказалась возрастающая роль процессов жизнедеятельности различных организмов. Если в архее отмечается лишь появление простейших организмов, то к началу рифея фиксируется реальная область биосферы, в пределах которой осадконакопление во многом связано с жизнедеятельностью простейших организмов.

Какова же судьба океана и атмосферы в то время? Начальный период в жизни Земли, в течение которого происходила конденсация газов и паров на ее поверхность и формирование океана, продолжался, по мнению Страхова, не более 500 млн. лет. Маловероятно, что в архее произошли существенные изменения объема океана.

Явно замедленный темп выветривания пород основного состава в самом раннем докембрии, присутствие в составе детрита базальных толщ нижнего протерозоя окатанной гальки сульфидов и уранитов – минералов, весьма нестойких в окислительной среде, – все это свидетельствует о том, что своеобразие первичной атмосферы сохранялось по крайней мере 1000-1500 млн. лет спустя после образования Земли и сказалось даже на солевом остатке океанических вод, в которых отсутствовали сульфаты. Впервые сульфаты появляются в верхнем рифее (1000 млн. лет назад) в виде первичных скоплений гипса и ангидрита. Это послужило указанием на то, что кислород в атмосфере, до этого момента отсутствовавший, теперь уже появился во вполне реальных количествах.

Развитие железистых пород в начале нижнего протерозоя, которому предшествовало возникновение массовых кор выветривания, открыло начало новой эпохи седиментации в докембрии. Эта смена характера осадкообразования, отмечаемая в различных частях планеты одновременно, могла быть вызвана лишь какими-то глобальными событиями, изменениями условий седиментации на всех континентах. К такого рода явлениям может быть отнесено радикальное изменение состава атмосферы.

По-видимому, именно количественное возрастание свободного кислорода в атмосфере в результате фотосинтеза привело к последующему массовому выпадению гидроксидов железа на значительных площадях нижнепротерозойских бассейнов.

Материалы Криворожского бассейна и других железорудных провинций нижнего протерозоя указывают на определенную ритмичность, выразившуюся в смене железистых пород слюдяно-амфиболовыми сланцами, возможно, указывавшими на колебание атмосферного режима планеты в этот период ее геологической истории. Смена восстановительных условий окислительными вызвала резкое падение подвижности железа, массовое выпадение его в виде гидрата окиси, чем и объясняется железорудный характер нижнепротерозойский формаций.

В результате устойчивого появления свободного кислорода в атмосфере, резко возросла концентрация углекислоты, вызвавшая массовое образование карбонатных толщ в конце нижнего протерозоя. Тесно связанная с этим эволюция хлоридно-солевого остатка океанической коры, по Страхову, свидетельствовала об уменьшении роли вулканических эксгаляций и о возрастающем значении процессов выветривания.

По-видимому, почти одновременно с железом из океанической воды исчезли значительные массы кремния и бора. Осаждение кремния было связано с появлением первых организмов, использовавших его для строительства своих панцирей и губок. Бор сорбировался в первых глинистых толщах.

Резкое вытеснение азотом и кислородом углекислоты из атмосферы к концу докембрия, обусловленное развитием жизни, привело к появлению сульфатов и к заметному снижению в дальнейшем количества карбонатных фаций.

Переход к палеозою совпал с существенным изменением вод океана, превратившихся из хлоридно-карбонатно-сульфатных в хлоридно-сульфатные, не способствовавшие переносу таких элементов, как железо и марганец.

О характере атмосферы и вод древнего океана можно судить на основании ничтожного фракционирования изотопов серы в начале нижнего протерозоя, определявшемся, вероятно, весьма незначительным содержанием сульфатов в океанической воде. К концу нижнего протерозоя фракционирование изотопов серы в сульфидах осадков и соответственно в сульфатах океанической воды достигло современного уровня.

Историю магматизмаможно разделить на два этапа по отношению к истории Земли – ранний, дорифейский, неоднократно возобновлявшийся, отличающийся сравнительно равномерным глобальным распределением, и поздний, начинающийся в рифее с периода относительного покоя, когда в развитии магматизма доминирует асимметричное расположение его очагов в различных континентах и отмечается несовпадение во времени его максимумов в разных частях поверхности суши.

Тектоническая историяземной коры подтверждаетвысказанную Вильсоном идею о возникновении платформ в результате разрастания их вокруг первичных ядер за счет более молодых геосинклиналей. Рост континентов служил мерилом расширения Земли и сопровождался постепенным замедлением роста океана. Абсолютного поднятия уровня океана не происходило, поскольку сами океанические впадины в результате расколов, сопровождавшихся их раздвижением, представляли собой постепенно разраставшиеся чаши, края которых со временем захватывались новообразующимися частями континентов. Происходил не дрейф континентов, а постепенное раздвигание их по мере увеличения земного радиуса.

Образование и эволюция биосферы. Длительные поиски наиболее древних остатков жизни привели к обнаружению ископаемых организмов, сохранившихся в формациях Фиг Три (Южная Африка) возрастом около 3500 млн. лет и Ганфлинт (оз. Верхнее, Канада), датированных 2700 млн. лет.

Достаточно закономерно подобные находки встречаются в толщах нижнего протерозоя, а начиная с рифея выявлено более 25 форм строматолитов, на основании распространенности и эволюции которых в настоящее время принято трехчленное деление рифея. Следовательно, жизнь на Земле должна была появиться не позже 3500 млн. лет назад.

А.П.Виноградов, исследуя углистые хондриты, обнаружил в них сложные радикалы углеводородов, аминовые группы. Он предположил, что такие соединения возникли под воздействием быстрых нейтронов и протонов космического происхождения на отдельные соединения типа CH₄, NH₃, S, которые могли присутствовать в метеоритах. Эксперименты, проведенные в лабораториях, дали подобные результаты.

Отсюда был сделан вывод, что в ранний период существования Земли, когда газовая оболочка планеты была сравнительно мала, а озоновый экран не существовал, Земля подверглась достаточно интенсивной «атаке» космического излучения. Изобиловавшие на Земле соединения типа CH₄, NH₃, H₂, H₂S, CO₂, H₂O, вероятно, могли реагировать на них точно так же, как вещество углистых хондритов, образовав сложные соединения углеводородов – матрицу, в которой могла возникнуть жизнь.

Дальнейшее развитие жизни вначале происходило в океане. Первоначально анаэробная жизнь постепенно превратилась в аэробную. Атмосфера того времени содержала 1/1000 от современной концентрации кислорода.

Следующим шагом в эволюции жизни был переход в начале палеозоя от брожения к энергетически более выгодному дыханию.

Все усложняющиеся формы обмена живого вещества с косным субстратом планеты сопровождались не только эволюцией его видов, но и все возраставшим потреблением различных элементов, по мере того, как они становились доступными для организмов.

В древних сине-зеленых водорослях роль катализатора в реакциях фотосинтеза играло железо; с конца рифея эти функции приняла на себя медь, а в бурых водорослях, перекочевавших в среднем палеозое на сушу, уже важную роль играл цинк.

В настоящий момент на нашей планете 10¹³ т живого вещества; 99% этого количества связано с водорослями и растениями. Ежегодно этой массой живого вещества концентрируются около 10¹¹ т углерода, 10⁸ т марганца, железа, меди и цинка и 10⁸ т никеля и молибдена.

С появлением первых животных в кембрии начался дальнейший этап усложнения жизни. Три крупных регрессии океана в конце силура, перми и мела, сопровождавшиеся незадолго до этого затоплением континентов, вызвали серьезные изменения в составе биосферы. Так, с концом силура исчезла большая часть трилобитов, граптолитов, цистоидей. В конце перми окончательно вымерли трилобиты и амфибии. Зато появились гигантские рептилии, белемниты. Возникновение гигантских ящеров с мощными скелетами и панцырями некоторые исследователи связывали с обилием небольших солеводных бассейнов осушившегося континента и достаточного количества доступного карбоната кальция, который мог быть легко усвоен организмами.

И, наконец, в конце мела произошло быстрое и полное вымирание аммонитов и белемнитов, исчезновение брахиопод и значительной части рептилий. Зато в это же время появляются млекопитающие и покрытосеменные растения.

Во всем этом многообразии жизни один фактор сыграл главенствующую роль – участие в этом процессе континентов. До тех пор, пока континенты были незначительны и жизнь развивалась главным образом в океане, солевой состав которого отличался постоянством и сравнительно мало менялся во времени, эволюция сине-зеленых водорослей шла исключительно медленно. Однако, начиная с кембрия, по мере того как обширные континенты были осушены и их территории стали ареной жизни, возникли новые ветви эволюции, завершившиеся появлением человека.

Перенесение массы жизни из океана во внутренние моря имело большое значение. Остатки животных и растительных организмов, огромные скопления углей, углистых сланцев, нефтей и просто осадочных пород, содержавших незначительные скопления органических веществ, стали важным фактором рудообразования. Их роль концентратора рудных компонентов, улавливателя потока рудных составляющих на пути миграции денудируемых частей континентов в океан оказывается огромной. Возникает новая форма концентрации рудных компонентов, ничтожная по абсолютным содержаниям, но огромная по запасам.