Глава 19. история развития земли в докембрии

Докембрийский отрезок истории Земли занимает огромный промежуток времени - от рождения планеты до рубежа всего лишь в 550-570 млн. лет назад. Иными словами, на докембрийский этап приходится более чем 4 млрд. лет. Однако проследить геологическую историю Земли мы можем, только опираясь на известные нам древнейшие горные породы. Пытаясь заглянуть еще глубже в историю Земли, мы вступаем в область догадок и предположений. В данном разделе нет необходимости рассматривать проблему происхождения нашей планеты. Земля, так же как и Луна, примерно 4 млрд. лет назад подверглась усиленной метеоритной бомбардировке, но результат этой космической "атаки" от нас скрыт завесой позднейших изменений в лике Земли. Догадаться о том, что произошло на Земле в то время, мы можем, посмотрев на поверхность Луны, где благодаря отсутствию атмосферы и каких-либо экзогенных геологических процессов, кроме обвалов и оползней, конечный результат метеоритной бомбардировки сохранился очень хорошо.

В 1978 г. в СССР была принята стратиграфическая шкала докембрия (табл. 19.1), включающая два основных подразделения: архей и протерозой, называемых эонами - длительность которых намного превышает временной интервал фанерозойских эр. Разделение архейского эона на две половины: позднюю и раннюю с рубежом около 3 млрд. лет не общепринято, но поздний протерозой, начиная с рубежа 1,65 млрд. лет, знаменует собой качественно новый историко-геологический этап в развитии Земли и в этом отношении может противопоставляться этапу, охватывающему протерозой и архей в целом. Рубеж в 3,5 млрд. лет как геологическая граница раннего архея, конечно, условный и по мере получения новых данных абсолютного возраста может измениться.

Таблица 19.1. Стратиграфическая шкала расчленения докембрия в СССР

Эонотема	Общее расчленение	Возраст, млн. лет
Фанерозойская	Палеозой	Кембрийская система
Протерозойская	Верхний протерозой	Венд (юдомий)
Рифей	Верхний
Средний
Нижний
Нижний протерозой
Архейская	Верхний архей
Нижний архей
Глубокий архей

Палеонтологический метод в ограниченном масштабе применим для расчленения лишь верхнего протерозоя, в карбонатных породах которого широко развиты страматолиты - следы жизнедеятельности синезеленых водорослей, и в самой верхней части рифея - бесскелетная фауна. Наиболее важная роль в расчленении докембрийских образований принадлежит радиометрическому методу. Однако благодаря многократному метаморфизму и процессам складчатости установление истинного возраста древних пород представляет трудную задачу. Тем не менее, для докембрийских образований разных материков сейчас имеются тысячи определений абсолютного возраста, на которые и можно опираться при выработке естественной периодизации докембрийской геологической истории.

Учитывая характер докембрийских комплексов пород, их взаимоотношения между собой, вещественный состав, метаморфизм, радиометрические и другие данные, выделяют четыре главнейших историко-геологических этапа докембрийской истории Земли: 1) лунный, или догеологический; 2) архейский-3,5 до рубежа в 2,6(2,5) млрд. лет; 3) раннепротерозойский - 2,6(2,5)-1,65 млрд. лет; 4) позднепротерозойский- 1,65-0,57 млрд. лет. Последний этап по стилю развития и характеру пород гораздо теснее связан с фанерозойскими этапами, хотя наиболее важное его отличие от них заключается в отсутствии хорошо развитых форм жизни.

ДОГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП

Рассматривать геологическую историю Земли мы начинаем обычно с раннего архея, т.е. с того момента, с которого сохранились древнейшие горные породы. Со времени образования Земли как планеты Солнечной системы - 5-6 млрд. лет назад - около 1 млрд. лет прошло до формирования сравнительно тонкой, неустойчивой земной коры, которая легко дробилась, расплавлялась и возникала вновь. Через трещины изливались огромные количества магмы, заполняя большие пространства и образуя "лавовые моря", напоминающие, наверное, таковые на Луне.

В эту же эпоху грандиозной вулканической деятельности Земля подвергалась усиленной метеоритной бомбардировке. Земная кора становилась толще и прочнее, лавы изливались уже более сосредоточенно, вдоль крупных разломов. Возникла первичная атмосфера, отличавшаяся от современной - азотно-кислородной. Основным источником газообразных соединений были вулканические извержения, поставлявшие азот, аммиак, углекислоту, водяные пары, метан, водород, инертные газы, соляную, борную, плавиковую кислоты и многие другие. Сначала атмосфера была бескислородной, она теряла гелий и водород за счет отделения их в мировое пространство. Начало развития органической жизни вызвало появление кислорода, концентрация которого медленно повышалась. Когда земная кора остыла до температуры ниже точки кипения воды, последняя стала занимать определенные пространства на Земле - возникли первые озерные и морские бассейны. Появилась возможность размыва и переотложения материала, т.е. начали формироваться осадочные породы. Таким образом, догеологический этап развития Земли, иногда называемый Лунным, продолжался сравнительно недолго - от образования первой земной коры до появления гидросферы.

АРХЕЙСКИЙ ЭТАП

Древнейшие нижнеархейские породы, являющиеся фундаментом для всех более молодых толщ на щитах многих древних платформ - Северо-Американской, Австралийской, Индостанской, Африканской, Восточно-Европейской и Сибирской, представлены комплексом так называемых "серых гнейсов", сильно метаморфизованных магматических пород среднего (андезитового) состава, как вулканических, так и интрузивных, образующих вулканоплутоническую ассоциацию. Эти комплексы слагают реликты наиболее древней протоконтинентальной коры, возраст которой оценивается в 3,9-3,5 млрд. лет. Это - катархей, или древнейший архей. Однако все еще дискутируется вопрос о том, какая по строению земная кора лежала в основании древних платформ - была ли она по составу сиалической (протоконтинентальной) или меланократовой (океанской), состоящей из основных магматических пород. Неизвестно, была ли первичная древнейшая кора, состоящая из "серых гнейсов", сплошной или в ней были промежутки - своеобразные "окна" с меланократовой корой.

На этом фундаменте древних платформ залегают мощные и разнообразные комплексы уже собственно архейских пород, сильно метаморфизованных и дислоцированных. Среди них выделяются две важнейшие группы. С одной стороны, это разнообразные натровые и калинатровые граниты и гнейсы, причем среди последних находятся такие породы, как метавулканиты ("мета" значит метаморфизованные) основного и реже кислого состава, метаконгломераты, мета-кварциты, железистые кварциты и мраморы. А с другой - зеленокаменные11 узкие пояса, сложенные относительно слабометаморфизованными ультраосновными (так называемыми коматиитами), основными и средними вулканитами и реже кремнистыми и песчано-глинистыми отложениями.

Эти вулканические прогибы в позднем архее подверглись складчатости, а их гранитогнейсовый фундамент испытал энергичную гранитизацию. Для архея устанавливается несколько генераций зеленокаменных поясов, отличающихся по своему развитию. Для одних характерен резко контрастный, или бимодальный, вулканизм (ультраосновные, основные и кислые вулканиты), для других, наоборот, последовательно дифференцированные вулканические серии.

Наиболее характерной чертой архейских комплексов всех древних платформ, кроме, пожалуй, пород зеленокаменных поясов, является сильнейший и неоднократный метаморфизм, развивавшийся в условиях высоких температур и давлений при погружении на большие глубины. Наличие повышенного по сравнению с более поздним временем теплового потока привело в конце позднего архея на рубеже около 2,7 млрд. лет к повсеместной гранитизации древнего гнейсового фундамента. Характер деформаций всех этих пород, стиль их структуры указывает на ведущую роль пластического течения масс. Несомненно, проявлялись также вертикальные и горизонтальные тектонические движения, о чем свидетельствуют реликты первично осадочных пород - конгломератов и кварцитов. Благодаря мощному разогреву еще неустойчивая земная кора легко подвергалась растяжению и в разрывы устремлялась ультраосновная и основная магма, формируя зеленокаменные троги вулканических пород. Резко повышенный тепловой поток и гранитизация с привносом ряда элементов должны были вызывать также увеличение объема вещества, что, в свою очередь, приводило к сильным деформациям.

Кроме зеленокаменных поясов в архее развиты и так называемые парагнейсовые пояса, наложенные на раздробленный древнейший фундамент. В прогибах, за счет которых и сформировались эти пояса, накапливались преимущественно обломочные осадки, испытавшие потом неоднократный и очень сильный метаморфизм вплоть до гранулитовой фации и интенсивную складчатость. Зеленокаменные и парагнейсовые, или гранулитовые, пояса - это реликты древнейших подвижных зон Земли.

Характерной особенностью архейских метаморфических толщ являются гнейсовые купола и овалы - в десятки километров в диаметре, замкнутые структуры, с полого залегающими "слоями" в центральной (апикальной) части купола и с очень сложной складчатостью в краевых зонах. В условиях разогрева плотность вещества уменьшалась, и оно всплывало подобно гигантскому пузырю. Таким образом, гранитизированные, высокопластичные гнейсовые массы как бы "перемешивались", поднимаясь и погружаясь, создав к концу архея первичную континентальную кору на значительной поверхности земного шара. В архейское время температуры на поверхности Земли могли превышать 100-250 ^oС. Однако и в этих условиях уже зарождалась жизнь и происходили процессы осадконакопления, которые отличались от современных. Низкое содержание кислорода в архейской атмосфере Земли сказывалось на слабом экранирующем эффекте озонного слоя, и губительные для всего живого наиболее короткие волны ультрафиолетовой части спектра свободно достигали поверхности Земли.

Подводя итог рассмотрению архейской истории Земли, можно констатировать, что нам все-таки еще очень мало известно об этом древнейшем этапе развития. Все породы настолько сильно изменили свой первичный облик, что восстановить его нередко оказывается невыполнимой задачей. К концу раннего архея уже существовал, хотя. возможно и не повсеместно, гранитогнейсовый слой земной коры, который уже 3,0-3,3 млрд. лет назад подвергался раскалыванию с формированием зеленокаменных и гранулитовых поясов. Следы еще более ранней стадии развития практически исчезли.

Естественно, что для архейского времени не приходится говорить о каких-либо типах тектонических структур, напоминавших фанерозойские. Какие-то морские бассейны, по-видимому, могли существовать.

Рис. 19.1. Схема эволюции органического мира и главнейшие глобальные события в позднем архее-протерозое

К концу архея огромные пространства были охвачены гранитизацией и складчатостью и образовался гигантский массив с протоконтинентальной корой. Остается неясным, что же можно было противопоставить этому массиву не менее грандиозный протоокеан? И где он находился?

Органический мир архея. Земля - это единственная планета Солнечной системы, на которой сформировались условия, благоприятные для возникновения жизни (рис. 19.1). Исключительную роль сыграли размеры Земли и земные температуры. В первом случае гравитационное притяжение таково, что обеспечивает удержание атмосферы вблизи поверхности Земли, а во втором - диапазон температур приводит к тому, что подавляющая часть воды способна находиться в жидком состоянии - в наиболее благоприятной форме для жизни. Архейский эон включает тайну возникновения жизни на Земле. Вряд ли мы когда-нибудь получим доказательства эволюции самых ранних этапов жизни хотя бы потому, что клетки разрушаются и наиболее древние из них для нас, по-видимому, навсегда потеряны. Можно констатировать, что наиболее древние следы органической жизни в настоящее время установлены в породах с возрастом в 3,4- 3,5 млрд. лет. Они более чем на 1,5-1,2 млрд. лет отстоят от времени образования Земли (4,7-5,0 млрд. лет).

В течение огромного промежутка времени господствовали организмы, которые были лишены внутренней структуры клеток, в них не было ядра, и ДНК не могла группироваться в дискретные хромосомы. Подобные организмы называются прокариотическими в отличие от эукариотических, клетки которых обладают ядром, сложной внутренней структурой и хромосомами.

Архейский эон - это время прокариотов - бактерий и синезеленых водорослей, единственных следов жизни столь далекого прошлого. Наиболее древние организмы, представляющие собой следы жизнедеятельности синезеленых водорослей и называемые строматолитами, обнаружены в Австралии, в районе Пилбара. Их возраст оценивается примерно в 3,5 млрд. лет. В архейских породах присутствует углерод в виде графита, являющийся результатом концентрации его какими-то организмами. Изотопный состав углерода в архее примерно такой же, как и связанный с биологическими объектами сегодняшнего дня.

Таким образом, несмотря на то, что следы органической жизни фиксируются уже в раннем архее, палеонтологический метод для расчленения древнейших отложений практически не играет роли. Необходимо помнить, что в архейской атмосфере уровень кислорода еще далеко не достиг современного, но было много метана, аммиака, углекислоты, паров воды.

¹¹ Благодаря метаморфизму в основных вулканических породах развивается хлорит, который придает породам зеленый цвет.