Геологическая история Земли

 

В пределах Украинского щита архейские образования  гранит-зеленокаменного типа (конкско-верховцевская серия) развиты в восточной его части, в Среднеприднепровском блоке, где аульский «серогнейсовый» комплекс слагает их основание (рис. 5). В низах разреза поясов залегают коматииты, толеитовые базальты, метаандезиты, метадациты, сменяющиеся вверх по разрезу мета-песчаниками, метааргиллитами с прослоями кислых лав и туфов. Общая мощность серии достигает 7 км, а ее возраст оценивается (в низах) в 3,2 млрд. лет.

 

 

Конкско-верховцевская серия, напоминающая лопийские образования Балтийского щита, прорывается тоналитами и грано-диоритами с цифрами абсолютного возраста по U--Pb методу в. 3,0--2,9 млрд. лет. Вместе с породами «серых гнейсов» гранитоиды образуют куполовидные мигматит-гранитные структуры.

 

В ряде других мест Украинского щита развиты узкие  зоны с толщами пород, напоминающих конкско-верховцевскую серию, и такие же образования (михайловская серия) известны на Воронежском массиве. Они представлены меггабазитами -- толеитовыми базальтами, коматиитами, а в верхах -- метаандезитами и метадацитами, мощностью от 2 до 10 км. Метавулканиты прорваны гранитами с возрастом 3,0--2,9 млрд лет и метаморфизованы в зеленосланцевой фации. Все толщи сильно дислоцированы в узкие сжатые синклинорные зоны, между которыми развиты грани-тогнейсовые купола комплекса основания.

 

Рис. 5. Разрез Верховцевского архейского зеленокаменного  пояса, Украинский щит (по А. Н. Сиворонову): 1 -- гранитогнейсы (аульский комплекс); 2 -- тоналиты; конкско-верховцевская* серия; 3 -- коматииты и толеитовые базальты; 4 -- джеспилиты; 5 -- андези-тодациты; 6 -- коматииты; 7 -- осадочная толща

 

Интерпретация геофизических и буровых данных по фундаменту Русской плиты, перекрытому  фанерозойским чехлом, показывает, что зеленокаменные пояса архейского возраста, разделенные изометричными полями гранитогнейсов, составляют основу всего структурного рисунка востока плиты.

 

На Сибирской  платформе в западной и восточной  частях Алданского щита к типу зеленокаменных поясов относятся узкие меридиональные структуры в Олёкминском и Батомгском блоках. Субганский комплекс залегает на «серых гнейсах» чарской серии и представлен в нижней части разреза коматиитами и базальтами, в средней -- терригенными породами с линзами мраморизованных доломитов, в верхней -- железистыми кварцитами, аргиллитами, песчаниками, средними и кислыми вулканитами, конгломератами. Мощность субганского комплекса превышает 7 км, а возраст егопо U--Pb методу составляет 3,0 млрд. лет. Весь комплекс интрудирован разнообразными по составу телами от ультраосновных в низах до гранитов в верхах (2,6 млрд. лет). Зеленокаменные пояса, так же как и в других местах, разделены полями гранитогнейсов и гранитов и совместно с ними образуют гранит-зеленокаменные области.

 

4. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ  ОБСТАНОВКИ В АРХЕЕ

 

Рассмотренные выше примеры зеленокаменных поясов и гранитогнейсовых областей показывают, что на всех платформах они обладают чертами сходства, хотя есть и некоторые  различия. В низах разреза залегают базит-ультрабазитовые высокомагнезиальные недифференцированные вулканиты, выше сменяющиеся последовательно дифференцированными базальт-андезит-риоли-товыми вулканитами в сочетании с турбидитовыми толщами, а затем молассовыми конгломератами, песчаниками с горизонтами кислых, реже щелочных вулканитов. Для нижних частей разрезов (особенно древних поясов) очень характерны контрастные, бимодальные (базит-риолитовые) серии вулканических пород, причем из кислых вулканитов преобладают пирокластолиты. Наряду с ^-бимодальным распределением вулканитов типична и гомодромная последовательность от основных к кислым породам. Характерна многоактность магматических процессов, как вулканических, так и интрузивных. Геохимические особенности пород и распределение редкоземельных элементов указывают на последовательное уменьшение глубины магмообразования. Зеленокаменные прогибы сосуществуют в архейское время с участками коры сиаличеекого типа. Гранитогнейсовые или гранулит-гнейсовые области несколько отличаются от зеленокаменных разнообразием магматических процессов и последовательностью вулканитов, что свидетельствует о разноглубинных магматических очагах, функционирующих одновременно.

 

Обращает  на себя внимание сильная деформированность всех типов пород, так же как и присутствие полифазных концентрически-кольцевых куполов, усложнение разрезов за счет чешуйчатых надвигов, что приводит к сдваиванию разрезов. Современные ограничения зеленокаменных поясов не являются первичными, так как значительная часть их уничтожена при формировании межпоясовых гранитогнейсовых куполов и овалов. Архейские зеленокаменные пояса образуют три разновозрастные генерации: одну средне- и две позднеархейские, а время их формирования колеблется от десятков до сотен миллионов лет.

 

Высокая литологическая информативность пород  зеленокаменных комплексов позволяет  устанавливать мелководные и  глубоководные обстановки; выявлять условия континентального склона и  его подножия (флиш, турбидитные потоки). Важной составной частью разрезов являются железистые кварциты -- джеспилиты, которые в ряде мест образуют крупные железорудные месторождения.

 

Коснемся  возможной интерпретации тектонических  обстановок в средне-позднеархейское время. К моменту заложения зелено-каменных поясов кора сиалического типа уже существовала, о чем свидетельствует древнейший комплекс «серых гнейсов». Очевидно, что кора была тонкой, несплошной или разной мощности, а тепловой поток был выше современного, и в мантии существовали активные конвективные течения. В таких условиях, скорее всего в среднем архее, тонкая земная кора либо подвергалась рифтингу с формированием бимодальных серий вулканических пород, столь характерных для структур подобного типа, либо раздвигалась настолько, что формировались впадины с корой океанского типа. Если развитие шло по второму пути, более вероятному в позднем архее, то становится понятным появление в конце развития зеленокаменных поясов последовательно дифференцированных серий известково-щелочиых вулканитов, которые могли быть связаны с процессами субдукции, а в обстановке тангенциального сжатия формировались сложные складчато-надвиговые структуры зеленокаменных поясов. Наличие в низах разрезов поясов ультраосновных и основных эффузивов, даек и силлов, а также кремнистых пород придает им сходство с фане-розойскими офиолитовыми комплексами, однако существующие отличия позволяют, по мнению В.Е. Хаина, называть их только протоофиолитами. Поздние фазы развития зеленокаменных поясов сосуществовали с широко проявленным гранитообразованием, вплоть до появления в конце архея настоящих калиевых гранитов и даже щелочных пород. Эти процессы вовлекали в переработку более древнюю «серогнейсовую» кору и вместе с ней формировали гранитогнейсовые купола, овоиды и т. д.

 

Таким образом, к концу архея можно предполагать существование уже довольно мощной (до 30--40 км) и зрелой континентальной  коры. Была ли она сосредоточена  в одном месте, образуя гигантский материк, Пангею, которой противостоял не менее гигантский океан -- Панталасса, или блоки сиалической коры были распределены по поверхности земного шара так, что между ними оставались пространства с корой океанского типа, остается не совсем ясным. Возможны разные варианты, но существование в архее, может быть даже в раннем архее, блоков земной коры сиалического (континентального) и океанского типов вполне вероятно.

 

Все же представления  о возникновении первого в1 истории  Земли суперматерика в конце позднего архея наиболее вероятны. Об этом свидетельствует широкое распространение архейских пород, слагающих фундамент молодых протерозойских складчатых поясов и систем.

 

Но если был суперматерик, в который «стянулись» все участки земной коры континентального строения, то что было на другой половине Земли, при условии, что ее радиус не изменялся? Там могло существовать только пространство с океанской корой, покрытое водной массой, близкой по объему к современной, возможно меньшей. Таким образом, уже на такой ранней стадии развития Земли возникла ее диссимметрия.

 

5. ЗАРОЖДЕНИЕ  ЖИЗНИ

 

Проблема  зарождения жизни на Земле обсуждается  уже много десятилетий, но все  объяснения носят характер лишь более  или менее правдоподобных предположений.

 

В архейских  образованиях известны следы примитивной  органической жизни. Даже в древнейшем комплексе Исуа в Гренландии присутствует графит, в котором содержание изотопов 13С/12С почти такое же, как и в современных органических остатках.

 

Следы органической жизни известны в древних породах  блока Пилбара (3,4--3,5 млрд. лет) в Западной Австралии, где обнаружены следы жизнедеятельности синезеленых водорослей -- строматолиты.

 

Синезеленые водоросли -- цианофиты. -- наиболее древние представители органической жизни. Микроскопические нитеподобные образования оболочки одноклеточных цианофитов (акритархи), стяжения из карбонатов (катаграфии), продукты жизнедеятельности сине-зеленых водорослей (строматолиты и онколиты) -- эти примитивные представители органической жизни известны в; отложениях с возрастом 3,5--3,0 млрд. лет.

 

Уже в  раннем архее в мелких ваннах, сильно прогретых солнцем, в условиях другой, нежели современная, атмосферы, лишенной озонового слоя, в своеобразном абиогенном «бульоне», в окружении фумарол  и вулканов, могли возникнуть высокополимерные нуклеиновые кислоты, вернее их спиральные нити, обладавшие способностью синтезировать  себе подобные. Иными словами, они  могли передавать «код» для синтеза  белков. Так могли образоваться первичные  микроорганизмы, которые воспроизводили себе подобных и эволюционировали, производя органические молекулы из неорганических. Для того чтобы производить  одинаковые белки, совершенно необходимы нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). Именно в то время, когда появилась возможность  копирования уже существовавших белков, т. е. когда возникли первые примитивные клетки, очевидно, и  была преодолена грань между «неживым»  и «живым». Первыми живыми организмами  были бактерии, превращавшие неорганические соединения в органические, используя  солнечный свет. Бактерии разлагали  Сероводород, выделяя при этом серу. И только сине-зеленые водоросли  «научились» разлагать воду, выделяя кислород, а возникший в верхних слоях атмосферы озоновый слой предохранял от смертельного ультрафиолетового излучения организмы, которые могли существовать уже на суше, а не прятаться в толще воды.

 

6. ПОЛЕЗНЫЕ  ИСКОПАЕМЫЕ

 

Залежи  полезных ископаемых в архейских  породах относительно невелики. С  одной стороны, это связано с  небольшим развитием этих пород, а с другой -- с низкой скоростью  выноса рудных элементов из мантии в земную кору. Наиболее важными  месторождениями полезных ископаемых архейского возраста являются месторождения  Fe, Mn, Аи, а также Cr--Ni--Ti, Со и графита. По условиям залегания они делятся на месторождения вулканических комплексов зеленокаменных поясов и месторождения пегматитов. Среди последних известны месторождения только Li, Be. В зеленокаменных поясах известны железные руды, золотокварцевые и золототеллуридные месторождения гидротермального происхождения и сульфидные руды Си, Pb--Zn--Sb, а также хромиты и Ni--Со в ультраосновных и основных интрузиях.

Протерозой[править | править исходный текст]

 

Основная  статья: Протерозой

Протерозой  продолжался с 2,5 млрд до 542 млн лет  назад.[2]:130 В этот промежуток времени  кратоны выросли до материков современных размеров. Важнейшим изменением стало появление богатой кислородом атмосферы. Жизнь совершила путь от прокариот в эукариоты и многоклеточные формы. Согласно одной из распространенных гипотез, в протерозое произошли несколько сильных оледенений, называемых Земля-снежок. После последней Земли-снежка около 600 млн лет эволюция жизни на Земле ускоряется. Около 580 млн лет назад эдиакарская биота формируются условия для кембрийского взрыва.

Кислородная революция[править | править исходный текст]

Основная  статья: Кислородная катастрофа

См. также: Озоновый слой

 

 

Литифицированные строматолиты на берегу озера Тетис, Западная Австралия. Архейские строматолиты первые прямые ископаемые следы жизни на Земле.

 

 

Железистые  формации 3,15 млрд лет из группы Moories зеленокаменного пояса Барбертона, Южная Африка. Красные слои сформировались в те времена, когда кислород был доступен, серые слои были сформированы в бескислородных условиях.

Первые  клетки поглощали энергию и продукты питания из окружающей среды вокруг них. Они использовали брожение, распад более сложных соединений в менее  сложные с меньшей энергией, и  использовали освобожденную энергию  для роста и размножения. Брожение может происходить только в анаэробной (бескислородной) среде. Появление фотосинтеза  позволило клеткам производить  свои собственные продукты питания.[100]:377

Большая часть жизни, которые покрывает  поверхность Земли, зависит прямо  или косвенно от фотосинтеза. Наиболее распространенная форма, кислородный  фотосинтез, превращает углекислый газ, воду и солнечный свет в пищу. Этот процесс преобразует энергию  солнечного света в богатые энергией молекулы, такие как АТФ, которые  затем обеспечивают энергию, чтобы  производить сахар. Для доставки электронов в оборот, водород извлекается  из воды, отбрасывая кислород в качестве побочного продукта.[101] Некоторые  организмы, в том числе пурпурные  бактерии и зелёные серные бактерии, используют форму бескислородного  фотосинтеза. Вместо водорода эти организмы  извлекают из воды доноров электронов, таких как сероводород, сера и  железо. Такие организмы в основном ограничивается жизнью в экстремальных  условиях, в таких как горячие  и гидротермальные источники.[100]:379–382[102]

Простейшие  бескислородные формы появились  около 3,8 млрд лет назад, вскоре после  появления жизни. Время появления  кислородного фотосинтеза является более спорным, он, безусловно, появился около 2,4 млрд лет назад, но некоторые  исследователи отодвигают время  его появления до 3.2 млpд лет.[101] Позже «глобальная производительность, вероятно, повысилась по крайней мере на два или три порядка.»[103][104] Среди самых старых остатков форм жизни, прозводивших кислород, являются ископаемые строматолиты.[103][104][105]

Сначала освобожденный кислород связывался известняками, железом и другими  минералами. Окисленное железо выглядит как красный слой в геологических  пластах и называется железистыми  формациями (англ.). Эти слои образуются в изобилии в течение сидерийского периода (между 2500 и 2300 млн лет назад).[2]:133 Когда большая часть свободных минералов окислилась, кислород, наконец, начинает накапливаться в атмосфере. Хотя каждая клетка производит только незначительное количество кислорода, однако объединенный метаболизм многих клетках в течение длительного времени преобразует атмосферу Земли в её современное состояние. Это была третья земная атмосфера.[106]:50–51[64]:83–84,116–117

Под воздействием ультрафиолетового излучения некоторое  количество кислорода преобразуется  в озон, который собирается в слой вблизи верхней части атмосферы. Озоновый слой поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения, который когда-то свободно проходил через атмосферу. Это позволило клеткам колонизировать поверхности океана и в конце концов землю. Без озонового слоя ультрафиолетовое излучение бомбардировало бы сушу и море и вызывало бы неустойчивый уровень мутаций в клетках.[107][62]:219–220

Фотосинтез  вызвал ещё один важный эффект. Кислород был токсичен, и многие формы жизни  на Земле, вероятно, вымерли когда  уровень кислорода резко вырос  в так называемой кислородной  катастрофе. Устойчивые формы выжили и процветают, а некоторые развили  способность использовать кислород, усилив свой метаболизм и получая  больше энергии из того же объёма пищи.[107]

Земля-снежок[править | править исходный текст]

Основная  статья: Земля-снежок

В результате естественной эволюции Солнце давало все больше света в архее и  протерозое, светимость Солнца повышается на 6 % каждый миллиард лет.[62]:165 В результате Земля стала получать больше тепла  от Солнца в протерозое. Тем не менее, Земля не нагревается. Вместо этого  геологические записи показывают, что  в начале протерозоя Земля значительно  охлаждается. Ледниковые отложения, найденные  в Южной Африке, датируются 2,2 млрд лет, а данные палеомагнитных (англ.) измерений указывают на их положение  в районе экватора. Таким образом, оледенение, известное как Гуронское  оледенение, возможно, было глобальным. Некоторые ученые предполагают, что  это и последующие протерозойские ледниковые периоды были настолько  серьёзными, что планета была полностью  заморожена от полюсов до экватора. Эта гипотеза называется Земля-снежок.[108]