Геохимическая эволюция атмосферы и вод океана в докембрии

По существующим представлениям, наиболее полно изложенным в работах А. П. Виноградова и Н. М. Страхова, возникновение атмосферы и гидросферы Земли определялось дегазацией вещества мантии и последующей конденсацией паров на ее поверхности. Этот процесс, продолжающийся и поныне, протекал наиболее активно в первые периоды жизни Земли и не превышал по своей длительности, как справедливо отмечает Н. М. Страхов, 500 млн. лет. Поэтому, по-видимому, нет оснований предполагать, что в раннем докембрии, с которого мы можем реально проследить жизнь планеты, происходили какие-либо существенные изменения объема и состава вод океана. Первоначально кислотный состав вод океана, насыщенных HF, HCl и другими кислыми возгонами, видимо, достаточно быстро был нейтрализован вмещающими породами. Иначе обстояло дело с атмосферой, имевшей на первых порах восстановительный характер, содержавшей СO₂, СН₄, NH₃, H₂.

Явно замедленный темп выветривания пород основного состава в самом раннем докембрии, присутствие в составе детрита базальных толщ среднего докембрия окатанной гальки сульфидов, уранинитов - 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 геологической истории, по данным А. Энгеля, в гренвильских формациях в виде первичных скоплений гипса и ангидрита.

Явления фотодиссоциации в верхних слоях атмосферы приводили к образованию количеств кислорода, несоизмеримых с массой атмосферы, поэтому процесс преобразования аммиака в азот, окисление метана протекало достаточно медленно. Свободный кислород в атмосфере присутствовал в небольших количествах.

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

Предшествующие осадки также в ряде участков планеты были представлены весьма сходными по составу отложениями - конгломератами и песчаниками с впервые появившимися в геологической истории следами органического вещества - первыми признаками свободного кислорода в атмосфере. По-видимому, именно количественное возрастание свободного кислорода в атмосфере в результате фотосинтеза привело к последующему массовому выпадению гидроокислов железа на значительных площадях среднедокем-брийских бассейнов.

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

В результате устойчивого появления свободного кислорода в атмосфере резко возросла концентрация углекислоты, вызвавшая массовое образование карбонатных толщ в конце среднего докембрия. Тесно связанная с этим эволюция хлоридно-солевого остатка океанической воды в хлоридно-карбонатный, по Н. М. Страхову, свидетельствовала об уменьшении роли вулканических эксгаляций и о возрастающем значении процессов выветривания. Характерно, что в результате грандиозного вулканизма на рубеже среднего и верхнего докембрия произошло угасание роли карбонатных фаций в начале верхнего докембрия, что свидетельствовало об очередном изменении атмосферы.

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 рифее в хлоридно-сульфатные, не способствовавшие переносу таких элементов, как железо, марганец.

О характере атмосферы и вод древнего океана можно судить на основании исследований А. И. Тугариновым и В. М. Гриненко изотопного состава серы осадков базальных и верхних свит нижнего протерозоя (среднего докембрия) Криворожья и КМА (рис. 91). Полученные ими данные свидетельствуют о ничтожном фракционировании серы в начале среднего докембрия, определявшемся, вероятно, весьма незначительным содержанием сульфатов в океанической воде и соответственно свободного кислорода в атмосфере. К концу среднего докембрия фракционирование изотопов серы в сульфидах осадков при восстановлении серы из сульфатов океанической воды достигло современного уровня. Иначе говоря, появление свободного кислорода в атмосфере, по-видимому, относится к глубокому докембрию.

Рис. 91. Эволюция изотопного состава свинца и серы в раннем и среднем докембрии на примере типоморфного разреза Центральной Украины