Позднепалеозойская история

Позднепалеозойский (герцинский) этап развития Земли включает три периода: девонский, каменноугольный и пермский - общей продолжительностью 170±10 млн. лет. Так же, как и ранний палеозой, поздний делится не только на периоды и эпохи, но и на века, отложения которых установлены практически на всех континентах.

Платформы растут. В геологическом отношении события позднепалеозойской истории сыграли важную роль в развитии Земли. Это выразилось в новом, очень значительном увеличении территории платформ.

В начале девона (400 млн. лет назад) докембрийские платформы и каледонские области испытывают, как правило, регрессию моря, которая началась еще в позднем силуре. В дальнейшем в среднем, позднем девоне и карбоне море неоднократно трансгрессирует на платформы и вновь отступает. Обычно платформенные морские бассейны носили мелководный характер. В них осаждались пески, глины, карбонатные илы. Последние часто целиком состояли из раковин беспозвоночных организмов, населявших позднепалеозойские океаны. В прибрежных районах платформ формируются угленосные осадки.

Докембрийские платформы испытывают сложные и разнонаправленные вертикальные движения, усилившие контраст между щитами и плитами, антеклизами и синеклизами. Территория плит, как правило, увеличивается. Так, например, значительно возросли размеры Русской плиты за счет вовлечения в прогибание соседних областей Балтийского и Украинского щитов. Растет и общая мощность осадочного чехла.

Каледонские области в начале позднего палеозоя (девонский период) обладали, в отличие от докембрийских платформ, четко выраженным горным рельефом. В межгорных впадинах накапливались мощные толщи красноцветных конгломератов с прослоями вулканических пород. Постепенно рельеф сглаживается, и в позднем девоне и в карбоне уже отлагались нормальные морские осадки.

В геосинклиналях в начале девона формировались грубообломочные породы (конгломераты), которые позднее сменялись песчано-глинистыми и карбонатными отложениями. В каменноугольном периоде сохранились условия для накопления чередующихся песчано-глинистых и карбонатных пород. Среди них в большом количестве встречаются прослои каменного угля. Во многих местах геосинклиналей в девоне и в карбоне интенсивно проявлялся вулканизм. В некоторых районах, например на Урале, метаморфизованные вулканические и кремнистые осадочные породы преобразовались в яшмы, слюдистые сланцы. Мощность отложений, накопленных в геосинклиналях, достигает 15 - 20 км.

В середине каменноугольного периода земная кора начинает испытывать новую волну складкообразовательных движений - герцинский тектогенез. Это была очень важная тектоно-магматическая эпоха в геологической истории Земли, проявившаяся на огромных территориях. На месте многих геосинклиналей возникают горы, поднятие испытывают и платформы. В пермский период всеобщее воздымание усиливается, и море почти повсеместно регрессирует. Пермский период - это время широкого развития суши: низменной на платформах и гористой в геосинклиналях. В связи с этим в Перми чаще всего накапливаются обломочные отложения с прослоями эффузивных пород в геосинклиналях. Важной особенностью пермского времени явилось формирование во многих местах земного шара каменной соли, причем мощность этих осадков достигает иногда 3 - 4 км. Соленосные образования пермского возраста известны на Восточно-Европейской платформе (Прикаспийская синеклиза), на севере Европы (Северо-Германская впадина), в Северной Америке (свита Биг-Блю).

Многие геосинклинали в результате позднепалеозойских фаз диастрофизма прекращают свое развитие и трансформируются в эпигерцинские платформы. Общая территория платформ при этом резко возрастает (рис. 12). Впервые в геологической истории Земли между возникшими герцинскими горными сооружениями и уже существовавшими докембрийскими платформами образуются узкие лентообразные прогибы, получившие название краевых, или передовых, прогибов. Наиболее крупные из них возникли на границе Урала и Восточно-Европейской платформы и на границе Аппалачей и Североамериканской платформы. Появление передовых прогибов знаменует качественно новые особенности геологической истории Земли.

Рис. 12. Схема современного положения герцинид. 1 - эпигерцинские платформы: 1 - Аппалачская, 2 - Южно-Американская или Патагонская, 3 - Западно-Европейская, 4 - Урало-Тяньшанская, 5 - Монголо-Охотская, 6 - Северо-Африканская или Антиатласская, 7 - Южно-Африканская или Капская, 8 - Восточно-Австралийская; 2 - области более ранней консолидации; 3 - передовые прогибы: А - Предаппалачский, Б - Предуральской

Образование эпигерцинских платформ значительно сократило территорию геосинклиналей. Герциниды в некоторых случаях явились своеобразным мостом между докембрийскими платформами. По мнению Б. Хизена и С. Кэри, в позднем палеозое платформенные массивы, образовавшие континенты, занимали до 80% поверхности суши Земли. Геосинклинальный режим сохранился в Средиземноморье, на Востоке Сибири, на западе Северной и Южной Америки.

Обновление животного мира. Рубеж между ранним и поздним палеозоем явился вехой в эволюции животных и растений. Одни представители животных вымирают, другие резко сокращают свое жизненное пространство и численность, на смену им появляются совершенно новые представители органического мира. Так, значительно сокращается (а в дальнейшем полностью вымирает) фауна трилобитов. Если в силуре насчитывалось 80 родов с 1200 видами, то в девоне сохранились лишь 11 родов с 105 видами. Еще более жесткая участь постигла граптолитов; из 32 силурийских родов в девоне сохранился лишь один род. Резко сократилось количество некоторых представителей иглокожих, наутилоидей, кораллов.

Из беспозвоночных наибольшего расцвета в позднем палеозое достигли брахиоподы, количество родов которых исчислялось многими сотнями (рис. 13, в, г). Развивались спирально закрученные головоногие моллюски (аммониты), простейшие, древние морские ежи, морские лилии, четырехлучевые и трубчатые кораллы. Широкое развитие в морях и океанах получают рыбы, в прибрежных лагунах - ракоскорпионы. Во второй половине позднего палеозоя на сушу выходят первые животные - земноводные, а в дальнейшем континенты завоевывают представители класса пресмыкающихся (рептилии).

Рис. 13. Некоторые характерные представители позднепалеозойской фауны. Панцирная рыба девона Птерихтус (а); пермская амфибия Какопс (б), брахиоподы: Циртоспирифер дизъюнктус (в), Пентамерус башкирикус (г)

В растительном мире также произошли серьезные изменения. Если в океанах и морях господство сохраняется за водорослями (синезелеными, багряными, харовыми), то на суше главенствующую роль начинают играть высшие растения: псилофиты, плауны, хвощи, папоротники. Поздний палеозой явился временем активного наступления на материки не только животных, но и растений. Однако процесс завоевания суши происходил постепенно.

Обновление животного мира, по мнению ученых, явилось следствием геологического преобразования Земли. Активные тектонические движения каледонской тектоно-магматической эпохи в конце раннего палеозоя вызвали образование во многих местах земного шара горных систем, резко сократились площади океанических бассейнов, изменилась циркуляция воздушных масс, климат стал засушливее, континентальнее. Столь существенное изменение ландшафта суши и перераспределение морских бассейнов планеты, по-видимому, оказало решающее влияние и на развитие животных и растений. Таким образом, смена условий существования на рубеже раннего и позднего палеозоя повлекла за собой и смену фауны и флоры.

Девон - век рыб. Ландшафт девонского времени мало чем отличался от силурийского пейзажа. В начале девонского периода континенты были заселены псилофитами лишь в прибрежных заболоченных районах, животные полностью отсутствовали. Основные события органической жизни происходили в океанах, где господствовали рыбы.

Девон называют иногда веком рыб. Вначале это были так называемые пластинокожие, или "панцирные", рыбы. Своеобразный панцирь покрывал голову и переднюю часть туловища (рис. 13, а). Панцирные рыбы были хищниками, они имели челюсть с зазубренными костными пластинками. Объектом их питания были в основном ракоскорпионы. Превосходя их в маневренности и в силе, панцирные рыбы окончательно оттеснили ракоскорпионов в лагуны и в прибрежные пресные водоемы. В середине девона появляются первые костные рыбы, разделившиеся в процессе эволюции на три ветви: лучеперые, кистеперые и двоякодышащие. В девоне преобладали кистеперые - хищные рыбы с сильными зубами. От лучеперых произошли современные акулы и скаты. Двоякодышащие рыбы известны своей способностью жить в засушливых условиях.

Долгое время считалось, что все представители древних девонских рыб вымерли и сохранились до наших дней лишь в ископаемом виде. В 1952 г. у побережья Южной Африки и у берегов Мадагаскара был обнаружен живой представитель кистеперых рыб - целакант, почти не отличавшийся от своих древних предков. У целаканта были сильные плавники, которые выполняли функцию ног. Тем самым было подтверждено, что именно кистеперые дали начало амфибиям - первым позвоночным животным, приспособившимся к жизни на суше.

В позднем девоне от кистеперых рыб произошли стегоцефалы ("крышеголовые"), относимые к земноводным животным - амфибиям (рис. 13, б). Это были первые четвероногие обитатели суши. Во многом жизнь стегоцефалов была связана с водой. Они размножались и выводили личинки в воде, подобно своим дальним потомкам - современным лягушкам и саламандрам. Стегоцефалы имели сплошную костную крышу черепа, вели хищный образ жизни, питались в основном рыбой.

В конце девона на суше появляются первые пауки и клещи. Намечается, таким образом, своеобразная "трансгрессия" животных на материк.

Во второй половине девона от псилофитовидных растений происходят плауновидные, папортниковидные. В позднем девоне псилофиты почти все исчезают и континенты захватывает археоптерисовая флора, названная так по преобладанию в ней папоротника археоптериса. Кроме плаунов и папоротников, в состав этой флоры входили также и первые семенные растения. Флора девонского времени приспосабливается к воздушной среде, к увеличению в воздухе содержания кислорода. У растений появляется кожица с устьицами - приспособление, предохраняющее их от высыхания. Тело растений дифференцируется на стебель, корни и листья, выполняющие различные функции.

Дремучие леса карбона. В каменноугольном периоде создались чрезвычайно благоприятные условия для развития наземной растительности. Теплый влажный климат господствовал на значительных пространствах земного шара. В атмосфере резко увеличилось содержание кислорода. Изобилие осадков приводило к заболачиванию громадных территорий, которые покрывались дремучими лесами, состоящими из гигантских древовидных - плауновых, хвощей и папоротников (лепидодендроны, сигиллярии, каламиты). Стволы деревьев до 30 - 40 м в высоту и до 2 м в поперечнике обвивали вьющиеся лианообразные растения с гибкими стеблями и колючками-крючками, цеплявшимися за стволы и сучья. В лесах карбона появились и первые голосеменные растения. По своей непроходимости каменноугольные леса были подобны современным мангровым зарослям болотистых тропических побережий. Густое сплетение сучьев и стволов деревьев создавало сумеречные дебри.

Душная, насыщенная тяжелыми запахами атмосфера царила в каменноугольных лесах. Травянистая растительность с мясистыми листьями и яркими крупными цветами, отмирая, формировала мощные залежи торфа. Под давлением вышележащих пород и повышенной температуры они преобразовывались сначала в бурые, а затем в каменные угли и антрациты. В условиях болот и озер чаще возникали бурые угли (лимническое угленакопление), тогда как в прибрежно-морских районах обычно формировались каменные угли и антрациты (паралическое угленакопление).

Резкое увеличение растительной биомассы на континентах привело к усиленному потреблению углекислоты из атмосферы. Частично она превращалась в углерод, накапливавшийся в органическом веществе, частично в свободный кислород, уходивший в атмосферу. Увеличение содержания в атмосфере кислорода способствовало усилению процессов химического выветривания, в частности, окислению различных минералов.

Широкое развитие теплолюбивой и влаголюбивой флоры характерно для раннекаменноугольной эпохи, та флора получила название антракофитовой. В среднем и позднем карбоне антракофитовая флора дифференцируется на вестфальскую, тунгусскую и гондванскую. Первая сохранила особенности тропической флоры раннего карбона. Тунгусская флора присуща умеренным климатическим зонам и представлена кордаитовыми растениями и папоротниками. Гондванская флора еще более бедная по разнообразию видов, чем тунгусская. Для нее характерны травянистые хвощевидные, кордантовые и глоссоптериевые растения, произрастающие в более холодном климате, чем представители тунгусской флоры.

Леса карбона были заселены земноводными - стегоцефалами и саламандрообразными животными. Они вели малоподвижный образ жизни, часами лежали на дне болот и озер, высунув из воды лишь кончик носа, выжидая добычу. В каменноугольный период появляются первые пресмыкающиеся - котилозавры, сохранившие сплошную крышку черепа, как и земноводные. Пресмыкающиеся (рептилии) уже имели две важные особенности: роговой покров, предохраняющий тело от высыхания, и способность откладывать на суше яйца с плотной оболочкой и большим количеством желтка. Таким образом, связь с водой у позвоночных становится еще более слабой, они лучше приспосабливаются к наземному образу жизни.

Господство по количеству видов на материках в карбоне захватывают насекомые - многочисленные паукообразные, скорпионообразные, стрекозы, таракановые к др. Начиная с этого времени насекомые, относящиеся к типу членистоногих (к тому же типу, что и трилобиты), прочно доминируют на Земле как по количеству видов, так и по общему количеству особей. На долю членистоногих приходится 86% от общего количества всех видов животных, а на долю только насекомых 80%! В настоящее время на одного человека приходятся 250 млн. насекомых. Поистине Земля - планета насекомых. В некоторых же случаях эти мелкие представители членистоногих образуют огромные стаи, как, например, саранча. Ученые подсчитали, что отдельные стаи саранчи весят столько же, сколько могут весить медь, свинец и цинк, добытые человеком за 100 последних лет. Однако никогда в истории Земли насекомые не достигали таких гигантских размеров, как в карбоне. Стрекозы имели размах крыльев до 100 см, тараканы достигали 50 см в длину.

В морях и океанах каменноугольного периода происходят небольшие изменения по сравнению с девонским временем. Преобладают брахиоподы (в особенности представители отрядов спирифериды и продуктиды), головоногие моллюски, иглокожие (морские лилии и морские ежи). Среди рыб сокращается количество акантод и увеличивается число лучеперых.

Необычайно интенсивно развиваются морские простейшие организмы. Размеры некоторых из них, например фузулинид, достигают до 1 - 2 см, тогда как обычно они измеряются долями миллиметра. Фузулиниды, так же, как и другие представители отряда фораминифер, принимают существенное участие в образовании органогенных известняков каменноугольного возраста. В этих известняках впоследствии накапливались залежи нефти и газа. Представители простейших и брахиопод являются руководящей фауной для карбона.

Ледники в Африке. В позднем палеозое наряду с областями теплого тропического климата существовали и полярные зоны. Широкое развитие материковых ледников в позднем палеозое (средний, поздний карбон) достоверно установлено на юге Африки, в Австралии, Индии, Южной Америке, Антарктиде. Причем по характерным штрихам, бороздам, царапинам, которые оставляют ледники на горных породах при движении, по особенностям расположения моренных отложений можно восстановить направление движения позднепалеозойских ледников. Считают, что существовало несколько центров оледенения, где зарождались ледники и откуда они начинали движение.

В некоторых случаях создается впечатление, будто центры оледенения находились вне современных материков. Так, в Южной Африке, в районе г. Дурбан, штриховка на поверхности горных пород указывает на то, что льды двигались со стороны современного Индийского океана. Это говорит в пользу существования единого суперконтинента Гондваны в позднем палеозое. В этом случае центр оледенения мог быть расположен в прилегавшей непосредственно к югу Африки Антарктиде, Правда, имеются иные суждения. Французский геолог П. Фурмарье считает, например, что гипотетический центр оледенения, откуда надвигались ледники на район г. Дурбан, отделен в настоящее время от Африки глубинным разломом и скрыт под водами Индийского океана.

Оледенение позднего палеозоя было грандиозным. Судя по мощности накопленных морен (до 300 - 600 м), можно предположить, что центральные области Гондваны в карбоне были покрыты ледяным панцирем, толщина которого могла достигать 5 - 6 км. Периодически ледники частично таяли. В толщах хаотических моренных отложений появляются в такие периоды прослои ленточных глин. Причины позднепалеозойского оледенения многие ученые видят в ином расположении полюсов (южный полюс, например, располагался на юге Африки), в иной циркуляции воздушных масс и в относительно высоком гипсометрическом положении Гондваны над уровнем моря (известно, что чем выше мы поднимаемся, тем становится холоднее; в среднем на 1000 м подъема температура понижается на 3 - 5°C).

На рис. 14 изображена реконструированная палеогеографическая схема земного шара каменноугольного периода (около 300 млн. лет назад). Косой штриховкой выделены области тропического климата, для которых характерны антракофитовая и вестфальская флоры. В основном тропики тогда проходили вдоль северных и северо-восточных берегов субширотного океана Тетис, охватывая современные районы Европы, частично Средней Азии, запад Северной Америки, севера Африки, севера и запада Южной Америки, предполагаемое положение экватора в то время показано на рисунке тонкой сплошной линией. Точками на рисунке выделены области оледенения. Они располагались в центре Гондваны. Стрелки указывают направление движения ледников. Площадь позднепалеозойского оледенения была необычайно велика. Это породило сомнение в возможности существования таких грандиозных ледников. Некоторые ученые считают даже, что на Земле не хватило бы воды для формирования столь огромных ледниковых масс. Несомненно одно: в позднем палеозое существовала четко выраженная климатическая зональность. Области полярного климата сменялись умеренным климатическим поясом, который в свою очередь переходил в тропический пояс.

Рис. 14. Палеогеографическая схема каменноугольного периода. По Д. Тэрлингу и М Тарлинг (1973)

Пермские рептилии. Значительное изменение климата на Земле произошло в пермский период. Активные тектонические движения герцинской эпохи диастрофизма, начавшие проявляться уже в среднем карбоне, привели в начале позднего карбона к завершению геосинклинального режима развития во многих районах земного шара. На месте геосинклиналей вырастают горные хребты. Урал, Западная Сибирь, Средняя Азия, Западная Европа, восток Северной Америки, восток Австралии - все это были молодые горные страны, возникшие в каменноугольном периоде. Моря, затоплявшие прежде эти территории, регрессируют, освобождая огромные пространства, или мелеют, превращаясь в гигантские лагуны. Характерной чертой пермского времени является накопление континентальных обломочных пород, имеющих красный цвет, и хемогенных лагунных отложений (каменная соль, гипс, ангидрит, доломит).

Сокращение морских бассейнов и резкое увеличение гористой суши повлияло на климат в сторону усиления его континентальности. Пышные леса карбона, не получая достаточной влаги, постепенно вырождаются, уступая место жарким пустыням. В связи с этим в поздней перми резко меняется флора: сокращается количество влаголюбивых хвощей, папоротников, плаунов, шире распространяются голосеменные растения - хвойные, цикадовые и гингковые, которые приспособились к существованию в засушливых условиях.

Значительные изменения происходят и в животном царстве. На суше земноводные постепенно отступают под напором рептилий. Амфибии продолжают развиваться в тропических областях (некоторые районы Северной Америки, ю. Европы, Юго-Восточная Азия). Многие амфибии приспосабливаются к жизни в дельтах рек, в лагунах и даже в более сухих местах. Рептилии, которые не нуждались в воде при размножении, захватывают в первую очередь пустынные, полупустынные и степные пространства.

Развитие наземной фауны позвоночных шло, по-видимому, в нескольких сравнительно обособленных центрах. Одним из таких центров считают Северную Америку (Техас), откуда известны богатейшие находки ранне-пермских амфибий (стегоцефалов) и рептилий. Последние были более разнообразны. Кроме типичных рептилий, среди них обнаружены примитивные пресмыкающиеся (котилозавры), имеющие некоторые сходные черты со стегоцефалами. Особенности захоронения этих животных указывают на то, что пермская фауна Техаса обитала в основном по берегам небольших озер, болот, рек, где обильная травянистая растительность давала пищу крупным травоядным рептилиям.

Другим возможным центром развития пермских позвоночных считают Южную Африку. Здесь обнаружены остатки котилозавров, териодонтов и дицинодонтов. Котилозавры - травоядные массивные животные, достигавшие 3 м в длину; их кожа была покрыта характерными роговыми выростами, создававшими своеобразный защитный панцирь.

Распространение рептилий из центров возникновения происходило по двум основным путям: из Северной Америки через Западную Европу до современного Урала, а из Южной Африки на северо-восток через Индию и Среднюю Азию в Восточную Европу и Великобританию и на юго-запад - в Южную Америку. В пределах СССР аналогичная фауна обнаружена в районах р. Северной Двины (комплекс фауны сходный с североамериканской) и в районах г. Тетюши и г. Очеры (комплекс фауны, тождественной южноафриканской).

В морях и океанах пермского времени также происходят существенные изменения. Если в течение всего пермского периода продолжают развиваться фузулиниды, губки, головоногие моллюски, кораллы, то конец перми для многих из них явился роковым рубежом. Выбирают фузулиниды, некоторые кораллы (табуляты, четырехлучевые кораллы), некоторые головоногие моллюски из наутилоидей и аммоноидей, некоторые иглокожие. Полностью вымирают также акантоды, древние лучеперые рыбы, палеозойские группы кистеперых и двоякодышащих рыб. Резко сокращается количество хрящевых рыб. Таким образом, конец позднего палеозоя, ознаменовавшийся образованием новых эпигерцинских платформ, отличается также и значительным обновлением флоры и фауны, что опять-таки явилось прямым следствием изменения геологической и географической обстановок в конце палеозоя.