25.04.2018

Карбонатные породы в связи с палеоклиматологией и биогеохимической историей планеты


Фэйрбридж рассматривает карбонатные породы как климатические индикаторы начиная от современного периода и прослеживая разные этапы геологической истории. Петрологи привыкли иметь дело с «минеральными термометрами» для определения температур метаморфических и магматических процессов. Кальцит, арагонит и сходные карбонаты точно так же можно использовать для определения температур древних низкотемпературных обстановок; степень точности таких определений можно увеличить посредством использования отношений некоторых элементов (Ca/Mg, Sr/Ca, Ca/Fe/Ti).

Степень воспроизводимости результатов определения уменьшается для все более древних отложений, так как имеется большое число независимых переменных. Например, для кембрийского времени не известны диаметр Земли, продолжительность дня, соленость, щелочность и величина pH морской воды; почти ничего не известно об экологических особенностях организмов, преобладавших в морях этого периода. Такие пробелы в нашем знании могут легко создать атмосферу уныния среди исследователей, однако в действительности имеется много таких аспектов, в которых опытный геолог довольно прочно может полагаться на свою интуицию. Ему известны пределы метаболической толерантности организмов и поля устойчивости многих аутигенных минералов, например эвапоритов. Можно точно определить, что в течение последних 3 млрд. лет средняя температура у поверхности Земли изменялась в пределах 20 ± 10° С. Геолог может также с большой достоверностью оценить некоторые другие параметры осадочной обстановки по палеонтологическим остаткам, определяя условия существования организмов (сидячие или нектонные, бентонные или пелагические) путем изучения их соответствующих плавательных, летательных или прикрепительных аппаратов и литофациальных особенностей вмещающих осадков. Результаты исследования каждым методом позволяют сделать определенный вывод. Затем на основе этих выводов может быть создана «общая картина» и могут быть точно определены некоторые ключевые индикаторы.

Большой философский и практический интерес представляет установление ряда критических периодов крупных биогеохимических революций в истории планеты. Эти критические стадии появились отнюдь не в результате вмешательства сверхъестественных сил. Никто не отказывается от основ методологии актуализма или принципов униформизма; прошлое продолжают изучать на основе современных процессов и методов, хотя это изучение уже требует нового динамического подхода. Наша планета — член Солнечной системы, подчиняющийся законам небесной механики, — претерпевает постоянную эволюцию во времени. Кроме того, эта эволюция периодически осложняется относительно небольшими изменениями в соотношениях масс и энергетическими вспышками, многие из которых астрономы могут предсказать и оценить заранее, если еще не количественно, то хотя бы качественно.

Характер накопления карбонатов на ранних этапах геологической истории можно оценить двумя способами: а) выбрать рабочую модель протопланеты и мысленно проследить наиболее вероятные этапы ее эволюции и б) взять известные параметры современных обстановок и применить их для изучения древних обстановок. Эту оценку двумя способами можно постоянно взаимно контролировать и сравнивать. Многие авторы уже предлагали ряд рабочих моделей Земли — Дели, Куэнен, Конвей, Руби, Ури, Холланд, Руттен, Фишер, Беркенер, Маршалл и др. В отношении общего характера Земли на самых ранних стадиях развития и постепенной эволюции гидросферы и атмосферы из N2, O2 и GO2 сейчас мнения многих ученых в общем совпадают. В свете этих представлений Фэйрбридж использует карбонаты для характеристики переломных моментов в эволюции Земли, которые были названы «биогеохимическими революциями». Выделяются следующие революции:

Революция I. «Возникновение Жизни на Земле» (около 3,8 ±0,3*10в9 лет назад). Об этом событии известно на основании обнаружения известь-выделяющих водорослей в Булавейской серии доломитов, изотопный анализ которых указывает возраст более 2,7*10в9 лет; подобные сине-зеленые водоросли, известные в настоящее время, находятся на довольно высокой стадии эволюционного развития, и как отмечал Элсэссер на симпозиуме Национальной Академии наук, даже самые простые современные организмы выделяют свыше 2000 энзимов.

То, что мы называем Первой Жизнью, вероятно, появилось значительно позднее того момента, когда возникли первые энзимы. Первая жизнь рассматривается как появление первых самовоспроизводящих органических молекул, возможно вирусного типа. Полагают, что на этом этапе состав атмосферы был близок к составу, предполагаемому гипотезой Шмидта — Ури: GH4, NH3 и H2O со следами других компонентов, особенно H2O. Протоокеан характеризовался восстановительными условиями, а эрозия ограничивалась по существу механическими процессами. Постепенно из вулканических газов на поверхность Земли поступало все больше Н2O с CO2, SO2 и HCl.

Революция II. «Первый фотосинтез» (около 2,9 ± 0,2*10в9 лет). Начало использования CO2 для фотосинтеза с образованием O2 в качестве побочного продукта, несущего огромный запас жизненной энергии. В начале фотосинтеза весь свободный кислород расходовался на окисление минералов на земной поверхности. Из-за отсутствия мощной атмосферной оболочки, как считают Беркнер и Маршалл, проникающая ультрафиолетовая радиация приводила к расщеплению большей части молекул O2 около их источника и образованию озона у поверхности Земли. Так как озон представляет собой сильный окислитель, он способствовал быстрой замене восстановительной обстановки на поверхности Земли окислительной. В это время повсюду в мире образуются отложения SiO2 — Fe2O3 (железистых кварцитов), которые уже никогда не появлялись снова в таких больших масштабах.

Революция III. Появление «Первых организмов с карбонатными раковинами» (около 6 ±0,3*10в8 лет) долгое время считается одной из самых больших загадок геологической истории. Предполагают, что докембрийская атмосфера была богаче СO2 (вследствие интенсивной вулканической деятельности), тогда как PО2 возрастало очень медленно. Некоторые авторы полагают, что в течение этой революции PО2 достигло «Уровня Пастера» (1% современного PО2 в атмосфере). Если в это время значения pH морских вод изменились с кислых на щелочные, то образование первых раковин организмами было вызвано затруднениями в удалении щелочных продуктов отхода из их флюидов в окружающую среду с высокой ионной силой и высокой щелочностью. Показательно в этом отношении изучение образования панцирей ракообразных и энзимного контроля pH флюида организмов в течение линьки.

Революция IV. «Великая Каменноугольная эпоха» (около 2,5 ± 0,3*10в8 лет) представляет собой кульминационный момент палеозойской истории, в течение которой непрерывное мощное извлечение карбонатов из океана в виде известняков сменилось угленакоплением в карбоне и перми (угленакопление в последний период типично для Южного полушария). В результате произошло понижение PСО2 и увеличение PО2 до такого предела, который уже благоприятствовал развитию в течение мезозоя млекопитающих и наземных рептилий. Руттенпредположил, что этот высокий уровень O2 был необходим также для дыхания и метаболизма крупных крылатых насекомых позднего палеозоя, так, например, размах крыльев летающего дракона достигал 3 футов и более.

Революция V. Пятая революция, знаменуемая всемирным появлением пелагических фораминифер и кокколитофоридов (около 1,0 ± 0,2*10в8 лет), представляет собой последний из перечисленных великих переломных моментов в истории Земли. Как отмечает Куэнен, это событие привело к смещению центра тяжести накопления карбонатов с шельфов к океаническим бассейнам (к участкам, расположенным выше «компенсационной глубины карбоната кальция»). Начиная с мелового времени карбонаты вместо того, чтобы откладываться в мелководных эпиконтинентальных бассейнах и подвергаться частично постоянному переотложению, накапливаются и сразу же более или менее непрерывно погребаются. По-видимому, меловой океан должен был быть более насыщенным или пересыщенным в отношении CaCO3, чем в настоящее время. Химическое осаждение CaCO3 приводит к высвобождению CO2 (из иона бикарбоната), а в течение кайнозоя воды океана, по-видимому, стали несколько более щелочными, а также более холодными. Так как скорость кругооборота CaCO3 очень высока (он может быть полностью обновлен примерно в течение 1 млн. лет), то почти нет шансов на возврат кислого океана. Возросшее содержание CO2 в атмосфере вследствие поступления продуктов сгорания промышленного топлива также не сможет реализовать эту возможность, так как на дне океана имеются более чем достаточные запасы известняка, чтобы нейтрализовать любой избыток CO2.

В заключение отметим, что из приведенного анализа можно вывести весьма ценное «поучение». Оно заключается в том, что основательное понимание природы биологического метаболизма является существенным моментом в подготовке мыслящего геолога. Без ясного понимания природы метаболических пределов, фотосинтеза, процесса обызвестковывания раковины, флюидов организмов, осмотических явлений, энзимов, генетических и других аспектов живущих организмов история развития земной атмосферы, океана и осадконакопления кажется набором случайных событий. Поскольку жизнь, несомненно, существует в неорганической среде, а органическая эволюция определенно влияла на физико-химическую обстановку, то сама среда представляет собой продукт биологической деятельности.





Яндекс.Метрика