Экзогенные и биогенные процессы в геологической истории докембрия
В геологической науке давно сложился определенный подход к анализу геологических процессов с рассмотрением того, как изменился тот или иной процесс во времени, трансформировались ли определяющие его факторы, условия течения, видоизменялся ли характер самих формировавшихся при этом образований.
Мы хотели бы остановиться на понимании сущности широко употребляемого термина «эволюция» и на вытекающих из этого методологических проблемах. В настоящее время в анализе эволюции процессов выветривания в геологической истории Земли явно довлеет подход, сформировавшийся в давние годы, когда еще отсутствовала радиогеохронологическая основа оценки длительности геологических процессов на Земле. Естественно, что на вооружении геологической науки при отсутствии метода, позволяющего устанавливать длительность геологической истории, была концепция так называемой быстрой, или короткой, эволюции геологических процессов, в том числе экзогенных процессов и процессов выветривания.
В этой связи весьма интересными кажутся изменения наших представлений о временных отрезках, которые «отводились» геологами для эволюционных изменений экзогенных образований.
Рассмотрим для примера три этапных события в становлении этих представлений.
1. Международный геологический конгресс, Москва, 1937 г. Это событие представляется нам весьма важным, потому что, во-первых, на конгрессе были представлены материалы, отражавшие основные достижения в геологии того времени, и, во-вторых, 1937 год был кануном массового получения данных абсолютного возраста, т. е. кануном принципиально нового этапа.
2. Международный симпозиум «Земная кора» («Crust of the Earth»), Балтимора, 1955 г., который сыграл важную роль в развитии наших представлений о земной коре, так как ко времени его проведения накопилось уже достаточно много новых геохронологических датировок по древнейшим породам Земли.
3. Международный симпозиум «Корреляция докембрия», Москва, 1975 г., который отразил современный уровень знаний в рассматриваемой области.
Напомним, что на всех этих представительных форумах было постулировано, что в так называемое «в полной мере актуалистическое» фанерозойское время экзогенные процессы протекали «нормально», т. е. в условиях, близких к современным, и примерно сходно на протяжении всего временного интервала.
Всего лишь к началу 40-х годов при практически полном отсутствии геохронологической основы представлялось, что вся эволюция седиментогенеза (а кстати, и эволюция органического мира) «должна была» уложиться в пределы протерозоя, причем, вероятнее всего, позднего. Длительность докембрия была определена в то время О. Баклундом в 1500 млн. лет.
К середине 50-х годов (второй этап) осадочные породы уже были установлены на стратиграфическом уровне, отвечающем времени примерно 2700 млн. лет, а наиболее древние докембрийские даты (в то время не совсем подтвержденные) отодвинули ранние геологические события до рубежа в 3000 млн. лет.
В настоящее время (третий этап) возраст древнейших осадочных пород Земли определен в 3800 млн. лет, и, что очень важно, он вплотную приблизился к возрасту вообще древнейших горных пород земной коры — всевозможных гнейсов и гранитов. Ho, как показывают недавно выполненные исследования, и эти цифры, возможно, в ближайшее время будут пересматриваться, поскольку для первично-седиментогенных образований «основания» Капвальского и Родезийского кратонов в Юго-Восточной Африке и федоровской свиты на Алдане многие исследователи уже допускают абсолютный возраст седиментации 4000—4200 млн. лет.
Такова фактическая картина развития за последние 40 лет наших представлений о длительности времени, в пределах которого «должна была» осуществиться эволюция, в частности, эволюция экзогенных процессов в геологической истории Земли. Уже отсюда с очевидностью следует, что с моделью так называемой короткой эволюции, а следовательно, и с ожиданием контрастных, ярких эволюционных ступеней изменения экзогенеза следует расстаться и что напротив, следует развивать модель, если можно так сказать, длительной и значительно менее контрастной эволюции, приводя ее в соответствие с сегодняшними геологическими воззрениями.
Учет этого, а также учет хорошо известного круговорота воды и основных газов атмосферы в природе с участием живого вещества позволили Св. А. Сидоренко сделать заключение о том, что, вероятнее всего, «четвертная система» (земное вещество, выходящее на земную поверхность, гидросфера, живое и органическое вещество) создалась и функционировала как взаимосвязанная система уже по меньшей мере с уровня в 3,5 млрд. лет и оставалась примерно одинаковой по массе и составу на протяжении всей геологической истории нашей планеты. В последнее время этот вывод получил и весьма серьезное подтверждение с использованием данных изотопии.
Так, было установлено устойчивое постоянство среднего изотопного состава карбонатного (C12ср = 0,0%) и органического (C13ср = 27,0%) углерода на всем протяжении обозримого сегодня геологического времени. Это с несомненностью свидетельствует, во-первых, о том, что биологический цикл углерода существует уже с раннего докембрия, т. е. по меньшей мере 3500 млн. лет, во-вторых, о достаточно близком к современному стационарно-равновесном (в изотопном и геохимическом отношении) состоянии докембрийской системы «атмосфера — гидросфера — стратисфера — биосфера» и, в-третьих, о действенности самого экзогенно-метаморфогенного инверсионного механизма круговорота вещества в наружных оболочках Земли. Напрашивается логический вывод о том, что уже на самых ранних этапах геологической истории Земли возникли и активно протекали процессы выветривания и осадко-накопления на фоне существования достаточно развитой примитивной жизни.
Обратимся теперь непосредственно к проблеме кор выветривания в геологической истории Земли. Еще свежо в памяти то время, когда попытки поисков кор выветривания в докембрии вызывали у многих исследователей недоумение, которое касалось не только того, что коры выветривания могли, пусть в метаморфизованном виде, но сохраниться, сомнению же подвергалась сама возможность существования кор в докембрии. Нам кажется, что в то время мало кто задумывался над тем, что все главнейшие типы осадочных пород (глины, песчаники и карбонаты) — а эти породы, напомним, являются основными и в спектре осадочных пород докембрия — просто не имеют никакого другого соизмеримого с выветриванием и корами выветривания источника своего вещества. Так что это соображение априори доказывало возможность отыскания докембрийских кор выветривания, что и подтвердило время. Однако тот мысленный стереотип, который сложился еще в то время, когда «начало начал» геологической истории виделось «где-то рядом с кембрием», не позволил «сомневающимся» исследователям свыкнуться с мыслью, что уже вблизи этого «начала» существовало нечто актуалистическое и знакомое. Напомним еще раз, что в настоящее время это «начало начал» только согласно прямым датировкам уже отодвинуто за абсолютно-возрастной рубеж 3800 млн. лет.
Ныне установлено, что в докембрии коры выветривания пользовались достаточно широким распространением, причем их реликты сохранились по всей его стратиграфической шкале. Установлено также, что они особенно развиты на совершенно определенных возрастных уровнях и в первом приближении прослеживаются среди протерозойских и архейских образований всех континентов. Чрезвычайно важно то, что даже сохранившиеся фрагменты докембрийских кор выветривания обнаруживают принципиально зональное строение (или несут элементы этой зональности) и эта зональность очень близка к той, которая нам хорошо известна по корам выветривания фанерозоя. Сохраняется в докембрийских корах выветривания и та направленность химических и минеральных преобразований, которая устанавливается и по составу продуктов выветривания более молодого возраста.
Однако известны ли нам какие-либо черты, отличающие докебрийские коры выветривания от более молодых их аналогов? В чем проявляется специфичность докембрийских кор: в строении, составе, геохимии или в чем-то другом? Если говорить строго, то специфика таких кор пока еще не выявлена. Возможно, что это будет сделано в скором будущем.
В работах очень многих исследователей упоминаются две «особенности», которые, по мнению многих специалистов, определяют специфичность докембрийских кор выветривания. Первая из них заключается в более низком отношении Fe2O3 к FeO в докембрийском элювии, что связывают с предполагаемым более низким парциальным давлением кислорода в атмосферах докембрия. В качестве второй приводится несколько повышенное содержание в древнем элювии калия, что, по мнению большинства исследователей, является следствием отсутствия в докембрийское время наземной растительности, которая, как известно, поглощает большое количество калия, высвобождающегося при гидролизе.
Однако согласиться с приведенными доводами и признать, что в этом и выражена специфика выветривания в докембрии, ни в коем случае нельзя. Почти во всех без исключения случаях изученные коры выветривания докембрия были представлены фрагментами, сохранившимися в самых нижних (глубоких) горизонтах элювия. Уже по одной этой причине нельзя говорить о каких-либо химических особенностях докембрийских элювиальных образований, тем более в связи с поисками определенной зависимости между продуктами выветривания и составом докембрийских атмосфер. Что касается низкой величины соотношения окисного и закисного железа в остатках древнего элювия, то следует напомнить о столь же низких соотношениях окисного и закисного железа и в нижних горизонтах любых фанерозойских кор выветривания. Кроме того, следует также учитывать, что в процессе регионального метаморфизма это соотношение могло и, видимо, должно было еще более понизиться.
Обратимся теперь к «проблеме калия». Te же обширные данные по палеозойским, мезозойским и даже современным корам выветривания показывают, что в огромном числе случаев калий либо не выносится из нижней (да и средней) части профиля выветривания, либо даже существенно накапливается, вплоть до величин, характерных для «остатков» докембрийских кор выветривания. Даже в каолинитовых зонах ряда разрезов содержание K2O достигает иногда нескольких процентов.
Хотя наземная растительность действительно отсутствовала в докембрии, нет никакой необходимости связывать с этим фактом «невынесенность» из докембрийского элювия калия, потому что калий сообразно со своей растворимостью и физико-химическими процессами выветривания выносится из самых верхних зон кор выветривания. Кроме того, нелишне подчеркнуть, что растения сами не «извлекают» калий из горных пород (как полагают некоторые исследователи), а усваивают его уже из коровых растворов, когда он попадает в них вместе с другими щелочными и щелочноземельными элементами. Так что в верхних частях докембрийских кор выветривания должно было быть калия ровно столько, сколько и в корах выветривания фанерозоя, а отсутствие наземной растительности как причина остаточного накопления калия в корах выветривания не является серьезным аргументом.
Выше мы уже касались исключительной длительности проявления экзогенных процессов в геологической истории Земли. Было обращено внимание и на то, что практически уже на уровне 3800 млн. лет мы встречаем тот же спектр основных осадочных пород, который прослеживается далее на протяжении всей последующей геологической истории Земли. Нам представляется, что этот факт должен наконец найти геологическое истолкование при общей оценке масштабов проявления выветривания в геологической истории Земли. И вывод здесь может быть сделан только один: основная направленность, главные типы кор выветривания и важнейшие продукты, связанные с их размывом и переотложением, вероятно, оставались очень сходными в пределах всего известного нам геологического времени.
К этому выводу приводит и рассмотрение относительного распространения и геохимии этих основных типов осадочных пород в истории Земли. Ведь по существу обнаруживается только изменение во времени их относительных объемов. Выявившиеся же тенденции (они хорошо известны) изменения во времени содержания в осадочных породах ряда главных и второстепенных химических элементов связывают в основном с изменениями во времени типов пород, слагавших палеосушу, тектонического режима, климата и интенсивности вулканизма, т. е. с теми же факторами, которые регулируют их содержание в осадочных породах и в палеозойских и в мезозойско-кайнозойских бассейнах седиментации (среди работ последних лет отметим работы А.В. Ронова с сотрудниками, П.П. Тимофеева, В.Н. Холодова, Д.Н. Пачаджанова и др.).
Какие же объективно изменяющиеся в истории Земли факторы и условия должны были каким-то образом отражаться на составе продуктов экзогенеза? Из безусловно менявшихся факторов гипергенеза в геологической истории Земли следует назвать: 1) живое и органическое вещество; 2) состав и объем атмосферы; 3) температуру; 4) вулканизм.
Перейдем теперь к рассмотрению одного из важнейших факторов гипергенеза — живого и органического вещества и его роли в геологической истории Земли.
Выявленное нами принципиальное сходство в распространении органического вещества в осадочно-метаморфических породах докембрия и осадочных породах фанерозоя позволило установить глобальные проявления периодичности в накоплении высокоуглеродистых формаций в докембрии. Удалось выделить главнейшие «эпохи» накопления органического углерода и их связь, с одной стороны, с важнейшими этапами эволюции «живых систем» в докембрийское время, а с другой — с основными эпохами регионального метаморфизма и тектоно-магматической активизации.
В более сложном соотношении со всеми уже рассмотренными явлениями находятся главнейшие эпохи развития поверхностей выравнивания и кор выветривания в докембрии. Как хорошо известно по фанерозою, эпохи планации и выветривания развиваются во время крупных континентальных перерывов и при определенной эпейрогенической активизации переотложения, когда одновременно существуют условия и для эрозионного выветривания, и для оживления корообразующих процессов в связи с постепенным опусканием базиса грунтовых вод. Именно эти соотношения довершают общую картину корреляционного соотношения между рассмотренными биологическими, биогенными и наиболее крупными геологическими событиями, протекавшими в докембрии.
Касаясь возможной причинности связи основных этапов биологической эволюции живых систем и глобально проявленных «эпох» осадконакопления в докембрии высокоуглеродистых формаций с главнейшими эпохами регионального метаморфизма и тектоно-магматической активизации, следует назвать ведущий и определяющий «компонент», через который, с нашей точки зрения, эта связь осуществлялась. Это — углекислота. Известно, что CO2 — основной «продукт питания жизни», главное соединение, претерпевающее в живом веществе диструкционную трансформацию с накоплением в «остатке», т. е. в живом веществе, углерода. В этой связи естественно полагать, что возможные изменения в содержании этого газа в атмосфере могут прямым образом отражаться и на динамике роста и развития биосистем, и даже на эволюционных скачкообразных изменениях самого биологического типа их устройства. Это прямо подтверждается и широко известными экспериментами по ускоренному росту и увеличению биопродуктивности, в частности, растений в искусственных атмосферах с резко увеличенным парциальным давлением CO2. Нами было показано, что содержание углекислоты в древних атмосферах должно резко увеличиваться в эпохи регионального метаморфизма и тектоно-магматической активизации, когда в результате декарбонатизации смешанных глинисто-карбонатных пород освобождаются огромные массы CO2.
Однако допускать лишь этот один источник поступления CO2 в атмосферу в описываемые эпохи было бы ошибкой. Как показано А.Б. Poновым, во всяком случае для фанерозоя, существует очень плотная корреляция между изменениями во времени массы вулканогенных пород, суммарной массы CO2 карбонатных пород и массы Cорг. Мы полагаем, что так же, как сопрягаются во времени процессы регионального метаморфизма и магматической активизации, сопрягаются на этих этапах и оба основных источника повышения содержания углекислоты в атмосфере — ювенильный и регенерационный (рециклический).
Таким образом, как видно из изложенного, устанавливается совершенно своеобразная зависимость между биологическими и геологическими процессами, протекавшими в докембрии, определенная синхронность в развитии косной и живой материи на нашей планете — синхронность, которая реализовалась при определенной взаимосвязи экзогенных и эндогенных процессов.
