Факторы, контролировавшие изотопный состав углерода в докембрии и фанерозое

В настоящем разделе рассматривается вопрос, каким образом и под влиянием каких факторов изменяется изотопный состав совокупного углерода поверхностных оболочек Земли в ходе геологического времени. Такие изменения должны были иметь место. Углерод относится к числу элементов, которые последовательно накапливались в земной коре в результате процесса дегазации мантии. Менялись во времени интенсивность вулканизма и дегазации, скорость и режим осадконакопления, размеры океанического и внутриматериковых бассейнов. Наконец, на геохимию углерода оказало решающее воздействие возникновение и развитие биосферы. С целью получить эволюционную картину мы исследовали изотопный состав углерода в обеих его основных формах, карбонатной и органической, в отложениях различного геологического возраста — от раннего докембрия до конца фанерозоя.

Выявление общегеологичеоких закономерностей требует привлечения большого статистического материала. В нашем распоряжении было более 15 000 образцов пород. Составлялись так называемые сложносмешанные пробы по методике, описанной ранее. Представленные здесь данные отражают средний изотопный состав пробы, составленной из нескольких сотен образцов для отложений каждого стратиграфического комплекса.

Наиболее подробно нами исследован фанерозой Русской платформы. Однако в соответствии с тематикой настоящего совещания мы остановимся преимущественно на наших результатах, касающихся докембрия. Ho прежде очень кратко о фанерозое, чтобы иметь возможность сравнивать.

На рис. 63 показана кривая изменения изотопного состава углерода карбонатов фанерозоя Русской платформы. Колебания С13 не носят флуктуационного характера. Каждая точка занимает место в ряду направленного последовательного изменения изотопного состава. Кривая bС13 согласуется с кривой, описывающей изменение площади, занятой сушей (имеет место зеркальное отражение), а также с кривой, описывающей распространенность карбонатов. Мы установили также корреляционную связь bC13 с распространенностью терригенных пород, с содержанием органического углерода в соответствующих отложениях и с рядом других параметров. Обработка этих данных на ЭВМ показала, что все они связаны между собой и с изотопным составом углерода через контролирующее влияние биогенной углекислоты. Биогенная углекислота — изотонически легкая (bС13 = 2,-5%). Увеличение массы биогенной углекислоты, поступающей в бассейн седиментации,, приводит к обогащению легким изотопом осаждающихся карбонатов. Все процессы, так или иначе способствующие увеличению притока биогенной CO2 с суши, приводят к обогащению карбонатов легким изотопом. Поэтому в периоды регрессии моря, в периоды увеличения в осадках доли обломочного материала, в периоды преобладающего осадконакопления в прибрежных и мелководных бассейнах происходит изотопическое облегчение карбонатов. Таким образом, в фанерозое фактором, преимущественно контролировавшим изотопный состав карбонатов, являлась биогенная углекислота.

Для докембрийских пород мы имели несколько менее представительный материал. Средние суммарные пробы относятся к Украинскому и Балтийскому щитам. Использованы также анализы изотопного состава углерода докембрийских карбонатов из более ранних исследований. На рис. 64 показано распределение изотопного состава карбонатов в докембрии и фанерозое. Взятые в своей совокупности эти данные несут определенную, довольно важную, информацию. Во-первых, несмотря на значительные вариации bC13, средняя линия сохраняет постоянное значение, т. е. в ходе геологического времени отсутствует направленное изменение изотопного состава среднего углерода осадочной оболочки. По-видимому, изотопный состав суммарного углерода продуктов дегазации мантии, за счет которых происходило наращивание массы углерода осадочной оболочки и земной коры, не изменялся. Во-вторых, средняя величина bC13 докембрийских карбонатов смещена относительно изотопного состава ювенильного углерода, линия которого показана на рис. 64 пунктиром. То же самое имеет место и в фанерозое. Однако нам известно, что в фанерозое изотопный баланс обеспечивался соответствующей пропорцией карбонатного и органического углерода. Если предположить, что жизнь в докембрии отсутствовала и карбонаты, следовательно, были практически единственной формой выноса углерода, то они неизбежно должны были бы приобрести изотопный состав внешнего источника углерода, т. е. все колебания совершались бы вокруг линии ювенильного углерода. Поскольку этого не происходит, следует признать, что в докембрии существовал механизм выноса изотопически легкого органического углерода, а нам известен единственный механизм такого рода — жизнь.

Рассмотрим теперь характер изменения изотопного состава углерода карбонатов со временем. В докембрии выявляются два периода (2,7 млрд. лет и 1,8—1,9 млрд. лет), которые характеризуются изотопически аномально тяжелыми карбонатами. Напомним, что карбонаты осаждаются в изотопно-обменном равновесии с бикарбонатом океана и CO2 атмосферы. Константа изотопного равновесия составляет 1,012, т. е. при современном изотопном составе атмосферной углекислоты не могут осаждаться карбонаты тяжелее, чем bC13=+0,5% (за исключением некоторых особых случаев, которые не имеют значения при рассмотрении вопроса в региональном плане). Эта величина отмечена сдвоенной линией на рис. 64. В течение всего фанерозоя и позднего докембрия изотопный состав карбонатов не выходит за пределы этого ограничения. Ho более древние карбонаты в определенные периоды пересекают линию +0,5%. Это значит, что в эти периоды изотопный состав атмосферного и океанического углерода отличался от современного. Обогащенность карбонатов тяжелым изотопом углерода сверх значения bC13 =+0,5% может быть обусловлена привносом в обменный фонд больших масс изотопически тяжелой углекислоты, например, в результате развития процессов метаморфизма. Имея это в виду, мы сопоставили картину распределения изотопных составов карбонатов со шкалой основный геотектонических событий в докембрии. При этом бессистемные, на первый взгляд, колебания изотопного состава приобрели неожиданно закономерный характер.

Оказалось, что моменты увеличения концентрации тяжелого изотопа в карбонатах отвечают времени резкой активизации тектонической деятельности, а упомянутые два периода максимальной концентрации изотопа C13 в карбонатах совпадает по времени с двумя наиболее мощными этапами магматизма и гранитизации в истории Земли: родезийским и беломорским. Причем и последующие, менее значительные эпохи магматизма — Медвежьеозерская, Гренвильская, — проявились достаточно отчетливо (рис. 65).

В промежутках между периодами тектонической активности содержание изотопа C13 в карбонатах постепенно уменьшается, достигая минимума в периоды, непосредственно предшествующие очередному этапу магматизма. Происходит как бы восстановление обменного фонда, выведенного из равновесия в эпохи магматизма. Таким образом, распределение изотопного состава углерода в докембрийских карбонатах имеет периодический характер, и эта периодичность связана с циклами тектогенеза в докембрии. Расчет показывает, что для того, чтобы возникло наблюдаемое обогащение карбонатов изотопом С13, значительная часть ранее осажденного карбонатного углерода должна быть возвращена в обменный фонд, т. е. речь идет об уничтожении в эпохи магматизма существенной части карбонатных отложений.

Изучение органического углерода производилось раздельно для общего углерода и битумной фракции (рис. 66). За исключением самых древних образцов, относящихся к комплексу Онвервахт серии Свазиленд, которые оказались изотопически очень тяжелыми, все образцы в докембрии дают более или менее равный изотопический состав вплоть до карбона (рис. 67). В карбоне происходят два события: во-первых, обогащение органических веществ тяжелым изотопом углерода и, во-вторых, появление отсутствовавшего до того смещения в изотопном составе органического вещества и его битумоидной фракции (см. рис. 67). Объяснение этому можно дать, учитывая факт некоторого уменьшения в пользу органического углерода его соотношения с карбонатным углеродом (начиная с карбона), а также исходя из теории внутримолекулярных изотопных эффектов, согласно которой отсутствие различия в изотопном составе Cорг и битумоида в докембрии, вероятнее всего, объясняется развитием в это время восстановленных форм органического вещества. Каменноугольное же время оказалось рубежом, на котором произошло резкое смещение преобладающих форм органического вещества от восстановленного (сапропелевого) к окисленному (гумусовому) типу.

На основе изучения изотопного состава можно получить информацию об эволюции углерода и его основных форм в ходе геологического времени. Есть основания полагать, что:

— в докембрийском цикле углерода большую роль играла возрожденная метаморфизмом углекислота;

— уже в раннем докембрии жизнь существовала (в ее примитивных формах), и органический углерод играл заметную роль в общем балансе осадочного углерода;

— органическое вещество докембрия вплоть до карбона имело преимущественно сапропелевый характер, а в фанерозое — преимущественно гумусовый;

— выход растений на сушу привел к выносу речным стоком в бассейны седиментации значительных масс изотопически легкого окисленного органического углерода, в связи с чем в фанерозое роль фактора, преимущественно контролировавшего изотопный состав углерода карбонатов, перешла к биогенной углекислоте;

— в течение обозримого геологического времени изотопный состав суммарного углерода, поступающего из мантии, почти не изменялся;

— факторы, действовавшие в фанерозое, играли роль и в докембрии и, наоборот, но относительное значение их менялось со временем и менялось существенно.

В этом, на наш взгляд, проявился эволюционный характер развития поверхностных оболочек Земли.