Глава 16 ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЭПОХИ

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

По окислительно-восстановительным условиям биогенный этап эволюции ландшафтов состоит из трех стадий: восстановительной, окислительной и окислительно-восстановительной.

Восстановительная стадия эволюции ландшафтов — архей, протерозой, нижний рифей (3,5—1,4 млрд. лет)

Атмосфера в то время, вероятно, была слабо восстановительной — бескислородной или малокислородной. На это указывает состав пород, руд и продуктов выветривания. В ландшафтах господствовала глеевая среда, контрастность окислительно-восстановительных условий была меньше современной: не было ни столь низких Eh, как в болотах и солончаках, ни столь высоких, как в реках, корах выветривания. Интенсивный вулканизм обогащал атмосферу СО2, Fe и Мп энергично мигрировали в бикарбонатной или органо- минеральной формах. Сульфидная сера не окислялась, и воды были гидрокарбонатными.

Следы бактерий и сине-зеленых водорослей обнаружены в породах возрастом около 3,5 млрд. лет. Хотя углерод в архейских породах часто находится в форме графита, на основе изотопных отношений, микроскопии и других методов установлена его первичная биогенная природа. Предполагается, что первые сотни миллионов лет ареал жизни был строго ограничен, т.к. губительный ультрафиолет определял безжизненность и земной поверхности, и верхнего горизонта водоемов до глубины 10 м. По гипотезе голландского ученого М. Руттена, жизнь в то время была представлена бентосными организмами в илах озер, в прибрежных участках морей и океанов на глубине более 10 м. На преобладающей части суши все еще господствовали абиогенные ландшафты. Это была биосфера без органического фотосинтеза. Обнаружение аминокислот и термофильных бактерий в горячих источниках вулканических районов позволило Е.К. Мархинину предположить, что вулканизм играл важную роль в зарождении жизни.

Напомним, что в литосфере сильные катионы преобладают над сильными анионами. Так, сумма кларков Na, К, Са и Mg равна 9,83%, а сумма кларков CI, S, Р, V и N — лишь 0,17%. Подобные соотношения определяли преобладание катионов над анионами в растворах первичных почв, а следовательно, и в телах организмов, т.е. развитие сильно щелочной среды, вредной для жизни. Вероятно, на основе механизма отрицательной обратной связи у организмов должна была возникнуть способность поглощать сильные анионы в десятки раз интенсивнее, чем сильные катионы, и тем самым нейтрализовать щелочную реакцию в их телах. Этим мы объясняем особенно высокую интенсивность биологического поглощения фосфора, который, образуя трехосновную кислоту Н3РО4, может связывать наибольшее количество катионов. Так, вероятно, уже на ранних стадиях развития жизни возникла различная способность поглощать катионы и анионы. Возможно, теми же причинами объясняется амфолитоидная природа многих белков и других органических соединений, их буферная способность усреднять крайние значения рН.

На основе механизма обратной связи, возможно, создавалась и кислая природа гумуса, которая обеспечила связывание части катионов в почвах, усреднение реакции. Следовательно, различная интенсивность биологического поглощения катионов и анионов, амфолитоидная природа белков, кислая природа гумуса могли возникнуть уже на первых стадиях формирования ландшафтов как результат приспособления жизни к физико- химическим условиям окружающей среды. Эти свойства живого вещества, закрепившись наследственностью, в современных ландшафтах в ряде случаев уже утратили приспособительное значение.

Окислительная стадия эволюции ландшафтов — средний и верхний рифей, нижний палеофит (1,4—0,4 млрд. лет)

Средний и верхний рифей (1,4—0,7 млрд. лет)

Начало фотосинтеза обычно датируется 1,7—2,0 млрд. лет назад. Но в значительных количествах, по J1. Беркнеру, J1. Маршалу и А.Б. Ронову, 02 появился в атмосфере лишь около 1,4—1,2 млрд. лет назад. По другим представлениям окислительная атмосфера возникла 2200 млн. лет назад, когда стали накапливаться окисные железные руды типа джеспелитов. Основываясь на анализе изотопов S, высказана также гипотеза о формировании окислительной атмосферы за счет фотосинтеза уже 3 млрд. лет назад.

В среднем рифее, около 1,4 млрд. лет назад, атмосфера еще содержала много СО2, но в ней накопился уже и О2 (по ориентировочным расчетам М.И. Будыко, до 15—20% от массы О2 в настоящее время). Предполагается, что это способствовало возникновению многоклеточных организмов в конце рифея — начале венда, появлению в водах сульфатов, понижению миграционной способности Ва (в результате осаждения барита) и Fe. По B.C. Певзнеру и Ю.К. Буркову, граница с рифеем — это "сульфатно-кислородный геохимический рубеж".

В окислительной среде рифея Fe^+ стало переходить в Fe3+, появились красные почвы, красноцветные формации, окраска которых свидетельствует об окислительной среде осадкообразования. Цвет этих отложений обусловлен оксидами и гидроксидами Fe, пленки которых облекают пылеватые и песчаные частицы (общее содержание Fe в красноцветах часто не превышает кларк).

Ландшафты, в которых происходило накопление красноцветных отложений, Л.Б. Рухин назвал красноцветными. Они формировались вплоть до неогена, т.е. свыше 1 млрд. лет.

В рифее началось накопление пластов и линз органического вещества в виде шунгитов и других пород. В районах с влажным климатом формировалась кислая каолиновая или гидрослюдистая кора выветривания, остатки которой известны во многих регионах. 0,94 и 0,77 млрд. лет назад были крупные оледенения, происхождение которых связывают с ослаблением вулканизма и уменьшением содержания СО2 в атмосфере.

При метаморфизме осадочных пород в докембрии в атмосферу и гидросферу выделялось огромное количество СО2, которое во многом определило характер климата, выветривания и осадкообразования. Захоронение СО2 в карбонатных породах и его выделение при метаморфизме было важным фактором развития биосферы и рудогенеза. При метаморфизме пород, содержащих органические вещества, выделялись СН4 и другие углеводороды. В промежутках между эпохами метаморфизма происходило энергичное накопление осадков, поглощение СО2 из гидросферы и атмосферы.

Высокое содержание СО2 в атмосфере определяло легкую растворимость карбоната кальция, воды в рифее были недосыщены этим соединением. Накопление СаСОз осуществлялось морскими водорослями, которые отложили огромные толщи карбонатных пород, очистив тем самым атмосферу от СО2 и обогатив ее 02- В конце докембрия содержание СО2 в атмосфере, возможно, было меньше современного.

И в рифее была дифференциация ландшафтов, обусловленная климатической зональностью и другими факторами. Однако примитивность бика определяла большее геохимическое однообразие ландшафтов, чем в современную эпоху. Суша среднего и верхнего рифея была монотонной окислительной примитивной пустыней.

Учитывая, что тип геохимического ландшафта определяется биком, а в биомассе главную роль играет растительный покров, в дальнейшей периодизации в качестве рубежей принята смена растительности с выделением палеофита, мезофита и кайнофита (а не палеозоя, мезозоя и кайнозоя как в исторической геологии).

Нижний палсофит — венд, кембрий, ордовик и силур (0,7—0,4 млрд. лет)

Многие исследователи к фанерозою относят и венд (V — 700—570 млн. лет назад), ссылаясь на открытие обширной вендской фауны мягкотелых животных и другие особенности вендских отложений. В кембрии содержания О2 и СО2 в атмосфере были низкими, но в результате энергичного вулканизма нижнего ордовика количество СО2 резко возросло. (Содержание О2 и СО2 в палеоатмосферах приводится по М.И. Будыко, А.Б. Ронову и А.Л. Яншину, 15.2.) В верхнем ордовике повысилось и содержание атмосферного кислорода, с которым связывают "взрыв видообразования".

В начале кембрия возникло много видов животных. Если в венде преобладали бесскелетные мягкотелые формы, то в кембрии стала быстро развиваться фауна с известковым, фосфатным и кремнистым скелетом. О причине данного явления высказаны разные гипотезы, в том числе и геохимические. Так, по А.П. Виноградову, высокое содержание СО2 в морях рифея определяло ненасыщенность воды Са, который находился в растворимой форме Са(НСОз)2, и животным было трудно строить скелет на основе Са. В результате резкого понижения в начале кембрия концентрации СО2 в атмосфере СаСОз стал насыщать морскую воду и известковые скелеты стали устойчивыми. Эта интересная гипотеза, однако, не объяснила причины появления кремнистого скелета. Все же предположение о резком понижении давления СО2 в конце венда очень заманчиво и подтверждается новейшими расчетами. С этих позиций можно объяснить появление известкового и фосфатного скелетов, осаждение V, U и других металлов. Уменьшение содержания СО2 в атмосфере могло способствовать также похолоданию и оледенению.

В кембрии уже существовали наземные растения — псилофиты, первые плауны и папоротники. Это были небольшие кустики, растущие по сырым местам, т.е. в подчиненных ландшафтах. Возможно, что псилофиты были уже в венде. В силуре появились первые наземные животные — скорпионы, многоножки и речные рыбы. В эту эпоху еще господствовали автономные примитивные пустыни, хотя возникли и более развитые подчиненные псилофитовые ландшафты сырых низин. И в автономных, и в подчиненных условиях преобладала окислительная среда, геохимическая контрастность все еще была низкой: суша была сплошной зоной окисления и восстановительные геохимические барьеры, задерживающие Мо, Рв, Си и другие металлы, отсутствовали. В морях, напротив, в илах накапливалось органическое вещество, а диагенез и последующий метаморфизм привели к образованию черных углеродистых сланцев, распространенных на всех континентах. Для этих формаций характерно рассеянное органическое вещество (или С), высокое содержание SiC>2 (кварц, халцедон), повышенное против кларка содержание Р, V (ванадиеносные сланцы), часто также Си, Со, Ni, Мо, U, W, Аи. Содержание Fe, Al, Са, Mg, Na и К, напротив, обычно ниже кларка (Я.Э. Юдович).

На геохимию ландшафтов нижнего палеофита большое влияние оказали байкальский и каледонский орогенезы, приведшие к резкой дифференциации климатов, появлению высотной поясности, включению в миграцию больших масс изверженных пород и руд металлов. Возникли влажные и аридные области. Последние в кембрии были на Сибирской платформе, в Индостане. Кембрий — первая эпоха соленакопления в истории Земли (лагунные соли Восточной Сибири и др.). Широко распространились и красноцветные ландшафты. 440—410 млн. лет назад было оледенение.

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов