Большая часть мировых запасов железной руды заключена в месторождениях, известных под названием полосчатых железных руд, или сокращенно ПЖД. Эта руда встречается в осадочных породах, но собственно месторождения сложены полосчатыми породами с характерным чередованием тонких слоев, богатых железом, и слоев, богатых кремнием. Богатые железом слои имеют гораздо более темный цвет, чем богатые кремнием, и придают месторождению его чрезвычайно характерный полосатый облик. Большая часть запасов мировых полосчатых железных руд содержится в отложениях раннего протерозоя, возраст их немногим больше 1,8 миллиарда лет.
Понимание значения ПЖД как показателей содержания кислорода в атмосорере требует некоторого представления о химическом поведении железа, которое сильно зависит от количества кислорода в окружающей среде. Металлическое железо, как хорошо знает всякий владелец
автомобиля, очень быстро взаимодействует с кислородом, образуя ржавчину. Но в обычных горных породах земной коры железо в форме металла не встречается. В основном оно существует в виде одного из двух ионов разной валентности (или в двух состояниях окисления); то есть Fe или Fe, и в соединении с другими элементами, образуя типичные минералы, встречающиеся в обычных породах. В изверженных породах, большая часть которых является результатом расплавления пород мантии, основная масса железа находится в более низком состоянии окисления, или в виде иона Fe. Однако, когда эти породы подвергаются воздействию дождевых вод, некоторая часть этого железа растворяется в воде и, благодаря высокому содержанию кислорода в атмосфере, быстро окисляется до Fe. (Однако, когда эти породы подвергаются выветриванию в результате воздействия дождевой воды, часть этого железа растворяется, а высокое содержание кислорода в атмосфере очень быстро вызывает его окисление до Fe.) Но Fe является почти нерастворимым в воде, вследствие чего железо очень быстро осаждается в виде тонкозернистого, похожего на ржавчину вещества, оставляющего красноватые пятна на дне ручьев или иных водоемов, где оно собирается. В результате этого все природные воды на сегодняшней Земле содержат очень мало железа в растворенном виде. С другой стороны, если бы содержание кислорода в атмосфере было значительно ниже, то ионы Fe не окислялись бы и те же самые воды могли бы содержать гораздо больше растворенного железа, поскольку Fe гораздо более растворим, чем Fe.
Месторождения полосчатых железных руд откладывались в воде, а геологические особенности большинства из них указывают на то, что они образовались в прибрежных водах морей, хотя и на различной глубине. Железо в этих осадках представлено окисленным (трехвалентным) ионом Fe, осажденным из толщи воды. Поскольку имеются данные о все еще низком содержании кислорода в атмосфере во время образования этих месторождений, был сделан вывод, что необходимый для этого процесса кислород поступал в результате фотосинтеза, осуществляемого водорослями, жившими на поверхности воды. Но тут возникает важный вопрос, касающийся состава атмосферы, а именно: как переносились эти огромные количества железа к местам их отложения. Как отмечалось выше, в современных условиях очень мало железа, растворенного из горных пород на суше, переносится в океаны в силу того, что оно быстро окисляется и выпадает в осадок в виде окислов железа. То же справедливо и в отношении железа, растворенного из базальтовых пород морского дна циркулирующими водами подводных горячих источников. Это еще раз указывает на то, что в раннем протерозое условия среды очень отличались от современных. Низкое содержанке кислорода в атмосфере делало возможным перенос весьма больших количеств железа в форме иона Fe. Когда на пути его перемещения встречались поверхностные зоны морской воды, сравнительно обогащенные кислородом фотосинтезирующими водорослями, оно осаждалось из раствора в виде окиси железа. Тот факт, что большая часть известных полосчатых железосодержащих толщ приурочена к геологическому времени раньше 1,8 миллиарда лет до нашего времени, также говорит о том, что к тому моменту содержание кислорода в воздухе уже возросло до такого уровня, когда большие количества растворенного железа больше не могли переноситься поверхностными водами. Третье указание на содержание кислорода в атмосфере также связано с окислением железа. В геологической летописи толщи и слои осадков, имеющих отчетливо красноватый цвет, обычно песчаников, встречаются довольно
часто. Неудивительно, что геологи часто называют их красно цветными толщами. Их цвет обусловлен присутствием тонкозернистого окисленного железа в форме минерала гематита, который часто обволакивает, а иногда и цементирует кварцевые зерна песчаника. Красноцветные толщи часто разрабатывают с поверхности карьерами для получения строительного камня, что может подтвердить всякий, видевший Красный Форт в Старом Дели или соборы в Чичестере или Карлайле в северо-западной Англии. Красноцветные толщи старше 2,2-2,3 миллиарда лет нам неизвестны, очевидно в силу того, что до этого времени в атмосфере Земли не хватало кислорода для образования гематитового цемента. Еще раз стоит предостеречь, что могли существовать и другие причины этого отсутствия. Например, некоторые геологи указывали, что те типы среды, в которых отлагались красноцветные породы, могли еще не существовать в архее или раннем протерозое. Многие из красноцветных пород сложены осадками не морского происхождения, отложившимися на больших площадях континентов в засушливой обстановке, а небольшие континенты, типичные для самой ранней части геологической истории, были, возможно, неблагоприятны для отложения таких толщ. И тем не менее все же существуют осадки, имеющие возраст более двух миллиардов лет, которые, по-видимому, образовались в тех условиях, которые в наше время соответствуют условиям возникновения красноцветных пород, но они сцементированы не гематитом. Этот факт весомо указывает на решающую роль содержания кислорода в атмосфере в образовании красноцветных толщ.
Таким образом, даже несовершенные записи в геологической летописи протерозоя дают очень важные знания о путях развития земной атмосферы. Они показывают, что около двух миллиардов лет назад произошло отчетливое увеличение содержания кислорода в атмосфере. После этого времени уранинит и пирит уже не могли накапливаться в реках и прибрежных песках морских пляжей в виде угловатых зерен: они окислялись и разрушались. Железо, растворенное как из континентальных, так и из донных пород, быстро окислялось и осаждалось, и его большие количества, необходимые для образования полосчатых железистых толщ, уже не могли переноситься к морю или даже внутри моря. И по той же самой причине гематит получил возможность осаждаться из межгранулярной воды в песчаниках, образуя оболочки зерен и цемент, скрепляющий их, и создавая на протяжении всего оставшегося геологического времени мощные слоистые толщи красноцветных пород. Хотя отдельные геологические факты никогда не могут быть однозначными, их совокупное свидетельство очень убедительно. Подобно детективам геологи собирали кусочки, казалось бы, никак не связанных между собой фактов, которые, взятые в совокупности, показывают, вне всяких сомнений, подробности событий, происшедших более двух миллиардов лет назад. Несмотря на сравнительную редкость ископаемых остатков, относящихся к протерозою, они подтверждают выводы о происхождении атмосферного кислорода, сделанные на основании других фактов. Записи в геологической летописи показывают, что сложные многоклеточные организмы появились только в конце протерозоя, хотя строматолиты были очень распространены уже в начале этой эры. Современные строматолиты живут в тропиках в приливо-отливной полосе и представляют собой главным образом колонии водорослей, производящих кислород путем фотосинтеза. Вполне возможно, что прибрежные воды океанов или внутренних морей на относительно больших материках, развившихся в конце архея и в начале протерозоя, создали благоприятную среду для расцвета строматолитов, что привело к увеличению скорости производства кислорода, по сравнению с предыдущим периодом. Однако в силу высокой химической активности большая часть кислорода, произведенного первоначально путем фотосинтеза, была быстро израсходована в химических реакциях, в которых окислялись как компоненты пород суши, так и различные составляющие самой атмосферы. Впрочем, в конце концов по мере увеличения скорости и масштабов фотосинтеза кислород стал накапливаться в атмосфере.
КЛИМАТ ПРОТЕРОЗОЯ
В геологической летописи протерозоя имеется очень мало фактов, относящихся к его климату. Большая часть нашей информации о климате в последующие периоды геологической истории заключена в ископаемых остатках организмов, так как у нас имеется достаточно хорошее понимание типов среды, в которых процветали многие ископаемые организмы. В этом отношении редкие остатки организмов, живших в протерозое, в основном одноклеточные бактерии, дают мало информации. И тем не менее в некоторых породах протерозоя все же сохранились самые древние свидетельства оледенения, может быть, даже глобального.
Вывод о том, что некоторые типы осадочных пород являются результатом деятельности ледников, основан на принципе актуализма: отложения, связанные с современными ледниками, хорошо изучены и некоторые из их особенностей определяются вполне отчетливо. В древних породах Канады, около озера Гурон, имеющих возраст 2,3 миллиарда лет, встречаются тонкие прослои варвитов - очень мелкозернистых осадков, напоминающие годичные слои осадков, откладывающихся в ледниковых озерах. Типичные современные ленточные глины состоят из чередующихся пар слойков, отражающих годичный цикл, в которых один слоёк соответствует быстрому таянию льда и переносу осадка в летний период, а второй, более тонкозернистый, соответствует более медленному осаждению зимой. Хотя в протерозойских образцах пород затруднительно различить такие детали строения, эти породы почти несомненно представляют собой древние варвиты ледникового происхождения. Эти тонкозернистые слоистые осадки изредка содержат даже большие гальки или валуны - "дропстоуны" (dropstones), являющиеся характерной чертой ледниковой среды, в которой более грубый материал иногда переносится на плавающих льдинах и падает на дно потока вдали от своего источника в очень тонкозернистый в целом осадок. Ледниковые осадки приблизительно такого же возраста, как и найденные в Канаде, были обнаружены и в других частях Северной Америки, а также в Африке, Индии и Европе. Это указывает на глобальный характер оледенения и на то, что в течение определенного периода времени в начале протерозоя (длительность которого неизвестна) Земля была охвачена оледенением.
Хотя существует много районов земной коры, породы которых старше 2,3 миллиарда лет, нигде в них не обнаружены явные признаки более древних периодов оледенения. Это отнюдь не означает, что их нет, ибо наша летопись полна пробелов, и большая часть древних пород претерпела сильный метаморфизм, так что их историю трудно расшифровать. И все же имеющиеся факты позволяют предположить, что это оледенение, случившееся 2,3 миллиарда лет назад, является одним из первых крупных периодов глубокого охлаждения, которым подверглась Земля за свою историю, или по крайней мере после того, как начались первые записи в геологической летописи около 3,9 миллиарда лет назад. (Возможное промерзание океанов насквозь, о котором говорилось в главе 2, являлось событием совершенно иного порядка по своему масштабу, чем обсуждаемые здесь оледенения, и во всяком случае, даже если оно вообще произошло, это случилось задолго до начала геологической летописи, отраженной в горных породах.) Однако после раннепротерозойского оледенения климат, по-видимому, долгое время оставался вполне благоприятным для развития жизни. Нет никаких признаков оледенений и в последующие полтора миллиарда лет или около того. Далее внезапно наша геологическая летопись указывает ряд эпизодов, похожих на оледенения, в период приблизительно от 850 до 600 миллионов лет назад, в конце протерозойской эры. Эти последующие периоды также представляли собой явления глобального характера, поскольку на всех существующих континентах (за исключением, может быть, Антарктиды, большая часть которой в наше время покрыта льдом и недоступна для исследования) имеются признаки оледенения в течение этого периода. Хотя в конце протерозоя расположение континентов на Земле сильно отличалось от современного, широкое распространение следов оледенения указывает на то, что на большей части планеты, даже в низких широтах, царил холод. В конце протерозоя зимние каникулы в районе современного Карибского моря вряд ли доставили бы большое удовольствие.
ЭВОЛЮЦИЯ КОНТИНЕНТОВ
А что собой представляли континенты в протерозое? Выше уже отмечалось, что в начале архея они были небольшими и, вероятно, не очень похожими на современные материки. К концу архея уже существовали континенты большего размера, а к концу протерозоя их размеры и физическая природа были уже очень похожи на современные. От долгого периода протерозойской истории сохранилось много следов континентообразующих событий; они свидетельствуют о том, что происходившие тогда процессы не очень отличались от современных. Одним из наиболее документированных примеров этого может служить область Северной Канады, исследованная Полом Хоффманом из Геологической службы Канады.
Хоффман провел несколько летних полевых сезонов, картируя породы, выходы которых распространены на Северо-западных территориях Канады. На обширной территории, простирающейся от северных берегов материковой части Канады до Большого Невольничьего озера на юге, он распознал и нанес на карту остатки протерозойского цикла эрозии, осадконакопления и горообразования (рис. 4.2). Протерозойские горы уже давно смыты, и современный ландшафт отличается пологим, сглаженным рельефом и однообразием. Но у него своеобразная дикая красота и, что лучше всего для геолога, большая часть его почти лишена растительности, выходы горных пород хорошо обнажены и готовы рассказать свою повесть.
Но как же возможно собрать по кусочкам - обнажениям горных пород - историю, которая произошла здесь более двух миллиардов лет назад? Мы уже мельком взглянули на этот процесс реконструкции истории Земли при обсуждении происхождения атмосферного кислорода, но чтобы подробнее познакомиться с этим предметом, потребовалась бы отдельная книга. Интерпретация геологических данных требует глубокого понимания геологии, а также большого опыта анализа полевых данных. Но некоторые из основных элементов этой работы весьма просты и, в сущности, основаны на обычном здравом смысле. Возьмем, например, время. Более подробно об этом будет говориться в следующей главе, но и так вполне очевидно, что время, особенно в отношении возраста пород и скорости различных геологических процессов, является критическим фактором, определяющим понимание геологической истории определенной территории. По крайней мере относительное время, то есть вопрос о том, является конкретная порода или толща пород более молодой или, наоборот, более древней, чем ее соседи, часто решается очень просто. Например, в последовательности каких-либо осадочных образований более древние образования (слои) обычно располагаются в: нижней части разреза через толщу пород, а самые молодые - в его верхней части. Для других пород ключом к пониманию их относительного возраста являются пересечения пород. Например, если тело изверженной породы или поверхность сброса пересекает толщу другой породы, то они, очевидно, моложе самой толщи. Эти примеры могут показаться очень упрощенными, но применение именно такого подхода часто позволяет определить относительный возраст пород даже в очень сложных ситуациях (рис. 4.1). Только после того, как выполнена эта задача, оказывается возможной реконструкция действительной последовательности геологических событий.
