Дрейф материков и глобальная эволюция Земли

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Мобилистский подход к анализу влияния всей палеогеографической обстановки на эволюцию жизни на Земле

Каждая книга, посвященная анализу нового научного направления, с одной стороны, подводит итог того, что сделано, а с другой — служит прологом для дальнейшего развития этого направления. Теперь трудно оспаривать, что палеоклиматические данные за последние сотни миллионов лет можно реконструировать, соблюдая широтную зональность, только на мо- билистской основе. Можно наметить и другой, более общий вывод, что изменения климата Земли на протяжении фанерозоя (при условии относительного постоянства солнечной радиации) определялись в значительной степени глобальной эволюцией нашей планеты, и прежде всего изменением взаимного расположения материков и океанов.

Когда континентальные массивы, перемещаясь в составе литосферных плит, попадали в полярные районы Земли, они из-за своего высокого альбедо постепенно становились «глобальными холодильниками». Океаны — это глобальные концентраторы солнечной энергии на поверхности нашей планеты. Поэтому в те периоды геологического прошлого, когда материки покидали полярные области и там располагались океанические впадины, циркуляция океанических вод от тропиков к полюсам, постепенно обогревая полярные регионы, приводила к общему смягчению климата нашей планеты.

Другой важный климатообразу- ющий фактор — это глобальные трансгрессии и регрессии океана, которые (как теперь доказано) определяются изменениями средней скорости наращивания океанической литосферы; вариации последней, вероятнее всего, обусловлены изменением структуры мантийной конвекции. При уменьшении средней для Земли скорости нарастания океанической литосферы средняя глубина дна Мирового океана увеличивается, что приводит к более резкой широтной климатической зональности. Увеличение средней скорости разрастания дна приводит к уменьшению глубины океана, наступлению глобальной трансгрессии, некоторому смягчению климата нашей планеты и, естественно, к «размазыванию» его широтной зональности.

Во время трансгрессии на материковом мелководье идет отложение карбоната кальция и, как следствие, происходит резкое уменьшение содержания С02 в океане и в атмосфере. Этот фактор также существенно влияет на климат Земли, изменяя прозрачность атмосферы и снижая ее парниковый эффект.

Сравнение этих теоретических представлений и природных палеогеографических данных (выполненное, как правило, на качественном уровне или на уровне приближенных количественных оценок) показало существенное влияние глобальной тектоники нашей планеты на географическую обстановку в различные периоды ее фанерозойской эволюции.

В развитии изложенного выше нового направления — глобального палеоклиматического анализа на мобилистской основе — вырисовывается несколько проблем. Первая и, пожалуй, крупнейшая — это выявление влияния глобальной тектоники (и, конечно, дрейфа материков в составе литосферных плит) на изменение климата и всей палеографии нашей планеты в докембрийское время.

Фактических палеографических данных о раннем докембрии немного. Самым древним из известных покровных оледенений можно считать раннепротерозойское «Гуронское». Оно происходило около 2300 млн. лет назад (погрешность плюс-минус 200— 250 млн. лет). Следы его зафиксированы в Северной Америке — в канадских провинциях Квебек и Онтарио, а также в Южной Африке и Австралии (хотя здесь геологические данные менее репрезентативны). Палеомагнит- ные наблюдения позволяют считать, что североамериканская область покровного оледенения в раннем протерозое действительно находилась не очень далеко от географического полюса. Такое совпадение геофизических и палеоклиматических данных свидетельствует о том, что дрейф материков в составе литосферных плит происходил по крайней мере на протяжении всего протерозоя.

Гораздо более представительны геологические следы покровного оледенения, которое имело место в позднем докембрии от 950 до 600 млн. лет назад. Позднедокембрийские ледниковые отложения известны теперь на всех материках (кроме ныне покрытых льдом Антарктиды и Гренландии). Однако пока еще немногочисленные палеомагнитные данные поздне- протерозойских пород не свидетельствуют о расположении в то время в высоких широтах Африки, Австралии и Европы. Причина здесь, вероятно, в небольшой репрезентативности геофизических наблюдений. Кроме того, с учетом длительности периода позд- непалеозойского оледенения (ведь по продолжительности он больше половины фанерозоя) можно со значительной вероятностью предполагать, что в процессе дрейфа материков смещался и центр позднепротерозойского оледенения.

Таким образом, пока остается неясным, происходили ли покровные оледенения в архейское время и почему на протяжении миллиарда лет (вторая половина раннего и почти среднего протерозоя) на Земле не было покровных оледенений.

О глобальной тектонической и климатической обстановках архея очень мало фактических данных. Насколько позволяют судить изотопные стронциевые определения, наиболее древние континентальные породы имеют возраст около 3700—3800 млн. лет. Хорошо известно, что архейские и протерозойские породы существенно различаются между собой и по составу, и по структуре. Среди архейских пород наиболее распространены грау- вакки (которые принято ассоциировать с зеленокаменными поясами), включенные в гранитогнейсы. К сожалению, пока еще мало достоверных примеров анализа архейских пород с учетом опыта современной литологии. Интерпретация геологического строения некоторых районов (в Африке, Австралии и др.) позволяет считать, что первая жесткая континентальная литосфера, способная нести на себе крупные осадочные бассейны, была сформирована не менее 3 млрд. лет назад. По мнению некоторых геологов, рубеж между археем и протерозоем отстает от нас на 2,5 млрд. лет и представляет собой переход от очень высокой подвижности литосферы к тектонике литосферных плит, в основных чертах близкой к современной. Насколько такое предположение справедливо, покажут дальнейшие исследования. Однако, бесспорно, что протерозойские отложения в ряде районов слабо деформированы, включают известняки и доломиты, которых нет в архейских.

Интересные палеогеографические результаты дают палеонтологические исследования архейских и протерозойских пород. Самые ранние, предположительно биогенные, осадочные структуры, названные строматолитами, имеют возраст около 3,5 млрд. лет (Австралия, серия Уарравуна).

Следы древнейших ископаемых микробиологических сообществ найдены в породах с возрастом не менее 2,8 млрд. лет (Австралия, серия Фортескью). Наконец, в железорудной формации Ганфлинт (Северная Америка) обнаружены кремнистые сланцы с возрастом 2 млрд. лет, в которых установлена микроископаемая флора, свидетельствующая о дифференциации клеток на несколько типов.

Итак, первые сине-зеленые водоросли появились более 2 млрд. лет назад.

Достаточно вольная интерпретация этой палеонтологической летописи в свете основных биологических принципов позволила исследователям сделать предположения о наиболее вероятном составе в архее и раннем протерозое. Около 3,8 млрд. лет назад атмосфера Земли состояла, вероятнее всего, из двуокиси углерода, азота, водяного пара, возможно, из сероводорода, хлористого водорода, метана и аммиака; в ней не было свободного кислорода. Бескислородные гидросфера и атмосфера стали малокислородными в раннем протерозое 2—2,5 млрд. лет назад. В ту пору содержание свободного кислорода в атмосфере Земли, вероятно, не превышало десятых долей процента.

В свете вышеизложенного весьма интересны данные химического анализа газовых пузырьков включений в кварцитах (вероятно, катархейских) курумканской свиты Алданского щита. По данным, приведенным Л. И. Салопом, в этих пузырьках содержится около 60% углекислого газа и около 35% H2S, S02,NH3, НС1, HF; очень немного азота и инертных газов, а свободный кислород отсутствует совсем.

О том, что практически бескислородные атмосфера и гидросфера архейского времени стали в раннем протерозое малокислородными, свидетельствует также широкое распространение в речных песчаных отложениях с возрастом более 2,3 млрд. лет легко окисляющегося уранинита (Африка. Северная и Южная Америка); значительные скопления уранинита были бы невозможны, если бы в позд- неархейской атмосфере было существенное количество свободного кислорода. Другим свидетельством первых периодических проявлений свободного кислорода в атмосфере раннего протерозоя служат полосчатые железорудные формации (обусловленные чередованием окисленных PI неокис- ленных слоев), возраст которых более 2 млрд. лет. Древнейшие красноцвет- ные (окисленные) осадочные толщи имеют возраст менее 2 млрд. лет.

Как давно установлено советскими палеонтологами (Б. С. Соколовым, В.В.Тимофеевым и др.), средний размер клеток ископаемых микроорганизмов значительно увеличился в середине протерозоя около 1,4—1,5 млрд. лет назад, что свидетельствует о некотором увеличении свободного кислорода в атмосфере того времени.

Для суждения о температурных условиях на нашей планете в позднем архее и в протерозое имеется пока очень мало данных. Наличие первых доказанных органических остатков, представленных строматолитами, он- колитами и микробиотой (остатки сине-зеленых водорослей и бактерий), является свидетельством достаточно теплого климата в - местах их развития на поверхности Земли. Единичные температурные оценки, сделанные по породам с возрастом от 2,3 до 1,3 млрд. лет, дают величины в интервале от 40 до 70° С (Knaut, Epstein, 1976). Если мощность солнечного излучения в то время была несколько ниже, чем теперь, то наличие столь высоких температур можно объяснить только парниковым эффектом, обусловленным преобладанием в первичной атмосфере Земли углекислого газа.

В этой связи заслуживает внимания предложенная О. Г. Сорохтиным глобальная модель химической эволюции недр нашей планеты, ее гидросферы и атмосферы. В этой модели внешнее ядро современной Земли предполагается состоящим из окиси одновалентного железа, внутреннее — преимущественно из железа с никелем и, вероятно, небольшим количеством свинца, платины и меди. В настоящее время благодаря исследованиям океанических пород в рифтовых трещинах океана и их аналогов — офиолитов, механически впечатанных в континентальную кору, можно с хорошей достоверностью представить наиболее вероятную химическую модель современной мантии Земли. Мысленное смешение главных химических компонентов всех геосфер позволяет представить модель среднего петрологического состава первичной, еще неот- дифференцированной нашей планеты.

О том, что первичная Земля должна была быть сравнительно однородной, свидетельствует модель ее аккреции холодного протопланетного газопылевого облака, предложенная О. Ю. Шмидтом и наиболее полно разработанная его учеником В. С. Сафроновым. Сразу после своего образования около 4,5—4,6 млрд. лет назад Земля была достаточно однородной по составу и достаточно холодной внутри. Разогрев за счет соударения наиболее крупных планетозе- малей не мог поднять температуру в верхних 1000 км первичной Земли выше 1000°С. Наша планета в первые 0,5 млрд. лет своего развития не была покрыта атмосферой, так как из-за отсутствия магнитного поля «солнечный ветер» (поток заряженных частиц) должен был сдувать с ее поверхности все выделявшиеся газы. Вероятно, небольшая их часть могла сорбироваться реголитом — первозданным, весьма пористым гр\нтом. Поэтому в первые 0,5 млрд. лет поверхность Земли, по-видимому, должна была очень походить на современную лунную. Кстати, по современным оценкам, весьма вероятно, что Луна в то время должна была располагаться примерно в 3 раза ближе к Земле, чем теперь. Очень молодая Земля вынуждена была вращаться вокруг своей оси примерно в 4 раза быстрее, чем в настоящее время, ведь на протяжении всей истории ее развития происходит замедление вращения нашей планеты под влиянием лунно-солнечных приливов. Обращенная к Солнцу поверхность нашей планеты быстро нагревалась, а через несколько часов охлаждалась до очень низких температур; это происходило на протяжении всего начального догеологического периода ее развития, который окончился около 4 млрд. лет назад.

Насколько можно судить по возрасту древнейших пород, около 4 млрд. лет назад начался мощный процесс гравитационной дифференциации, обусловленный, вероятно, выделением зародыша ядра. По оценкам А. С. Монина и О. Г. Сорохтина, в то время должно было выделиться до 40—50% массы современного ядра и около 5- 1030 Дж тепла. В результате такого бурного выделения тепла произошел значительный разогрев мантии и в ней возникли мощные конвективные потоки, Они взломали, потопили и переработали верхнюю, холодную оболочку Земли и уничтожили первичный луноподобный рельеф нашей планеты. В то время, вероятно, происходили мощные излияния базальтов, анертозитов и коматитов. Вместе с ними из недр Земли было выброшено значительное количество газов и паров воды. которые и сформировали первичные атмосферу и гидросферу нашей планеты.

Отметим, что бурный процесс выделения зародыша ядра не привел к полному расплавлению мантии, ибо, если бы оно произошло, недра Земли быстро стратифицировались бы и она прекратила бы свое развитие, чего нет в действительности — тектоническая эволюция продолжается. Об этом красноречиво свидетельствуют перемещения ансамбля литосферных плит и в наши дни, которые, вероятнее всего, обусловлены химико-плотностной конвекцией, охватывающей всю мантию; насколько можно судить по пространственному расположению поясов тектонической активности, структура этой мантийной конвекции в настоящее время близка к двуячеистой (Ушаков, 1974; Ушаков, Галушкин, 1978). Эта конвекция генерируется опусканием в ядро тяжелых металлов, прежде всего окислов железа. В дальнейшем развитии Земли химический состав мантии, атмосферы и гидросферы менялся постепенно. Железо, его окислы, другие сидерофиль- ные элементы — никель, свинец, платина, медь и сульфиды, а также серебро и золото — опускались в ядро и продолжали наращивать его. Одновременна большинство самых подвижных литофильных элементов — хлор, фтор, натрий, калий, редкоземельные и др., а также вода переходили из мантии во внешние геосферы — земную кору, гидросферу и атмосферу.

Согласно модели О. Г. Сорохтина, мощность глобальных тектонических процессов определяется в основном скоростью перехода в ядро окислов железа. На начальном этапе геологической эволюции, после выделения зародыша ядра, скорость поступления Fe20 возрастала по мере увеличения поверхности ядра, а затем начала уменьшаться из-за обеднения мантии окислами железа. Максимальная скорость погружения Fe20 в ядро должна была быть в конце раннего и начале среднего протерозоя (1,8—1,5 млрд. лет назад).

Самая большая скорость дегазации мантии, согласно этой модели, была в раннем архее сразу после выделения ядра. Первые пары воды, вероятно, оседали на холодной поверхности Земли и насыщали грунт. Поэтому первые неглубокие и разрозненные морские бассейны, вероятно, могли образоваться через 200—300 млн. лет после начала бурной дегазации мантии. Вместе с парами воды из мантии дегазировались углекислый газ, сера, хлор, бор, фтор, йод. Эти активные элементы попадали в атмосферу и в гидросферу, вступали в реакцию с приповерхностными вулканическими породами, разрушали их и образовывали легкорастворимые соли и карбонаты. Последние попадали в воду молодых архейских морей и «засоляли» их, хотя по элементному составу соленая вода этих ранних морей, вероятно, отличалась от современных. В позднем архее, около 3 млрд. лет назад, отдельные моря могли соединиться и образовать протоокеаны. В ту пору прото- океаны отделялись друг от друга не только и не столько ядрами континентов, сколько гребнями океанических рифтовых хребтов, поднимавшихся значительно выше уровня воды. Как и в настоящее время, в позднем архее и раннем протерозое эти хребты, вероятно, занимали срединное положение только в молодых разрастающихся океанических впадинах, возвышаясь в виде двойных горных цепей над поверхностью океана.

Рифтовая трещина, как правило, была ниже уровня океана, и в ней происходила гидратация океанической коры. В раннем протерозое почти вся выделяющаяся из мантии вода уходила на гидратацию океанической коры. Процесс гидратации должен был существенно влиять и на состав атмосферы нашей планеты в архее и раннем протерозое. До тех пор пока рифтовые трещины поднимались над уровнем океана, процесс связывания углекислого газа в карбонатах протекал вяло, поэтому углекислый газ и накапливался в атмосфере. Только после гидратации океанической коры в рифтовых трещинах, которая происходила на рубеже архея и протерозоя, началось связывание углекислого газа в карбонатных породах, отлагающихся в переходных зонах раннего протерозоя. По мере связывания углекислого газа, накопленного в архейской атмосфере, его парциальное давление в раннепротерозойской атмосфере постепенно-уменьшается и, как следствие, уменьшается парниковый эффект всей атмосферы. Климат на Земле в раннем протерозое становится холоднее, вероятно, именно поэтому первое покровное оледенение могло возникнуть только в начале протерозоя.

Палеоклиматическая интерпретация глобальной геодинамической модели позволяет высказать предположение: не является ли погружение рифтовых трещин под воду древнего океана и, как следствие, связывание углекислого газа в карбонатах главным фактором, разделившим геологическую историю на два крупнейших палеогеографических этапа. В первый — архейский (бескислородный) — в атмосфере преобладал углекислый газ; рифтовые хребты возвышались над уровнем океана. Во второй — протерозойский — хребты постепенно погружались под воду океана, углекислый газ атмосферы связывался в карбонатных отложениях переходных зон; в процессе дегазации мантии понемногу начало возрастать количество кислорода в атмосфере. Эта глобальная геодинамическая модель предсказывает и значительное увеличение за счет дегазации мантии кислорода в атмосфере Земли, начиная с позднего протерозоя. Но ведь именно с венда началось бурное развитие жизни на Земле, и с этим развитием органически традиционно связывают увеличение поступления кислорода в атмосферу. Может быть, поставить проблему иначе — бурное развитие жизни на Земле начинается с конца протерозоя и продолжается в фанеро- зое потому, что в этом эоне стало возрастать поступление кислорода из недр в атмосферу. В такой постановке глубинные процессы предопределяют многие эволюционные черты палеогеографии нашей планеты и, как следствие, развитие жизни на Земле.

Еще одна проблема — разработка хороших количественных моделей влияния глобальной тектоники (а именно дрейфа материков, регрессий, трансгрессий, эволюции объема и состава гидросферы и атмосферы) на климат нашей, планеты. Это новое, геофизическое направление палеогеографических исследований, вероятно, должно будет впитать в себя современные количественные модели взаимодействия атмосферы и океана, долгосрочного климатического прогноза, глобальной тектоники. Кроме того, развитие этого нового научного направления потребует целенаправленного сбора и критического анализа обширной палеогеографической информации.

Анализ палеогеографической обстановки далекого геологического прошлого с позиций теории глобальной тектоники имеет принципиально новый практический «выход» на эндогенные полезные ископаемые, а именно дает ключ к пониманию закономерностей их формирования. До появления теории тектоники литосферных плит практически все геологи традиционно предполагали, что рудное вещество, из которого формируются эндогенные полезные ископаемые, или поднимается по разломам непосредственно из мантии и является продуктом мантийной дифференциации, или образуется из поднимающихся из мантии флюидов. Но, как свидетельствуют геолого-геофизические исследования океанических рифтовых трещин (а именно они служат «окнами» в мантию Земли), концентрация большинства рудных элементов в ней очень низкая: олова, молибдена, лития—порядка 10~6; свинца, серебра, вольфрама, платины— 10~7; ртути— Ю-8; содержание золота и урана — порядка Ю-9. Кроме того, условия выплавки океанических базальтов и содержание в них ювенильной воды позволяют считать мантию почти совсем сухой: концентрация воды в ней 10~3—Ю-4.

Как отмечалось выше, общее обогащение континентальной коры рудными и литофильными элементами на конвергентных границах плит при поддвигании океанической литосферы происходит за счет выноса их из океанической коры, и особенно из затянутых вместе с ней осадков. Но такой вынос приводит в основном лишь к общему повышению содержания в континентальной коре литофильных рудных элементов и только в отдельных случаях дает их промышленные скопления. Теория тектоники литосферных плит, на основе которых открыт процесс затаскивания осадков в зоны поддвига, дала ключ к новому пониманию исключительно важного значения всей совокупности палеогеографических процессов не только в формировании экзогенных месторождений полезных ископаемых, но и многих эндогенных. Ведь географические условия в геологической истории Земли играли, как играют и в настоящее время, решающую роль в процессах выветривания и осадкона- копления, т. е. в перераспределении химических элементов в приповерхностных слоях земной коры. Попадая на конвергентных границах вместе с погружающимися краями плит на значительные глубины и переплавляясь там, карбонатные осадочные образования, а также глины, песчаники, фосфориты, эвапориты и другие дифференцированные близ поверхности отложения и дают то разнообразие эндогенных горных пород и, конечно, рудных месторождений, которые и являются главным объектом геологической науки. Поэтому установление генетических закономерностей взаимосвязи глубинных пород с их приповерхностными, осадочными «родителями» — одно из важнейших и пока еще очень слабо разработанных новых фундаментальных направлений развития палеогеографических исследований, имеющих прямой выход в практическую геологию.

И все-таки одним из важнейших новых научных направлений является, по нашему мнению, существенно новый, мобилистский подход к анализу влияния всей палеогеографической обстановки на эволюцию жизни на Земле, особенно в бурный фанерозой- ский этап. До самого последнего времени палеонтологи, как правило, не учитывали влияния расколов и столкновений различных материков (и перемещений каждого из них в различных климатических зонах) на формирование экологических провинций и, следовательно, на весь процесс эволюции жизни на Земле. Теперь контуры эт ой фундаментальной географической, биологической и геологической проблемы начинают вырисовываться все яснее. Решение ее потребует тесного научного сотрудничества географов и геофизиков, биологов, палеонтологов и математиков, т. е. серьезной интеграции усилий исследователей самых различных специальностей.

Вряд ли можно теперь сомневаться, что за последние 10—15 лет наука о Земле вышла на качественно новый уровень магистрального пути своего развития, и в этом немалую катализирующую роль сыграла гипотеза дрейфа материков, еще несколько десятилетий назад казавшаяся фантастической, а ныне почти общепризнанная.