Александр Конюхов - Читая каменную летопись Земли...
Следует подчеркнуть, что когда мы говорим о старении породы, то имеем в виду те необратимые изменения, которые происходят в ее структуре и минеральном составе по мере погружения в недра, в зону все более высоких температур и давлений. Речь, следовательно, не идет о геологическом возрасте осадочных образований. Например, кембрийские и даже позднепротерозойские (свыше 600 млн лет) отложения нередко остаются слабо преобразованными, так как не испытали воздействия глубинного жара и давлений. Обычно такие «молодцеватые старички» встречаются на платформах, например в окрестностях Балтийского щита, где осадочный покров тонок, а фанерозойский этап развития не был отмечен тектоническими катаклизмами.
Напротив, относительно молодые по возрасту породы, в том числе раннекайнозойские (60–30 млн лет), оказавшись в зоне активных тектонических взаимодействий, например в полосе столкновения литосферных плит, быстро изменяются. Этому способствует погружение на глубину нескольких километров, где господствуют температуры порядка 200–300 °C и давления 500–600 атм. В короткий отрезок времени такие породы превращаются в метаморфические образования.
Помимо обычного метаморфизма, связанного с влиянием высоких температур, в некоторых условиях, в основном при погружении океанической коры в зону Беньофа, наблюдается метаморфизм высоких давлений. Исходные осадочные породы при этом метаморфизуются также, однако приобретают совсем иной облик (и минеральный состав), чем при обычном метаморфизме.
В осадочных бассейнах, где в течение длительного времени в широких масштабах накапливались однородные глинистые осадки, наблюдается целый ряд интересных явлений. Отсутствие обычных спутников глин, а в этой роли чаще всего выступают песчаники, реже известняки, нарушает обычную саморегуляцию системы в недрах. Она становится замкнутой. Определенная часть седиментационных вод, отжимающихся из глин, успевает покинуть осадки в процессе их уплотнения. Однако огромные массы межслоевой воды, высвобождающейся в довольно узком диапазоне глубин с температурами 100–120 °C, оказываются как бы запечатанными в глубине осадочной толщи. Здесь возникают аномально высокие пластовые давления, не соответствующие геостатической нагрузке.
Строго говоря, абсолютно однородных толщ не бывает. В однородных глинах также обычно присутствуют, хотя и в подчиненном количестве, линзы и отдельные горизонты песчаников, которые все же не могут обеспечить разгрузку выделяющихся из глин поровых вод. Давление флюидов в редких изолированных песчаных телах становится настолько большим, что они превращаются в плывуны. Последние нередко продавливают вышележащие осадки. Их сплошность нарушается. В образовавшийся канал устремляется не только песчаная пульпа, но и масса разуплотненных глин. Со временем здесь образуются мощные глиняные диапиры, часто достигающие земной поверхности. В результате зарождаются грязевые вулканы. В частности, их много в Приазовье, Предкавказье, на Апшеронском полуострове и полуострове Челекен (восточное побережье Каспия). В последнее время были обнаружены подводные грязевые вулканы на дне западной котловины Черного моря на глубинах более 2000 м. Их диаметр не превышает 1–2 км, а высота колеблется от 30 до 80 м. В сопочной брекчии, поднятой с вершины одного из этих вулканов, были обнаружены кристаллы газогидратов.
Фрагменты из каменной летописи земли
Планета простейших
Планета Земля, как полагают ученые, сформировалась 4,6 млрд лет назад, когда из плотного облака космической пыли и газов конденсировалась земная твердь. С тех пор многое переменилось на успокоившейся планете. На ее поверхности понизилась температура. Водяные пары сгустились в потоки, заполнившие кратеры и понижения среди базальтовых скал. В мутной воде кратеров возникли первые сложно построенные углеродные соединения, включавшие аминокислотные основания, молекулы с длинной углеродной цепью — углеводороды, трансформировавшиеся вскоре в жирные кислоты. В кратеры — природные химические реакторы, куда вместе с водой и пылью стекали щелочи и кислоты, заносились и космические частицы. Здесь в процессе частых молекулярных взаимодействий появились структуры, напоминавшие белки и нуклеиновые кислоты, другие органические соединения самого невероятного строения. Однако это еще не было жизнью.
Откровенно говоря, мы не знаем точно, когда и как заработал биологический конвейер. Занес ли на Землю споры микроорганизмов космический ветер, или в органическом бульоне при неблагоприятных изменениях в среде сложные органические молекулы стали сбиваться в плотные скопления, защищенные извне относительно устойчивыми липидными структурами? Скорее всего, мы этого никогда и не узнаем. Если все же исходить из предположения о земном начале жизни, то неизбежная дифференциация органических молекул в какой-то момент привела к появлению протоплазматических образований, способных осуществлять обмен веществом с окружающей средой. Эти скопления распадались и соединялись вновь, так как еще отсутствовал аппарат наследственности. Однако внутри протоплазматических скоплений уже протекали обменные реакции, требовавшие для поддержания структуры в равновесии поступления «строительных материалов» в виде аминокислот, углеводов, липидов, простых химических соединений.
Вскоре началась борьба за эти материалы. Поэтому выживали скопления с элементами внутренней организации, способные хотя бы к частичному самовоспроизведению. Вероятно, прошли сотни миллионов лет, прежде чем из этих бесформенных комков с неопределенным периодом существования выделились первые клеточные структуры. Жизнь началась с изобретения природой первых механизмов наследственности. Какими они были на заре биологической эволюции, остается только догадываться. В конечном итоге победил и сохранился лишь аппарат гениально простой и изящный, устроенный на базе РНК и ДНК, вскоре ставший универсальным.
Когда первичный протоплазматический бульон был «съеден» простейшими организмами, большинство из них перешли на минеральное питание, научившись извлекать энергию путем перевода одних химических соединений в другие и применять ее для синтеза биохимических структур. Некоторые простейшие, вероятно, использовали для этих целей метан и иные растворенные в воде углеводородные газы. Но были и простейшие, что существовали за счет разложения отмерших клеток и возвращения в круговорот различных органических веществ.
Состав первичной земной атмосферы определялся газами, которые выделялись при столкновении с планетой многочисленных космических тел и частиц, еще остававшихся в пространстве между молодыми планетами Солнечной системы. Среди этих газов преобладали диоксид и оксид углерода, пары воды и сернистый газ. В начале аккреции — нарастания массы Земли и увеличения ее диаметра (за счет столкновения с малыми небесными телами и ассимиляции космической пыли) — происходил сильный разогрев планеты. Однако на рубеже 4,1–3,9 млрд лет назад аккреция в основном завершилась. Разогрев тем не менее сохранялся еще долго, так как при обилии углекислого газа в атмосфере, а его давление, по данным С. Аррениуса, достигало 20 бар, возник мощный парниковый эффект. Водород и гелий, выделявшиеся из недр Земли, улетучивались из земной атмосферы в космическое пространство. Аммиак и метан, присутствовавшие в ней в виде примеси, в верхних слоях разрушались под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Свободный кислород практически отсутствовал, а пары воды, выпадая в виде жидкости на землю, создали первичный океан. Учитывая все сказанное, можно прийти к выводу, что в период зарождения жизни атмосфера Земли состояла из углекислого газа, оксида углерода и азота.
Отпечатки древнейших организмов были найдены недавно в породах архейского возраста. Судя по отпечаткам, эти простейшие уже были защищены клеточной мембраной, но не имели ядра. Такие организмы, находящиеся на самом примитивном уровне развития, называют прокариотами.
На Земле, выносившей жизнь, завершался этап образования первичной континентальной и океанической коры.
Крупные массивы с протоконтинентальным строением поднимались в виде островов над безбрежным пространством воды. Они стали теми ядрами, вокруг которых впоследствии сложились первые материки. Несмотря на то что вода занимала в то время большую часть земной поверхности, это еще не был океан в современном понимании. Неглубокое его дно было сложено гетерогенными породами, а мантия находилась совсем недалеко от поверхности. Тут и там из воды поднимались жерла огнедышащих вулканов, а спрединг — формирование молодой океанической коры — носил преимущественно рассеянный характер. Протоматерики представляли собой пустынные пространства, изрезанные многочисленными руслами пересыхающих потоков. В периоды выпадения обильных дождей они заполнялись водой. Грунтовые воды еще не играли заметной роли, так как непрерывный осадочный чехол отсутствовал. Выветривание носило в основном физический характер в результате преобладания ветровой и водной эрозии. Ледники на вершинах гор еще не существовали, зато важным фактором, усиливавшим денудацию суши, были удары крупных и мелких небесных тел. Поэтому поверхность Земли изобиловала, словно оспинами, метеоритными кратерами, в которых образовывались озера. Несмотря на скромные масштабы химических процессов выветривания, вынос с суши обломочного материала был весьма значительным. Высокий уровень испарения влаги в аридных зонах приводил к формированию эвапоритов. Древнейшие соленосные отложения (возрастом около 3,5 млрд лет) недавно были идентифицированы в Австралии. В зонах с гумидным климатом реки сбрасывали обломочный материал прямо на континентальный склон (шельфы были неразвиты), к которому, видимо, и были приурочены первые крупные осадочные бассейны.
