Николай Ясаманов - Популярная палеогеография
Увеличение мощности атмосферы и возникновение гидросферы объясняется освобождением из пород верхней мантии при интенсивных вулканических процессах водяного пара и газов. Действительно, газы, выделяющиеся при извержении современных вулканов, содержат большое количество водяного пара. Например, при извержении вулканов гавайского типа (вулканы гавайского типа характеризуются излиянием базальтовой подвижной магмы, бедной газам; застывание происходит медленно) в газах при температуре 1000–1200 °C содержится около 80 % воды и не менее 6 % углекислого газа. Встречается также значительное количество хлора (40 %), метана (до 3–5 %) и аммиак. Из лав при высокой температуре, кроме водяного пара, выделяются такие соединения, как борная, соляная и фтористая кислоты, сероводород и др.
Основываясь на химическом анализе газовых пузырьков в кварцитах катархейского и архейского возраста, советский литолог Ю. П. Казанский попытался определить состав древней атмосферы. По его мнению, в архее и катархее атмосфера имела азотно-аммиачно-углекислый состав. В ней кроме преобладающего углекислого газа (до 60 %) находились азот, сероводород, аммиак, серный газ, пары соляной и фтористой кислот. Первичная атмосфера была довольно разреженной, ее температура у земной поверхности мало отличалась от температуры так называемого лучистого равновесия (температура лучистого равновесия определяется отношением величины потока солнечного тепла, поглощенного поверхностью, к величине потока уходящего (отраженного) излучения земной поверхности. Последняя пропорциональна четвертой степени температуры этой поверхности). Сравнительно низкая температура способствовала конденсации водяного пара из вулканических газов. Таким образом водяной пар превращался в жидкость, которая, заняв пониженные участки, дала начало формированию гидросферы.
Доказательством наличия гидросферы не только в архее, но и даже в катархее является обнаружение на Земле древнейших осадочных пород в Гренландии и Южной Африке, возраст которых оценивается в 3,8 млрд. лет. Причем надо отметить, что это возраст метаморфизма, а, следовательно, время их образования, должен быть еще более ранним.
При описании состава первичного океана необходимо остановиться на двух источниках привноса растворенных соединений. С одной стороны, это растворенные в воде атмосферные газы, а с другой — соли и соединения, входящие в состав годных пород, обнаженных на земной поверхности в пределах древних первичных континентов. Перешедшие из атмосферы в воды океана угольная и другие кислоты, сера, сероводород и аммиак создавали высокую кислотность древнейших океанических вод. Высокая агрессивность природных вод способствовала интенсивному разложению обнаженных на земной поверхности вулканических горных пород и усиленному извлечению из них щелочей и щелочноземельных элементов и соединений. Со временем доля последних возросла, одновременно с этим снизилась кислотность океанических вод и сравнительно быстро установилось кислотно-щелочное равновесие.
«Все анионы морской воды возникли в результате дегазации мантии, т. е. удаления из нее газов, а катионы — при выветривании горных пород», — таков один из основных тезисов известного геохимика, академика А. П. Виноградова. Действительно, содержание в морской воде таких анионов как хлор и бром, в десятки и сотни раз превышает их количество в горных породах. Следовательно, они могли возникнуть только в результате дегазации мантии. Исходя из этого можно предположить, что соленость первичного океана должна была быть близкой к современной, хотя содержание катионов могло сильно отличаться и приближалось к современному только по мере возрастающего разрушения и растворения горных пород первичных континентов.
Об отсутствии кислорода в древней атмосфере и океане свидетельствует наличие в большом количестве не только в изверженных, но и в осадочных горных породах элементов и соединений, не подвергшихся окислению. Так, например, в катархейских карбонатных породах имеется много неизмененных зерен пирита и уранинита и отсутствует окисленная сера. Все эти породы характеризуются большой величиной отношения закисного железа к окисному.
Ввиду того, что свободного кислорода в атмосфере длительное время не было, озоновый экран отсутствовал. Атмосфера легко пропускала ультрафиолетовое излучение Солнца. В таких условиях не могло быть и речи о возможном существовании каких-либо живых организмов на суше. Под воздействием ультрафиолетового излучения в водах морей и океанов начали образовываться сложные органические соединения вплоть до аминокислот. Этому, возможно, содействовала и относительно высокая температура земной поверхности, так как насыщенность атмосферы углекислотой способствовала задержке теплового излучения.
Свободный кислород первоначально расходовался на окисление аммиака, и при этом выделялся свободный азот. Метан и окись углерода окислялись до углекислоты, основная часть которой уходила в океан. Сера и сероводород окислялись до сернистого и серного ангидрита. В океане осаждались карбонатные и сульфатно-карбонатные осадки, а морская вода становилась хлоридно-карбонатно-сульфатной.
Появление гидросферы и атмосферы было весьма важным качественным рубежом в истории Земли. Их развитие усложнило и дифференцировало процессы, протекающие в древнейшей географической оболочке. Земная кора, гидросфера и атмосфера вступили в сложные взаимоотношения путем обмена энергии и веществ. Активно происходили процессы преобразования горных пород на земной поверхности. В бескислородной атмосфере процесс выветривания протекал весьма своеобразно в обстановке повышенных температур и высокой кислотности природных вод и атмосферы.
Только в раннем протерозое, по мнению Ю. П. Казанского, атмосфера стала кислородно-азотно-углекислой. Подтверждением этого является наличие не только мощных толщ джеспилитов, т. е. пород, состоящих из кварца и окисного железа — гематита, но и разнообразных красноцветных пород, пигментирующее вещество которых состоит из окисного железа. Эти породы могли образоваться только при наличии в атмосфере свободного кислорода. Однако наряду с окислительными обстановками в протерозое существовали и восстановительные условия.
Главнейшими газами атмосферы были углекислый газ, аммиак, азот, а сопутствующими — кислород, серный ангидрит, сероводород, пары соляной и фтористой кислот, метан. По сравнению с археем общее количество кислот сильно снизилось. Тенденция к снижению паров кислот, метана, соединений серы и аммиака существовала на протяжении всего протерозойского времени. Одновременно общее количество азота в атмосфере продолжало увеличиваться.
Имеется и другая точка зрения по поводу появления свободного кислорода в атмосфере. По расчетам Л. Беркнера и Я. Маршалла, его содержание в атмосфере в одну тысячную долю от современного (так называемая точка Юри) было достигнуто примерно 1,2 млрд. лет назад, т. е. в середине рифея. С этим выводом хорошо согласуются многие палеонтологические и геохимические материалы.
Наличие свободного кислорода, пусть даже в небольших количествах, благоприятствовало появлению организмов, потребляющих кислород, остатки которых найдены в породах протерозоя.
Критическим уровнем содержания свободного кислорода в биологическом отношении является так называемая точка Пастера, когда количество кислорода в атмосфере составляло одну сотую от современной и организмы взамен анаэробного брожения стали пользоваться более эффективным потреблением энергии — окислением при дыхании. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла, данный уровень был достигнут около 600 млн. лет назад. В это время произошел экологический взрыв — массовое распространение животных почти всех известных в настоящее время типов.
С изменением содержания кислорода в древней атмосфере тесно связано количество углекислоты. Углекислый газ попал в атмосферу, а затем в гидросферу, являясь продуктом дегазации мантии. Он возник в результате взаимодействия гранита с водой при высоких температурах, разложении карбидов, высокотемпературной диссоциации карбонатитов, а также путем окисления метана и, главное, как продукт, выделяющийся при вулканических извержениях
Углекислый газ удалялся из атмосферы и гидросферы благодаря химическим реакциям (образование карбонатов) или биологическим путем, когда огромные массы его расходовались на образование скелетов организмов.
Так, в катархее и архее карбонатных пород известно очень мало. Только в раннем протерозое, когда в атмосфере появился кислород, а океаническая вода стала хлоридно-карбонатной, их объем стал увеличиваться. Большое содержание углекислого газа в морской воде и высокий щелочной резерв последней обеспечивали образование мощных известково-доломитовых и доломитовых толщ.
