Геохронологическая шкала эволюции Земли

Установление продолжительности отдельных периодов и эпох, как и возраста Земли в целом, заставило обратиться к равномерному процессу, протекающему с известной скоростью в течение исследуемого периода и позволяющему делать количественные измерения. Эти соображения высказали Ломоносов («О слоях земных», 1763) и Ламарк («Гидрогеология», 1802). С этой целью пытались исследовать накопления солей в океане и другие ученые. Они получили оценки, не противоречащие расчетам, полученным другими методами.

Возрасты химических элементов и тел Солнечной системы определили по соотношению изотопов свинца Рb-206 — Рb-208 в метеоритах и земной коре и рассчитали: возраст Земли — 4,55 млрд лет. Возраст радиоактивных ядер в Солнечной системе примерно 4,8 млрд лет, и считают, что тяжелые ядра образовались непосредственно перед формированием планет примерно за 200 млн лет. Академик А. Е. Ферсман разделил время существования атомов Земли на три эпохи: эпоху звездных условий существования, эпоху начала формирования планет, эпоху геологического развития.

Термин «геохронология» принят в науках о Земле для обозначения времени и последовательности образования горных пород, слагающих земную кору. Относительный возраст пород оценивается достаточно просто в одном геологическом разрезе, поскольку каждый налегающий пласт образовался позднее того пласта, на который он ложится. Этот стратиграфический метод применяют и при сравнении возраста пород в разных разрезах, хотя приходится привлекать и данные палеонтологии для сопоставления возраста слоев.

Геохронологическая шкала принята в 1881 г. на Международном геологическом конгрессе, на котором были введены термины: эра, период, эпоха, век, время. Хотя это разделение условно, но на рубеже соседних эр или периодов происходили существенные геологические преобразования, а каждое подразделение обладало качественным своеобразием. Эры — наиболее крупные промежутки времени, включающие катархей (от образования Земли до зарождения жизни); архей (3,5 — 2,6 млрд лет); протерозой (2,6 млрд — 570 млн лет) и фанерозой (570 млн лет — наше время) (рис. 10.6).

По степени изученности вся история планеты делится на две части. Более древняя охватывает огромный интервал времени от

570 до 3800 млн лет назад. Ее назвали криптозоем, или периодом со скрытым развитием жизни. Хотя он изучен недостаточно, геологи установили необратимый характер осадкообразования и основные тенденции эволюции Земли под влиянием развивающейся жизни.

Более молодая эра, составляющая 570 млн лет и названная фанерозоем (от греч. phaneros — явный + zoe — жизнь), изучена лучше. К ней относятся формации палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Палеозой (570 — 230 млн лет) включает периоды: кембрий (570 — 500 млн лет), ордовик (500 — 440 млн лет), силур (440 — 410 млн лет), девон (410 — 350 млн лет), карбон (350 — 285 млн лет), пермь (285 — 230 млн лет). К мезозою относят периоды: триас (23 — 195 млн лет), юра (195 — 137 млн лет) и мел (137 — 67 млн лет). Кайнозой разделяют на периоды и века. Период палеогена состоит из веков палеоцена (67 — 27 млн лет), эоцена (54—38 млн лет) и олигоцена (38 — 27 млн лет). Период неогена (27 — 3 млн лет) делят на века: миоцен (27 — 8 млн лет) и плиоцен (8 — 3 млн лет). Последний период назвали четвертичным. Он состоит из веков плейстоцена (3 млн—20 тыс. лет) и голоцена (20 тыс. лет — наше время).

Согласно обобщениям академика Н. М. Страхова в настоящее время в истории Земли выделяют четыре этапа химико-биогенного осадкообразования.

Первичные океан и атмосфера, когда живое появлялось в ограниченных масштабах. В ранний архей формировалась водная оболочка Земли, в океанах были растворены выделяемые вулканами

продукты: сероводород (H₂S), метан (СН₄), углекислый газ (С0₂), соляная (НС1), плавиковая (HF) и борная (Н₃В0₃) кислоты, различные углеводороды. Сульфатов тогда, как и свободного кислорода для их образования из сернистого водорода, почти не было. В атмосфере преобладали С0₂ и NH₃, присутствовали и НС1, H₂S0₄, CH₄ и несколько инертных газов. Кислотность воды (рН) была порядка -1—2. Температура на поверхности Земли составляла 65 — 80 “С.

Началось образование первичных осадочных горных пород. Поверхность Земли была похожа на современную лунную: площади между вулканами занимал неглубокий океан, а вулканы выступали в виде островов. Климат был влажный, вулканогенно-осадоч-ный, и климатических поясов в современном понимании не было. Наличие углекислоты в атмосфере способствовало выветриванию изверженных пород, образовывались карбонаты калия, натрия, магния, кальция и коллоидные частицы А1₂0₃, Si0₂, Fe₂0₃. Попадая в кислую среду океана, они превращались в хлориды калия, натрия, магния и кальция, что меняло состав первичного океана, уменьшая его кислотность. Вулканические породы поверхности подвергались выветриванию, на них осаждались кремнезем и сульфиды тяжелых металлов. Это происходило в катархейскую эру.

Появление первых организмов вплоть до фотосинтезирующих. К концу архея состав морской воды изменился. Благодаря воздействию силикатов осадочных отложений и карбонатов К, Са, Na, Mg, образовавшихся на поверхности суши при выветривании минералов вулканических пород под действием углекислой атмосферы, кислоты моря нейтрализовались. Кислотность воды уменьшалась, карбонаты вступали в реакцию с соляной кислотой, образуя хлориды. Менялся состав атмосферы. С суши поступали растворенные карбонаты, они не только преобразовывали хлорид-ную воду в хлоридно-карбонатную, но и выпадали в осадок. Так наряду с песчано-глинистыми осадками и продуктами вулканической деятельности на дне океанов начали формироваться карбонатные отложения — доломиты и известняки. Усиленно отлагались хемогенный кремнезем и окислы железа с образованием илов (позже превращенных в железистые кварциты — источники современных месторождений железных руд). Сложившиеся толщи пород архея достигают огромной мощности (10 — 12 км). Они подвергались метаморфизму и складчатости, происходила гранитизация пород. Гранитные тела поднимались вверх в виде гранитных куполов, деформируя другие породы. Возник метаморфический слой с континентальным типом земной коры; на некоторых территориях современных материков, образуя их ядра, появились древние щиты, выступающие над водой.

С возрастанием роли азота атмосфера очищалась от аммиака и метана. Во время образования обширных континентальных мас-

сивов стали зарождаться климатические зоны — сухого, холодного (ледникового) и влажного климата. В морской воде начали выделяться доломиты CaMg(C0₃)₂, оседающие химическим путем на океаническое дно, где в основном в илах с прослойками минералов накапливались кремнезем, железо и марганец. Возникли многочисленные глинистые минералы, давшие начало образованию кристаллических сланцев. Все эти следы седиментации (от лат. sedimentum — оседание) расшифровываются с большим трудом.

Большая часть докембрийского периода — третий этап (от 3 млрд до 0,6 млрд лет до нашего времени). Протерозой представлен большим числом сильно метаморфизованных пород на нарастающей земной коре. В раннем протерозое на окраинах сложившихся щитов началось развитие первых геосинклинальных зон, где происходили процессы прогибания коры, накопление мощных вулка-ногенно-осадочных толщ, а затем внедрение гранитных массивов, метаморфизм, складчатость, поднятие этих участков — горообразование и поднятие континентов. Но были участки с медленным развитием этих процессов, и образовались крупные платформы жесткой стабилизации. В геосинклинальных зонах с мощными отложениями осадочных пород возникала складчатость. Процессы регулировались тектоническим развитием литосферы. Земная кора разрасталась по поверхности и в глубину. При этом осадочные породы погружались на глубины, подвергаясь процессам гранитизации и метаморфизма, теряя легкоподвижные компоненты, которые перемещались в верхние горизонты. Большая часть карбонатных материалов разрушалась, переходя в силикатные с выделением углекислоты. То же происходило и с водой.

Затем на окраинах платформ возникли новые геосинклинальные пояса — Тихоокеанский, Средиземноморский, Атлантический, Урало-Монгольский и Арктический; их развитие расширяло площадь континентальной коры. Усиливалось отложение доломитов и известняков, что было связано с появлением сине-зеленых водорослей и изменением состава атмосферы. Выделяющиеся при вулканических процессах сера и водород при наличии кислорода образовывали сульфаты, которые вытесняли из морской воды СO₂ в осадок, и наряду с чисто химическими явлениями, за счет связывания карбонатов микроводорослями, большую роль начали играть и органогенные известняки. От этого периода до нас дошли ледниковые отложения. Возникали континенты.

Первичные живые организмы были анаэробными, т. е. жили без кислорода, питаясь готовыми органическими веществами. Но резерв органики, возникающей из смеси неорганических веществ под влиянием жесткого солнечного излучения и грозовых разрядов, иссякал. Поэтому природе следовало бы выработать способы

i

формирования крупных молекул иными способами. Преимущество получили те клетки, которые могли сами использовать энергию солнечного излучения. Некоторые простые соединения способны к этому, если в их состав входят атомы магния (как в хлорофилле). Усвоенная солнечная энергия ускоряла реакции обмена, необходимые для появления органики; она накапливалась, а затем расщеплялась с высвобождением энергии.

Решающие изменения произошли с появлением фотосинтеза. Он обеспечил независимость жизни от внешних питательных веществ. Появились автотрофные организмы. Их следы найдены в отложениях. Даже в породах архея находят остатки зеленых водорослей (3 млрд лет назад). В гидросфере и затем в атмосфере появился свободный кислород, быстро меняющий состав атмосферы; метан и аммиак почти исчезли благодаря окислению, стал убывать и С0₂. Кислород был ядом для анаэробных организмов, они «прятались» в болота, где выделяли метан, или приспосабливались к дыханию, или вымирали. Переход к фотосинтезу длился долго. К кембрию атмосфера стала почти современной — азотно-кислородной по составу. Океан терял углекислоту, обогащаясь кислородом. Вулканическая сера и сероводород стали переходить в сульфатную форму H₂S0₄. Серная кислота, взаимодействуя с растворенными карбонатами, вытесняла углекислоту, а вода обогащалась сульфатным ионом (S0₄)₂. Металлы стали менее подвижны, в кислородной среде они осаждались уже в высших стадиях окисления, накапливались толщи пород, содержащих железо в окисной, карбонатной и сульфидной формах, например Курская магнитная аномалия, Кривой Рог, Нама-Трансвааль (Южная Африка), Хамерсли (Австралия), Верхнее озеро и Лабрадор (Северная Америка) и другие, относящиеся к залеганию пород, которое произошло 3 — 2 млрд лет назад. Возросшая масса органического вещества присутствует в отложениях третьего периода докембрия, появляются горючие сланцы и множество рассеянных органических отложений.

Фанерозой — последний этап развития верхних геосфер. Возникают две обширные платформы — Гондвана и Лавразия (Лаврентьевский щит + Азия), развиваются все известные формы осадочных пород внутри континентов в пониженных местах. Существенно изменяется биосфера из-за быстрого развития жизни и «кислородной революции». Произошел переход от прокариотов к эукариотам. В начале палеозоя живое вещество переходит на сушу, занимая области с влажным климатом, формируя наземные флору и фауну. Масса живой материи резко растет, жизнь проникает и в более глубокие области океанов. Меняется качественный состав живого, организмы начинают усваивать минеральные вещества для формирования своего скелета. Развивающаяся жизнь меняет и мир вокруг себя. Морская вода становится все более хло-

ридно-сульфатной, такие элементы, как Fe, Mn, P, Co, Va, Си, стали существовать в виде малорастворимых, сильно окисленных соединений, и концентрация их в морской воде резко упала. Обилие кислорода снизило подвижность Fe, Mn, P, Va, Cr, Co, Cu, Ni и др., они оказались только в виде взвесей, поэтому их залежи могут быть вблизи берегов моря. На суше процесс накопления солей происходил периодически. В океанах формировались битуминозные глины, горючие сланцы, а на суше — угли.

Для образования углей более подходящими были каменноугольный и пермский периоды, а после ослабевания процесса в триасе — юрский, меловой и палеогенный периоды. Организмы стали использовать для образования скелетов СаС0₃ и Si0₂, что сделало состав морской воды щелочным. Начали осаждаться фосфориты, что привело к появлению их месторождений. Так, под влиянием живого вещества океан стал иным, и осадочные породы из закисно-окисных стали углисто-карбонатно-галогенными. Эволюция Земли как планеты и эволюция живого на ней были взаимосвязаны и взаимозависимы. На весь ход миграции химических элементов в верхних оболочках Земли все сильнее — и прямо, и косвенно — влияло живое вещество биосферы.

Изменение облика нашей планеты можно оценить при изменении масштаба восприятия. Для наглядности геолог и путешественник князь П.Н.Кропоткин создал «сценарий» такого «фильма», когда каждая секунда экранного времени соответствует миллиону лет жизни Земли. Первые 2 — 3 мин идут «кадры» сотворения мира: из сгустка космической пыли, газа и обломков погибших миров формируется шарообразное тело планеты. Следующие 40 мин «фильма» — рассказ о древнейшем этапе геологической истории (архейская эра), Земля обрела первичную атмосферу, на ней появилась жизнь. Но развивалась жизнь очень вяло, и почти ничего не изменилось за 2 млрд лет, или 33,3 мин. Только в протерозое всего за 17 мин (1 млрд лет) растительность распространилась из океанов на прибрежные участки суши; появились черви, моллюски, трилобиты. Все развитие жизни (фанерозой) промелькнет за 10 мин — «кадры» будут меняться с огромной скоростью, будут меняться контуры материков, растительность, рельеф, виды животных и т.д. Меняются физические поля и атмосфера. И из этих 10 мин история человека займет лишь 2 с.