ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ

Свидетельства об изменяющемся составе атмосферы, содержащиеся в породах протерозоя, позволяют предполагать, что в течение этой эры происходило резкое возрастание концентрации кислорода. Мы знаем, что содержание его в современной атмосфере, поддерживаемое процессом фотосинтеза, протекающим в растениях, равно 21 объемному проценту, и понятно, что колебания уровня его содержания в прошлом были неразрывно связаны с историей жизни на Земле. Ниже мы рассмотрим интересные и неожиданные последствия изменений содержания кислорода в атмосфере – например, в отношении добычи железной руды для наших металлургических заводов. Особенностью некоторых протерозойских осадочных пород, возраст которых превышает приблизительно два миллиарда лет, является то, что они содержат такие минералы, как пирит (называемый иногда «золотом дураков») и уранинит. По своему химическому составу пирит представляет собой сульфид железа, FeS₂, а уранинит, как вы можете догадаться, есть минерал урана. В некоторых местах концентрация уранинита в породах протерозоя настолько велика, что его можно добывать в качестве урановой руды. Сами по себе находки этих минералов не являются чем‑то выдающимся – их находят также и в породах другого возраста. В особое положение раннепротерозойские пирит и уранинит ставит тот факт, что они встречаются в осадках, которые были первоначально отложены в условиях речных русел и морских пляжей. Тщательное исследование показало, что сами минералы представляют собой угловатые зерна, извлеченные процессом эрозии из какой‑то материнской породы и перенесенные к месту их отложения текучей водой. Однако ни уранинит, ни пирит не встречаются в такой обстановке в наше время, поскольку в присутствии кислорода они неустойчивы. За очень короткое время они окисляются и разрушаются. По‑видимому, те реки или потоки, в которых эти зерна переносились к месту их отложения, как и современные потоки, находились в контакте с протерозойской атмосферой. Принцип актуализма подсказывает, что атмосфера раннего протерозоя отличалась от современной. Очевидный ответ состоит в том, что атмосфера содержала тогда так мало кислорода, что как уранинит, так и пирит могли сохраниться в виде угловатых зерен, не подвергаясь окислению. Эти минералы больше не встречаются в отложениях водных потоков моложе приблизительно двух миллиардов лет, что указывает на то, что в это время содержание кислорода в атмосфере начало повышаться.

Возможно, хотя и маловероятно, что зерна урана и пирита сохранились, избежав окисления, благодаря какому‑то пока еще неизвестному механизму. Но существует еще по крайней мере два указания в протерозойских породах, которые также заставляют нас предположить, что земная атмосфера имела низкое содержание кислорода до эпохи, отстоящей от нас приблизительно на два миллиарда лет. Одно из них связано с добычей железа.

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 Fe²⁺ или Fe³⁺, 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 Fe²⁺. 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 Fe³⁺. (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 Fe³⁺.) Но Fe³⁺ 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 Fe²⁺ не окислялись бы и те же самые воды могли бы содержать гораздо больше растворенного железа, поскольку Fe²⁺ гораздо более растворим, чем Fe³⁺.

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 Fe³⁺, 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 Fe²⁺. 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.