дных карьеров вновь заработали.
Железистые формации и крупные магматические провинции
Каким образом огромные массы железа сконцентрировались в таких местах, как Железные Кряжи Миннесоты или хребет Хамерсли в Австралии? Большинство этих залежей происходят из так называемых полосчатых железистых формаций[56] (железистых кварцитов). Как следует из их названия, в этих породах красные железистые полосы (рис. 14.4) толщиной от нескольких миллиметров до сантиметра чередуются с полосами, состоящими из чистого кремнезема (в виде кремня или яшмы). Иногда на огромной площади обнажений можно наблюдать тысячи непрерывно чередующихся полос. Когда их впервые обнаружили в середине XIX в., они представляли собой загадку. Еще удивительнее, что эта порода состоит из окислов чистого железа и кремня, а ил либо песок если и присутствуют, то в очень небольших количествах – хотя вполне можно ожидать, что их сносило в древние моря во время отложения этого железа.
Рис. 14.4 Выход железистых кварцитов полосчатой железистой формации (BIF). Источник: Wikimedia Сommons
Так как же отложения, состоящие из растворенных железа и кремнезема, осели на морском дне, не смешавшись с песком и с илом? Прежде всего нужно знать, что ныне железо не может оставаться растворенным в морской воде, потому что оно быстро окисляется до разных форм оксидов («ржавчины»), пристает к другим минералам или оседает. Транспортировать и концентрировать большое количество железа в морской воде можно только в том случае, когда содержание кислорода в ней настолько мало, что железо не может ржаветь. Это подтверждает, что древние моря во времена образования такого рода железистых формаций, вероятно, были совершенно бескислородными, а большинство геологов считают, что и в атмосфере Земли кислорода тогда содержалось очень мало.
Далее, нужно, чтобы морское дно располагалось достаточно далеко от суши: у песка и у илов не должно быть возможности смешиваться в глубоком океанском бассейне с химическими отложениями железа и кремнезема. Не исключено, что эти железорудные бассейны находились в центре древних морей, а илы и песок накапливались в окраинных водоемах древних континентов. Однако месторождения Хамерсли, по-видимому, сформировались на мелководном морском шельфе, поэтому такая модель верна не для всех железистых кварцитов. Наконец, откладывать огромные массы железа намного проще, если оно будет поступать в океан из какого-то мощного источника. Большинство геологов считают, что это железо появлялось в основном в результате выветривания богатых им базальтовых лав в древних срединно-океанических хребтах, а также, возможно, в результате выветривания наземных пород, и что затем его в растворенном виде в океан приносили реки (так могло бы происходить только в том случае, если бы эти реки тоже были полностью бескислородными). В последнее время геологи, работающие с железистыми кварцитами, заметили, что некоторые из крупнейших месторождений возникли, когда на Земле происходили гигантские излияния плато-базальтов, образовавших так называемые крупные магматические провинции (КМП)[57]. Выветривание таких аномально больших объемов излившихся пород должно было давать огромное количество железа, пока содержание кислорода в атмосфере и в океане было низким и железо могло оставаться в растворе и не окисляться.
Рис. 14.5 Временнáя шкала появления кварцитов полосчатой железистой формации (BIF), строматолитов и концентрации кислорода в докембрии
Железистые кварциты полосчатой железистой формации обнаружены в некоторых древнейших горных породах планеты, в том числе в породах возрастом 3,7 млрд лет из упоминавшегося (в главах 12 и 13) супракрустального комплекса Исуа в Гренландии. Большинство железистых кварцитов мира (рис. 14.5) образовались в архее (от 4 млрд лет назад до около 2,5 млрд), когда не только атмосфера Земли была бескислородной, но и планету покрывали небольшие протоконтиненты в окружении протоокеанов, сложенных странными лавами – коматиитами (см. главу 12). К периоду 2,6–2,4 млрд лет назад сформировался основной объем железистых кварцитов, в том числе огромные горы железа в хребте Хамерсли в Австралии, железные кряжи района Верхнего озера, а также аналогичные месторождения в Бразилии, России, Украине и Южной Африке. На этот промежуток времени приходится также пик гигантских излияний магмы в крупных магматических провинциях. Затем железистые кварциты полосчатой формации начали исчезать, при этом все еще продолжали формироваться крупные залежи железа в виде гранул, известные как зернистые железистые формации (GIF)[58].
«Кислородный холокост»
Около 2,3 млрд лет назад на нашей планете явно что-то произошло. Спустя 400 млн лет после этого (1,9 млрд лет назад) обе железистые формации (BIF и GIF) полностью исчезли, за исключением нескольких странных проявлений (рис. 14.5) во время эпизода Земли-снежка около 750–580 млн лет назад (см. главу 16). Большинство геологов считают, что в это время содержание кислорода в земной атмосфере, а возможно, и в океане наконец стало достигать значительного уровня. Это явление назвали Кислородной катастрофой – GOE[59] в профессиональной терминологии. Между тем доля кислорода даже не приближалась к нынешнему атмосферному уровню в 21 %. В океанах она увеличилась от практически нулевого уровня перед отметкой в 2,4 млрд лет назад до примерно 1 % от современного содержания океанского кислорода, и этого было достаточно, чтобы растворенное в океанах железо начало ржаветь. А, как уже говорилось, примерно 1,9 млрд лет назад доля кислорода в океанах, по мнению геологов, повысилась настолько, что этот газ начал улетучиваться в атмосферу и, возможно, вызвал первое выветривание горных пород на суше, хотя содержание его в атмосфере все равно было не слишком велико. Считается, что только в последние 500 млн лет присутствие кислорода на Земле достигло современного уровня, когда этим газом полностью насыщены океаны и атмосфера.
Откуда мы знаем, что уровень кислорода был таким низким? Лучшее подтверждение исходит от железистых кварцитов, которые могли образоваться только при ничтожно малом его количестве – таком, когда железо оставалось растворенным, а не ржавело. Есть и другие геохимические индикаторы. До момента, датируемого 1,9–1,8 млрд лет назад, в речных отложениях находились гранулы и галька из уже знакомого нам пирита, или «золота дураков», минерала, который по составу представляет собой сульфид железа (FeS2). Сегодня пирит образуется только в местах с очень низким уровнем кислорода, например, на дне стоячих водоемов или в глубоких горячих источниках и в породах земной коры вдали от атмосферы. Как только зерна пирита на поверхности выветриваются, они быстро превращаются из сульфида в оксид железа. Я собрал образцы оксида железа, которые все еще имели кристаллическую форму пирита, хотя их минералогический состав уже изменился. Когда пирит разрушается, железо высвобождается, а сера окисляется до сульфата, образуя такие минералы, как гипс (сульфат кальция, CaSO4). Неудивительно, что мы находим мало крупных месторождений гипса старше примерно 1,8 млрд лет и не обнаруживаем пиритовую гальку или пиритовый песок, датируемые более поздним временем. До момента 1,7 млрд лет назад вполне обычны песчаные гранулы, состоящие из оксида урана (настуран, или уранинит, UO2), однако после этой отметки их уже не находят. Подобно песчинкам из пирита и растворенному железу, они нестабильны в атмосфере, богатой кислородом.
Кроме того, если посмотреть на летопись изотопов серы во времени, то после отметки примерно в 2,2 млрд лет назад мы не увидим действительно малых величин, связанных с низким содержанием кислорода. Изотопные значения серы в архейских породах сильно варьируют, повсеместно обнаруживая значительные флуктуации. Однако после момента 2,4 млрд лет назад картина становится очень устойчивой, потому что вместо свободного плавания в минералах типа пирита атомы серы горных пород оказываются прочно связанными в гипсе и других минералах, распространенных в мире, богатом кислородом.
Таким образом, с появлением доступного кислорода мир претерпел кардинальные изменения. Случившееся называют иногда «кислородным холокостом», потому что для форм жизни, привыкшим к бескислородным условиям, появление такой реакционноспособной молекулы, как О2, означало смерть (см. главу 13). Сегодня эти бактерии и другие микроорганизмы, приспособленные к условиям с низким содержанием кислорода, вынуждены жить в местах с минимумом этого газа – например, на дне стоячих озер и морских бассейнов вроде Черного моря. Однако до отметки в 2,3 млрд лет назад они правили планетой. Когда содержание кислорода в атмосфере возросло, среда стала для них поистине смертоносной, и они уступили мир организмам, способным выжить в новых условиях.
Возникает естественный вопрос: откуда земная атмосфера взяла свободный кислород? Ответ ясен: это результат фотосинтеза, который обеспечивали сначала синезеленые бактерии, или цианобактерии (см. главу 13), а затем и растения – когда появились эукариотические «настоящие» водоросли. Большая проблема заключается в том, что известны окаменелости цианобактерий возрастом 3,5 млрд лет (а возможно, даже 3,8 млрд лет), однако Кислородная катастрофа начинается только около 2,3–1,9 млрд лет назад. Может быть, цианобактерии производили так мало кислорода, что это не оставило следа на планете? Или цианобактерии вырабатывали много кислорода, но он в основном оказывался в породах земной коры (например, в железистых кварцитах), которые в результате окислялись, пока наконец не появилось столько кислорода, что резервуары земной коры оказались насыщены и свободный кислород начал наконец выделяться? Или 2,3 млрд лет назад – это время, когда развились те «настоящие» эукариотические водоросли с их гораздо более крупными клетками и большей выработкой кислорода. Может быть, только они могут производить этого газа столько, чтобы хватило перекрыть поглощающие возможности земной коры, в то время как гораздо более мелкие цианобактерии на это не способны. Какой бы ни была причина кислородной динамики в атмосфере, подобные рассуждения остаются пока весьма спорными и умозрительными, и единого мнения по этому вопросу не существует. Ясно только, что после отметки 1,7 млрд лет назад повсюду росли уже эукариотические водоросли, а в атмосфере содержался 1 % (а то и больше) О