Общая характеристика докембрия. Архей

 

Эти наиболее древние образования  с возрастом, как правило, превышающим 3,5 млрд. лет, развиты на всех континентах. В Европе это Кольская серия Кольского п-ова, беломорская серия Карелии и др.; в Азии – алданская серия Алданского щита, анабарская серия Анабарского массива, канский комплекс Канского выступа, зерендинская серия Казахстана, индостанский комплекс Индии и др.; в Африке – «древние гнейсы» Свазиленда, гнейсо-гранулитовый комплекс Зимбабве и др.; в Северной Америке – гнейсо-гранулитовые комплексы Канадского щита; в Южной Америке, Австралии, Антарктиде - древнейшие комплексы щитов.

Органический мир.  

 

О зарождении жизни и самых  ранних этапах ее развития мы говорили ранее. По-видимому, уже ранее 3,5 млрд. лет в раннем архее появились  настоящие живые организмы прокариоты – бактерии и цианобионты. Например, в кремнистых сланцах группы Онвервахт надсерии Свазиленд (Южная Африка) и перекрывающей ее серии Фиг-Три с возрастом 3,5–3,1 млрд. лет найдены микроорганизмы Eobacterium isolatum . Вообще говоря, в 1960–80-е гг. было описано много находок окремненных микрофоссилий в отложениях, имеющих возраст 2,5–3,8 млрд. лет, однако многие из них позднее оказались либо псевдофоссилиями, либо современными контаминантами.

В породах серии Исуа в  юго-западной Гренландии с возрастом  около 3,8 млрд. лет обнаружены изолированные палочки длиной 0,45–0,7 мкм и диаметром 0,18–0,32 мкм с двухслойными оболочками, нитеподобные образования, микроскопические шаровидные, дисковидные и многоугольные оболочки одноклеточных прокариот (цианобионтов). Это наиболее древние палеонтологические остатки. В первой половине архея прокариоты прошли сложный путь развития, так как уже в середине архея существовали два самостоятельных царства органического мира - бактерии и цианобионты. Эти первые обитатели Земли жили практически в бескислородной среде, населяя мелководные водоемы на глубинах, скорее всего, от 10 до 50–60 м, поскольку для защиты от губительного ультрафиолетового излучения Солнца требовался слой воды толщиной не менее 10 м .

Структуры земной коры и породообразование.  

 

В архее выделяются шесть диастрофизмов: готхобский второго порядка (около 4000 млн. лет), саамский первого порядка (3750–3500 млн. лет), белингвийский, свазилендский, барбертонский второго-третьего порядков (в позднем архее) и кеноранский (беломорский) первого порядка (2800–2600 млн. лет). Все эти циклы диастрофизма включали складчатые деформации, интенсивный и разнообразный магматизм, мигматизацию, гранитизацию и другие процессы.

Наиболее характерными элементами структуры раннего архея являются обширные «складчатые овалы» размером до 600- 800 км в поперечнике и расположенные между ними «межовальные поля» – сочетание куполов и мульд. В создании этих структурных форм основное значение имели вертикальные движения. К центральным частям овалов приурочены обширные поля гранитоидов. Характерна центростремительная вергенция складок на крыльях овалов. Не меньшие по размерам структурные формы – гранитогнейсовые купола.

Особенности тектонического режима раннего архея:

•  отсутствие дифференциации земной коры на платформы и геосинклинали;

•  отсутствие контрастного рельефа и грубообломочных отложений;

•  однообразие супракрустальных пород (лат. supra – сверху, вверху, crusta – кора) на всех континентах – признак «Панталассы», общепланетарного океана;

•  широкое распространение анортозитов – признак спокойной тектонической обстановки; только в конце раннего архея режим несколько приблизился к геосинклинальному;

•  тонкая и достаточно пластичная первичная кора, из-за чего не могли возникать сводовые поднятия и глубинные разломы;

•  внедрение огромных масс гранитоидов в результате саамского диастрофизма, которое привело к утолщению земной коры до 25- 30 км .

Наиболее распространенные супракрустальные породы – меланократовые амфиболовые, амфибол-пироксеновые и  пироксеновые плагиогнейсы, кристаллические сланцы, амфиболиты. Это – сильно метаморфизованные основные либо ультраосновные лавы, возможно, туфы. В Западной Гренландии, на Кольском п-ове, на Алданском щите, в Южной Африке установлены коматииты – высокомагнезиальные вулканические ультрамафит-мафитовые породы.

Несомненно осадочными считаются  мраморы кальцитового и доломитового составов, графитсодержащие гнейсы и  кристаллические сланцы. Характерно преобразование пород в условиях гранулитовой и амфиболитовой фаций. Гранулитовая фация регионального метаморфизма является исключительной особенностью нижнего архея.

В России лучше всего изучены  нижнеархейские образования на Алданском  щите. Супракрустальный комплекс щита – алданская серия – представлен  наиболее полно из всех известных подразделений нижнего архея. Возраст серии – 3800–4000 млн. лет. Породы алданской серии представлены кварцитами, пироксеновыми и амфиболовыми кристаллическими сланцами, амфиболитами, гнейсами иенгрской подсерии мощностью более 3 км . Выше залегает тимптонская подсерия – гнейсы, амфиболиты с пачками мраморов и известково-силикатных пород. Мощность около 8 км . Еще выше – джелтулинская подсерия, сложенная гранат-биотитовыми, пироксеновыми гнейсами, гранулитами и мраморами. Мощность более 4 км . Общая мощность алданской серии порядка 15 км .

Среди докембрийских отложений выделяют различные литостратиграфические комплексы, сложенные ассоциациями пород, отражающими специфику среды их образования. В нижнеархейских образованиях выделяют шесть литостратиграфических комплексов:

1. Иенгрский метабазит-кварцитовый: основные кристаллические сланцы, амфиболиты (метабазиты), горизонты кварцитов и высокоглиноземистых гнейсов (зверевская толща Станового хребта, далдынская серия Анабарского поднятия, серия Раномена Мадагаскара).

2. Унгринский метабазитовый: меланократовые двупироксеновые и амфиболовые кристаллические сланцы, амфиболиты по основным и ультраосновным вулканитам, прослои гнейсов и силикатно-магнетитовых пород (унгринская свита Алданского щита, верхнеанабарская подсерия Анабарского массива, канская серия Енисейского поднятия, в Северной Америке – нижняя часть гренвиллского комплекса; нижняя часть нижнеархейских комплексов Экваториальной, Западной и Северо-Западной Африки; в Австралии – нижние части гнейсо-гранулитовых комплексов).

3. Федоровский метабазит-карбонатный: основные пироксеновые кристаллические сланцы, амфиболиты (метабазиты) с подчиненными прослоями карбонатных пород (мраморов, известково-силикатных сланцев). Прослои гнейсов, кварцитов, магнетитовых пород. К этому комплексу приурочены древнейшие в истории Земли эвапориты (ангидритсодержащие мраморы, известковистые кристаллические сланцы Алданского щита, Канады, Бразилии), а также богатые фосфором породы. Распространен на Анабарском массиве, в Енисейском кряже, в Присаянье (верхняя часть шарыжалгайской серии), на Украинском щите (тетеревобугская серия, белоцерковская свита), в Северной Америке (верхняя часть гренвиллского комплекса), в Африке и др.

4. Сутамский комплекс: тонкослоистые гранат-биотитовые гнейсы, грубослоистые или массивные лейкократовые гранатовые гранулиты, прослои различных гнейсов, метабазитов, мраморов, высокоглиноземистых гнейсов. Известен на Анабарском массиве, в Восточном Саяне, Становом хребте, Кольском п-ове, в Африке.

5. Слюдянский комплекс: карбонатные и силикатно-карбонатные породы и различные кристаллические парасланцы (гранат-биотитовые, силлиманит-кордиеритовые и др.). Карбонатов здесь не менее 30 %, а метабазиты имеют подчиненное значение. Слюдянская серия Южного Прибайкалья, бирюсинская и дербинская серии Восточного Саяна, ваханская серия Памира и др. По мраморам из бирюсинской серии получен возраст 3,7 млрд. лет.

6. Серия Исуа : амфиболиты, пара- и ортосланцы, джеспилиты, кислые метавулканиты, мета-конгломераты. Мощность серии 2 км . В Гренландии породы серии залегают в виде дугообразной полосы среди обширного поля гнейсов Амитсок – тоналитовых очковых пород с темноцветными минералами гранулитовой и амфиболитовой фаций. Породы серии Исуа датируются 3760 млн. лет; гнейсы Амитсок – 3980 млн. лет, гранито-гнейсы Готхоб – 4065 млн. лет.

Серия Исуа, вероятно, сформировалась между двумя периодами тектоно-магматической активизации. Перед отложением этой серии имел место готхобский диастрофизм (фаза складчатости) II порядка (4 млрд. лет), с которым связано формирование гнейсов Амитсок (гранулитовая фация). В конце формирования серии Исуа произошел саамский диастрофизм I порядка (3750–3500 млн. лет), завершивший саамскую эпоху тектогенеза.

В федоровском комплексе впервые  появляются карбонатные породы, что  знаменует важный стратиграфический  рубеж, связанный с уменьшением  в составе атмосферы и гидросферы содержания СО 2 и сильных кислот. После отложения четвертого – сутамского – комплекса содержание СО 2 упало еще больше, так что пятый – слюдянский – комплекс оказался существенно карбонатным.

Железорудные  толщи могли произойти за счет выноса железа при вулканических извержениях, а кремнезем ( SiO 2 ) находился в избытке в растворе. Графитистые породы нижнего архея (федоровский, слюдянский комплексы и др.) имеют, скорее всего, абиогенное происхождение, поскольку в то время еще не было достаточного количества биомассы для формирования столь большого количества графитосодержащих пород. Это же соображение относится и к фосфатоносным породам.

Физико-географические условия.

Вполне  вероятно существование единого  океана Панталассы, на дне которого отлагались осадки и шло подводное излияние лав.

В раннем архее существовала горячая  гидросфера. Температура поверхности  Земли была, вероятно, выше 70 °С или  даже выше 100 °С. Гидросфера в раннем архее была резко углекислой, содержащей сильные кислоты, т. е. была агрессивной, заметно минерализованной и соленой.

Атмосфера содержала около 99 % СО 2 (без учета  воды). Давление должно было составлять около 70 бар. При таком давлении температура  кипения воды должна быть 260–285 °С.

Таким образом, атмосфера раннего архея была очень плотной, бескислородной, горячей и состояла в основном из паров воды, углекислоты и ряда других компонентов («кислые дымы»)- Такая атмосфера обусловливала сильный парниковый эффект.

Поздний архей.

Общая характеристика.

Позднеархейский эон охватывает время 3150-2600 (по другим данным, 2500) млн. лет. Образования верхнего архея отличаются от нижнеархейских, знаменуя собой начало нового крупного этапа истории Земли – платформенно-геосинклинального. Стратотип верхнего архея – надсерия Свазиленд в ЮАР. Для супракрустального комплекса характерны осадочно-вулканогенные толщи, близкие к эвгеосинклинальному типу. Миогеосинклинальные и платформенные формации распространены пока незначительно. Породы метаморфизованы в условиях амфиболитовой и зеленосланцевой фаций, нередко встречаются конгломераты, характерны джеспилиты, локально развита гранитизация.

Верхнеархейские супракрустальные породы и прорывающие  их интрузивы распространены широко на всех континентах. Это, например, лопский  комплекс Карелии, лептитовая формация Швеции, тетеревская, копкско-верховцевская серии Украины, надсерия Свазиленд ЮАР, формация Шерри-Крик США, комплекс Пилбара Австралии и др.

Органический мир.

В позднем архее создались условия, более благоприятные для существования и размножения организмов: снизилась температура воды, уменьшилась ее кислотность и химическая агрессивность. В верхнеархейских породах обнаружены хорошо определимые органические остатки: фитолиты (строматолиты, онколиты) и микрофоссилии.

Строматолиты представлены мелкими фестончатыми и куполовидными формами и пластовыми образованиями. Это, как уже указывалось ранее, продукты жизнедеятельности цианобионтов. Микрофоссилии – это также цианобионты и бактерии. В кремнистых породах серии Фиг-Три (Южная Африка) встречены микроскопические образования, напоминающие одноклеточные водоросли и бактерии. Количество биомассы в сравнении с ранним археем значительно возросло, но она была представлена исключительно прокариотами, так как эукариоты еще не возникли. От более молодых аналогичных ископаемых позднеархейские прокариоты отличаются меньшим размером клеток.  

 

Деятельность  цианобионтов постепенно привела к  увеличению количества кислорода в  атмосфере и гидросфере. Около 3 млрд. лет назад была превышена точка  Юри, т.е. содержание кислорода в атмосфере поднялось выше 0,001 от современного. С этим впоследствии будут связаны активизация развития и усложнение других групп организмов, а также изменение процессов осадконакопления.

Дополнительным  источником информации о древнейшей жизни являются продукты жизнедеятельности микроорганизмов – биомаркеры, а также данные об изотопном составе углерода. Надежные биомаркеры в архейских отложениях не обнаружены, за исключением 2-метилгапанов в сланцах возрастом 2,7 млрд. лет, подстилающих серию Хамерсли Австралии (2,5 млрд. лет). Эти биомаркеры являются измененными липидами, которые в массовом количестве синтезируются только цианобионтами.  

 

Современные С-изотопные данные свидетельствуют  о наличии в палеоархее автотрофных  организмов, способных к биологической фиксации СО 2 , и о широком развитии в неоархее как оксигенных фотосинтетиков, так и метаногенных и метилотрофных бактерий, которые увеличивали степень изотопного фракционирования углерода в ходе переработки органических соединений.

Структуры земной коры и породообразование.  

 

Для верхнего архея характерны зеленокаменные пояса. Зеленокаменные породы верхнего архея развиты в виде узких, часто  неправильных по форме участков, представляющих структуры геосинклинального типа, разделенные обширными полями глубокометаморфизованных пород нижнего архея.  

 

Для верхнего архея характерны различные  вулканиты с преобладанием основных: толеитовые базальты, коматииты, диабазы, андезибазальты. Из обломочных пород  преобладают граувакки, аркозы, алевролиты, пелиты и конгломераты.