На заре жизни. Органический мир докембрия

Что такое докембрий

Когда-то считалось, что Земля существует всего 6000 лет. Однако накопление геологических знаний раскрывало такую сложную цепь исторических событий, что они никак не могли уложиться в невероятно узкие рамки библейского летосчисления. В 1779 г. французский ученый Ж. Бюффон в своей работе «Эпохи природы» уже называет цифру 75 тыс. лет, а М. В. Ломоносов примерно в это же время считает, что надо говорить по крайней мере о сотнях тысяч лет. Шотландский геолог Дж. Геттон в конце XVIII в. и англичанин Ч. Лайель в начале XIX в. рассуждали об очень долгой, может быть бесконечной, истории Земли. Но это были только предположения и догадки.

В прошлом веке уже делались первые попытки строгих математических подсчетов. Выдающийся английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил интересный метод. В то время всеобщим признанием пользовалась гипотеза постепенного охлаждения Земли из первичного огненно-жидкого состояния. Если вычислить ежегодный тепловой баланс Земли и узнать скорость, с какой она теряет теплоту, нетрудно подсчитать, сколько лет назад земная кора была расплавленной. Подсчеты неожиданно дали большую цифру — 100 млн. лет. Это показалось Кельвину настолько невероятным, что впоследствии он уменьшил цифру втрое.

В начале нашего века для определения возраста горных пород был впервые применен метод радиоактивного распада элементов. Принцип его широко известен. Радиоактивные изотопы урана (U238), распадаясь, превращаются в атомы свинца и гелия, радиоактивные изотопы калия (К40) переходят в аргон, рубидия (Rb87) — в стронций и т. д. Радиоактивный распад идет с постоянной для каждого элемента скоростью, на которую не влияют ни температура, ни давление, ни космические излучения, ни магнитные поля. Скорость этого процесса известна, и если мы узнаем, сколько содержится в минерале исходных радиоактивных элементов и продуктов их распада, можно вычислить время образования этого минерала.

Такие подсчеты еще в начале нашего века позволили английскому геологу Холмсу сделать первые определения возраста горных пород. Для каменноугольных отложений была получена цифра 350 млн. лет, для девонских — 380, а для докембрийских даже — 1580 млн. лет. В это же время один из основоположников современной ядерной физики Э. Резерфорд оценил возможный возраст Земли в 3400 млн. лет. Нельзя сказать, что эти данные были сразу же единодушно приняты всеми геологами. Но повторные определения и многочисленные новые цифры, получаемые совершенно независимо в лабораториях различных стран мира, становились убедительнее. Вторая мировая война затормозила исследования, но уже к 1950 г. геохронологическая шкала фанерозоя была полностью заполнена многократно проверенными цифрами. Однако данных об абсолютном возрасте докембрийских пород публиковалось очень мало. И дело было но в недостатке материала. Просто первые результаты определений казались невероятными даже для уверенных в своих выводах физиков. Здесь надо сделать небольшое отступление.

В начале 50-х годов на страницах геологических журналов развернулась дискуссия между академиком Н. С. Шатским и членом-корреспондентом АН СССР (ныне академиком) Б. С. Соколовым о положении верхнего докембрия в общей геологической шкале. Дело в том, что ниже палеонтологически охарактеризованных отложений палеозоя, но выше метаморфических толщ, относимых к архею и нижнему протерозою, во многих странах выделялись толщи, достаточно тесно связанные с кембрийскими отложениями, похожие на них по типу пород, но лишенные органических остатков. В Скандинавии их называли спарагмитами, в Северной Африке — иифра-кембрием, в Америке — альгонкием и т. п.

Н. С. Шатский считал, что верхнепротерозойские отложения Урала, Прибалтики и Сибири и одновозрастные им отложения из других стран следует выделять в самостоятельную группу, сопоставимую по объему с палеозоем или мезозоем. Наиболее полный и типичный разрез (или, как говорят геологи, стратотип) этих толщ находится на Южном Урале, в пределах горной части Башкирии, и поэтому новую группу предлагалось называть рифейской. Рифейские горы — древнее название Урала. Продолжительность рифейской эры он оценивал в 150–200 млн. лет.

Б. С. Соколов полагал, что правильнее было бы выделять не группу, а систему и включать ее в состав палеозоя как первое подразделение палеозойской группы. Такие попытки уже делал в 20-х годах американский геолог А. Грабау, много лет проработавший в Китае и выделивший там докембрийскую синийскую систему палеозоя. Длительность синийского периода Б. С. Соколов оценивал в 1958 г. в 80–90 млн. лет. Следует здесь же заметить, что подобные дискуссии об объеме и положении альгонкия, инфракембрия, синия, рифея и прочих подразделений проводились и в других странах, и в 1958 г. в Париже прошло Международное совещание по проблеме пограничных слоев кембрия и докембрия, на котором от Советского Союза выступали Н. С. Шатский и Б. С. Соколов.

Сначала большая часть геологов поддержала Б. С. Соколова, и Межведомственный стратиграфический комитет — организация, координирующая исследования советских геологов в области стратиграфии (науки о земных слоях), — принял название «синийские отложения» в качестве обязательного для всех геологических карт, издающихся в СССР.

Примерно в это же время геохимики и физики решили наконец опубликовать свои данные о длительности синийского и рифейского этапов истории Земли. Оказалось, что нижняя граница рифея (или синия) приходится на интервал 1550–1600 млн. лет[2] т. е. этот этап длился около миллиарда лет, практически вдвое больше, чем весь фанерозой. Конечно, сравнивать этот этап с периодом невозможно, да и эрой назвать такой огромный отрезок времени можно только с большой натяжкой. Но рифейские отложения — это только верхний докембрий, а древнейшие породы на Земле имеют возраст не менее 4 млрд. лет! В последнее время появлялись даже упоминания о цифрах 8, 9 и 15 млрд. лет, но эти данные нуждаются еще в тщательной проверке.

Следовательно, на долю докембрия приходится не менее 7/8 геологической истории нашей планеты. Сразу же оговоримся: это вовсе не значит, что 7/8 горных пород земной коры являются докембрийскими. Дело в том, что отложения более поздних эпох перекрывали докембрийские толщи широким и иногда достаточно мощным чехлом. Но и на поверхности Земли или на небольшой глубине докембрийских пород совсем немало.

А самое главное, что к этим толщам приурочены огромные богатства. Докембрийские породы заключают 70 % мировых запасов полезных руд, 63 % марганца, 93 % кобальта, 66 % урана, крупные запасы меди, золота, фосфоритов и много других полезных ископаемых. Докембрийские породы нередко представляют собой ценный строительный материал, прочный и красивый. Набережные Невы в Ленинграде, основание Медного всадника, Исаакиевский собор и даже гробница Наполеона в Парижском пантеоне сделаны из докембрийских горных пород.

Многие месторождения в докембрийских толщах являются совершенно уникальными. Железные руды Кривого Рога и особенно Курского бассейна могли бы обеспечить сырьем металлургическую промышленность всех стран мира в течение многих лет.

В докембрийских породах провинции Катанга (Республика Заир) заключено по меньшей мере четыре уникальных мировых месторождения. Здесь содержится 2/3 мировых запасов кобальта с содержанием элемента в руде до 2–3 % (рентабельной же считается разработка месторождений, если руда содержит 0,1 %, а в некоторых случаях даже 0,05 % кобальта). Кроме того, эти руды содержат до 10–12 % меди (рентабельна разработка медных руд при содержании всего 1–2, а то и 0,5 % металла). Здесь же находится крупнейшее в мире месторождение урана с содержанием U308 до 2–3 %, что превосходит необходимый для разработки минимум в 25–50 раз. К тому же попутно добывается столько золота, что одного его хватило бы для полного покрытия всех расходов на выгодную разработку всех конголезских месторождений.

Можно напомнить здесь и о крупнейшем месторождении золота Витватерсранд (или просто Ранд), расположенном в Южной Африке. Здесь докембрийские породы системы Трансвааль содержат несколько прослоев конгломератов и песчаников, из которых каждый год добывается до 40–50 % мировой добычи золота. Попутно из этих пород извлекают иридий и уран.

В докембрийских породах заключено и одно из наиболее крупных урановых месторождений мира у Большого Медвежьего озера в Канаде. И здесь, кроме урана, содержатся медь, серебро, никель, кобальт и висмут в количествах, вполне достаточных для успешной и выгодной их разработки.

Этот список богатств, таящихся в древнейших породах Земли, можно было бы продолжить. Железные руды Кирунавары (Швеция), Верхнего озера (Канада) и Бихара (Индия); марганцевые месторождения Хингана, Индии, Бразилии, Западной и Южной Африки; никелевое месторождение Сёдбери (Канада), дающее 80 % мировой добычи этого металла, и т. д. Словом, докембрий заслуживает того, чтобы его изучали самым тщательным образом.

Мы уже говорили, что установление возраста горных пород во многом определяет и направление поисков полезных ископаемых. Казалось бы, что методы датировок горных пород по радиоактивным изотопам полностью решают эту проблему.

К сожалению, дело обстоит не просто. Во-первых, в горных породах не так много минералов, в которых содержатся эти изотопы, и находки их в количестве, достаточном для получения убедительных цифр, — скорее редкое исключение, чем правило. Во-вторых, эти минералы за миллионы лет подвергались воздействию различных процессов, которые значительно изменяли их структуру и влияли на распределение в них радиоактивных изотопов и продуктов их распада. Мы говорили, что на скорость радиоактивного распада не влияют никакие внешние воздействия. Но продукты этого распада могут не сохраниться в минерале с изменившейся разрушенной структурой.

В кристаллах атомы, расположенные в строго определенном порядке, слагают так называемую кристаллическую решетку. Атомы, образующиеся при радиоактивном распаде (например, аргона или гелия), застревают в этой решетке. Измененные, разрушенные минералы теряют радиогенные элементы. Это меняет соотношения между первичным изотопом и продуктами его распада — цифра возраста становится меньше, а минерал кажется более молодым. Вполне возможна и обратная картина. В соседнем минерале, кроме своих собственных, могут появиться и новые, привнесенные извне атомы радиогенного аргона или гелия, и анализы могут показать возраст больший, чем он есть на самом деле. В этом, видимо, заключается одно из вероятных объяснений тех огромных цифр — до 15 млрд. лет, — о которых мы упоминали выше.

Эти цифры получены ленинградским ученым профессором Э. Герлингом, обнаружившем на Кольском полуострове, в Мончетундре, горные породы с совершенно необычным на первый взгляд соотношением калия и аргона. Напомню, что возраст всей Земли оценивается в 3,5–4 млрд. лет. А кольские породы были вдвое, а то и втрое старше! Мало того. Существующие представления о возрасте Земли хорошо согласуются с подсчетами астрофизиков, которые оценивают возраст Солнца в 5 млрд. лет, а возраст Вселенной — не более чем в 15–20 млрд. лет. Есть теории, согласно которым всего 12 млрд. лет назад наша Вселенная представляла собой гигантскую сверхплотную ядерную «каплю», начавшую в то время расширяться. Выходит, что эти камни с Кольского полуострова присутствовали при рождении Вселенной?