Криогенный период: Земля-снежок и великие оледенения

Криогенный период продолжался примерно от 720 до 635 миллионов лет назад. Это средний период неопротерозойской эры: он следовал за тонием и завершился перед эдиакарием. Его название буквально связано с рождением льда, а главными событиями стали два самых масштабных известных оледенения позднего докембрия – стертское и мариноанское.

Выражение «Земля-снежок» создаёт образ неподвижной белой планеты, но геологическая гипотеза сложнее такой картинки. Породы уверенно показывают, что ледники достигали моря в очень низких широтах. Они не дают прямой фотографии каждого участка океана, толщины льда или площади открытой воды. Поэтому глобальный размах оледенений и конкретное устройство ледяного мира нужно различать.

Криогений был не одним ледниковым периодом длиной 85 миллионов лет. Между двумя великими оледенениями существовал продолжительный интервал с открытыми морями, осадконакоплением и перестройкой микробных и эукариотических экосистем.

Криогенный период в цифрах

Даты приведены по Международной хроностратиграфической шкале версии 2026/06. Значения 720 и 635 миллионов лет округлены: они удобны для описания времени, но не заменяют стратиграфические поверхности. Как соотносятся эон, эра и период, объясняет общий обзор геологических эр. Другие материалы о докембрии собраны в разделе жизни в отдалённом прошлом.

Почему период называется криогенным

Название образовано от греческих слов со значениями «холод» или «лёд» и «рождение». Оно подчёркивает необычайное распространение ледниковых отложений. Международное подразделение было установлено в конце 1980-х годов вместе с другими единицами докембрийской шкалы.

Первоначально начало криогения помещали на 850 миллионов лет назад. Новые датировки показали, что широко распространённое стертское оледенение началось намного позже, около 717 миллионов лет назад. Старая граница оставляла внутри «ледяного» периода более ста миллионов лет без соответствующего глобального события. Поэтому Международная комиссия по стратиграфии убрала прежнюю числовую границу и временно перенесла начало к отметке около 720 миллионов лет.

Почему у начала криогения ещё нет золотого гвоздя

Большинство молодых геологических границ привязано к GSSP – конкретной точке в доступном разрезе, которую образно называют золотым гвоздём. Для основания криогения такой эталон пока не ратифицирован. Комиссия ищет горизонт, расположенный перед первым широко коррелируемым проявлением стертского оледенения и пригодный для сопоставления на разных континентах.

Это трудно по нескольким причинам. Наступающий ледник срезал часть более древних пород. Разрезы на разных окраинах Родинии накапливались в неодинаковых условиях. Самое раннее местное появление ледникового материала не обязано совпадать с моментом глобального климатического перехода. Пока работа продолжается, официальная шкала использует калиброванный возраст около 720 миллионов лет.

Верхняя граница устроена иначе. Она одновременно является началом эдиакарского периода и закреплена в Энорама-Крик во Флиндерс-Рейнджес. Там над диамиктитами формации Элатина лежит шапочный карбонат формации Нуккалена, связанный с завершением мариноанского оледенения.

Оледенения – не официальные эпохи

Криогений пока не разделён на утверждённые международные эпохи и ярусы. Слова «стертское» и «мариноанское» обозначают крупные ледниковые эпизоды и связанные с ними комплексы пород, но не являются двумя официальными эпохами периода. Их численные рамки продолжают уточнять.

Эти диапазоны не следует воспринимать как четыре официальные клетки шкалы. Особенно неопределён возраст начала мариноанского события. Новые датировки отдельных бассейнов допускают более короткую продолжительность, чем в классических обзорах, а начало ледникового осадконакопления могло фиксироваться не одновременно во всех местах.

Перед первым снежком: распад Родинии

В начале криогения части суперконтинента Родиния расходились, формируя рифты, вулканические области и новые морские бассейны. Многие континентальные блоки находились в тропических широтах. Такое расположение важно, потому что тёплый и влажный климат ускоряет химическое выветривание силикатных пород.

При выветривании углекислый газ в конечном счёте связывается в карбонатах. Особенно эффективно разрушаются свежие базальты. Огромная магматическая провинция Франклин возникла непосредственно перед стертским оледенением: точные датировки помещают её формирование примерно на 719,9–718,6 миллиона лет назад, а начало широко распространённого оледенения – около 717 миллионов лет назад.

Совпадение не доказывает единственную причину. Сначала извержения выбрасывали углекислый газ, а затем обширные базальтовые возвышенности могли усиливать его поглощение при выветривании. Модели также учитывают распад континента, сток, более слабое молодое Солнце и относительно низкую скорость поступления вулканического CO₂. Криогенный холод, вероятно, возник из сочетания факторов, а не из одного извержения.

История Родинии напоминает, что материки всегда перемещались, хотя гораздо более поздняя Пангея и движение континентов относятся к другой главе истории Земли.

Стертское оледенение: самый долгий ледяной эпизод криогения

Стертское оледенение началось примерно 717 миллионов лет назад и завершилось около 659 миллионов лет назад. Разные методы дают небольшие расхождения, однако совокупность уран-свинцовых и рений-осмиевых датировок показывает продолжительность порядка 55–58 миллионов лет. Это намного дольше любого четвертичного ледникового цикла.

Следы стертских ледников известны на древних окраинах Лаврентии, Австралии, Южного Китая, Африки и других блоков. Палеомагнитные данные для некоторых толщ помещают места накопления в низкие широты. Ледники не просто существовали в горах у экватора: мощные ледяные покровы доходили до уровня моря.

Один крупный обломок прогибает тонкие слои морского осадка. Такая структура может возникнуть, когда камень выпадает из плавающего льда. Выше лежит плохо сортированный диамиктит, однако происхождение каждой конкретной толщи проверяют по всему комплексу признаков.

Как порода записывает присутствие льда

Диамиктит состоит из обломков разного размера, погружённых в мелкозернистую массу. Он может образоваться под ледником или у его края, но сам по себе не служит безошибочной ледниковой меткой: похожий плохо сортированный материал создают оползни и грязевые потоки. Поэтому геологи ищут сочетание свидетельств.

Крупный камень, выпавший из айсберга или ледяного шельфа, деформирует тонкую слоистость на дне и затем перекрывается новым осадком. Такой обломок называют дропстоуном. На более крупных поверхностях встречаются борозды движения льда, гранёные и исцарапанные валуны, а в разрезе чередуются морские и ледниковые фации. Палеомагнетизм помогает оценить древнюю широту, а вулканический пепел даёт материал для радиометрической датировки.

Ни один признак в одиночку не рисует глобальную карту. Сила аргумента появляется, когда независимо согласуются осадочные структуры, возраст и положение континента.

Что именно утверждает гипотеза Земли-снежка

Лёд отражает больше солнечного света, чем вода или голая порода. Если ледяная кромка продвигается достаточно далеко к экватору, охлаждение усиливает образование нового льда, а новый лёд ещё сильнее повышает отражательную способность планеты. Это положительная обратная связь, способная привести климат в устойчивое очень холодное состояние.

Геологически надёжно установлено широкое низкоширотное оледенение. Труднее восстановить состояние моря между ледниками и толщину морского льда. Поэтому существуют несколько семейств моделей.

Это не четыре последовательных стадии и не окончательно выбранные варианты. Модели проверяют по осадкам, изотопам, железистым формациям и физике климата. Даже при глобальном ледяном покрове поверхность могла оставаться динамичной, а слово «снежок» не означает одинаковый километровый лёд от полюса до полюса.

Почему снова появились железистые формации

В большей части среднего протерозоя крупные полосчатые железистые формации почти не накапливались. Во время стертского оледенения они появились в нескольких бассейнах. Под ледяным покровом глубокая вода могла терять кислород и накапливать растворённое двухвалентное железо, поступавшее из гидротермальных источников и осадков. Когда богатая железом вода встречалась с окислителем, железо выпадало в осадок.

Красные железистые и тёмные кремнистые прослои показывают многократное изменение условий осаждения. Складчатость возникла позднее и не является следом движения криогенного льда.

Раньше возвращение железистых формаций считали почти прямым доказательством полностью герметичного ледяного океана. Современные расчёты показывают больше вариантов. Подходящее распределение железа может возникать и в частично покрытом льдом океане, если учесть циркуляцию, приток железа и области окисления. Эти породы подтверждают необычный красокс-режим, но не позволяют сами по себе измерить площадь открытой воды.

Жизнь под льдом

К началу криогения жизнь имела историю продолжительностью в миллиарды лет. В океанах жили бактерии, археи и разнообразные одноклеточные эукариоты. Фотосинтезирующим организмам были нужны свет и жидкая вода, аэробным формам – ещё и кислород. Полное многомиллионное запечатывание океана толстым непрозрачным льдом стало бы тяжёлым испытанием, но вымирания всех этих линий не произошло.

Художественная реконструкция одного из возможных убежищ: свет проходит через трещину и относительно тонкий лёд, а на дне сохраняются микробные маты. Конкретное расположение таких участков нельзя увидеть напрямую в породах.

Исследователи рассматривают несколько типов убежищ:

• разводья и полыньи, которые возникали из-за ветра, течений и движения льда;
• тонкий или запылённый лёд в низких широтах, пропускавший часть света;
• рассольные каналы и талые озёра на поверхности льда;
• участки у ледниковой кромки, где смешивались морская и талая вода;
• гидротермальные системы, не зависевшие от солнечного света;
• подледниковые зоны, куда насыщенная кислородом талая вода приносила окислители.

Геохимические данные из синледниковых толщ указывают, что местами сохранялись активный азотный цикл, первичная продукция и кислородсодержащие поверхностные воды. Это прямее поддерживает существование пригодных для жизни участков, чем образ полностью мёртвого океана. Однако современные антарктические озёра и морской лёд дают лишь аналоги процессов, а не точный состав криогенных сообществ.

Общую раннюю историю организмов раскрывает материал о возникновении жизни, а последовательность крупных эволюционных преобразований – обзор эволюции животного мира.

Между двумя оледенениями

Около 659 миллионов лет назад стертский ледяной мир сменился открытыми морями. На ледниковых породах появились карбонатные пласты, уровень моря поднялся, а интенсивное выветривание поставляло в океан растворённые вещества и частицы. Межледниковый интервал длился примерно 14 миллионов лет по часто используемой шкале, хотя его локальные границы зависят от разреза.

Реконструкция показывает открытую воду, лишённые растительности берега и микробные маты. Зеленоватая вода лишь обозначает микроскопическую первичную продукцию: лесов, трав и видимых животных здесь не было.

Молекулярные ископаемые в органическом веществе пород показывают рост разнообразия стеранов, связанных с эукариотическими производителями. Особенно заметный сдвиг к водорослевому планктону исследователи помещают в интервал между стертским и мариноанским оледенениями. Одна из гипотез связывает его с притоком фосфора после разрушения и выветривания континентальных пород.

Такой сигнал нельзя переводить как внезапное появление водорослей. Эукариоты существовали раньше, а биомаркеры зависят от сохранности и экологической численности производителей. Межледниковые данные скорее показывают изменение структуры морской пищевой сети. В некоторых бассейнах мелководья становились устойчивее и лучше насыщались кислородом, тогда как глубокие воды часто оставались бескислородными и богатыми растворённым железом.

Были ли в криогении животные

Молекулярные часы многих исследований помещают разделение крупных ветвей животных глубже эдиакария. Из некоторых позднедокембрийских пород извлечены стероидные молекулы, которые первоначально связывали с губками. Но те же соединения или их предшественники могут образовывать другие организмы и изменённое органическое вещество. Поэтому биомаркер не равен найденному телу животного.

Достоверного криогенного комплекса крупных животных, сопоставимого с первыми животными эдиакария, пока нет. Отдельные углеродистые макроостатки позднего криогения интерпретируют как водоросли или другие эукариоты. Они важны для истории сложной жизни, но не разрешают автоматически рисовать губок, червей или медуз в каждом ледяном море.

Именно поэтому реконструкции этой страницы показывают микробные маты и среду, а не фантастическую фауну. Уверенно узнаваемые сообщества крупных мягкотелых организмов станут характерны для следующего периода, а минерализованные скелеты и сложные роющие следы широко распространятся ещё позже, во время кембрийского периода.

Мариноанское оледенение

Второе великое оледенение началось приблизительно 645 миллионов лет назад и завершилось около 635 миллионов лет назад. В классических синтезах оно длилось не менее пяти и, возможно, около десяти миллионов лет. Новая высокоточная геохронология отдельных последовательностей поддерживает значительно более короткие оценки порядка нескольких миллионов лет. Разница показывает, почему возраст начала нельзя писать с ложной точностью.

Мариноанские диамиктиты и связанные с ними морские отложения также встречаются на многих древних континентах. Палеомагнитные данные указывают на ледники у моря в тропических широтах. Вместе с почти синхронным завершением события это делает мариноанское оледенение вторым главным основанием гипотезы Земли-снежка.

В чёрных сланцах, расположенных среди ледниковых отложений формации Наньто в Южном Китае, сохранились углеродистые макроископаемые, интерпретированные как донные фотосинтезирующие эукариоты. Геохимия указывает на кислородный цикл в поверхностной воде и бедные кислородом глубины. Это свидетельство среды с жидкой водой и светом во время угасания оледенения, а не доказательство единого открытого океана по всей планете.

Как Земля вышла из ледяного состояния

Даже во время сильного оледенения вулканы продолжали поставлять углекислый газ. На холодной и закрытой льдом поверхности химическое выветривание ослабевало, поэтому главный долгосрочный поглотитель CO₂ работал медленнее. За миллионы лет газ мог накопиться до уровня, при котором парниковое нагревание преодолело высокую отражательную способность льда.

Художественная реконструкция финального отступления льда. После начала таяния тёмная вода и обнажившаяся порода поглощали больше солнечной энергии, а потоки с безжизненной суши выносили в море продукты интенсивного выветривания.

Когда ледяной край начал отступать, обратная связь сменила знак. Открытая вода поглощала свет, температура росла, таяние ускорялось. Модели допускают быстрое климатическое переключение, но слово «быстро» здесь может означать тысячи лет, а ледники разных бассейнов не обязаны были исчезнуть в один сезон.

Потепление создало влажный парниковый мир с сильным выветриванием. Реки приносили кальций, магний, кремний, фосфор и щёлочность. Уровень моря поднимался, а поверх океана могла существовать менее солёная талая прослойка. Эти процессы подготовили необычную химию шапочных карбонатов.

Шапочные карбонаты над ледниковыми породами

На многих континентах мариноанские диамиктиты непосредственно перекрыты светлыми слоями доломита или известняка. Они образуют относительно тонкую, но протяжённую «шапку» и нередко содержат необычные кристаллические веера, трубчатые структуры и крупную волновую рябь.

Реконструированный полевой контакт показывает главное соотношение: плохо сортированная ледниковая толща внизу и покрывающий её карбонатный слой. Реальные разрезы различаются по толщине и деталям строения.

Ранняя модель объясняла карбонаты главным образом огромным запасом атмосферного CO₂ и стремительным выветриванием после таяния. Современные геохимические расчёты добавляют обмен с океанической корой, накопление щёлочности в глубокой воде, смешение талой и морской воды и несколько фаз осаждения. Шапочные карбонаты остаются сильным свидетельством резкой постледниковой перестройки, но их происхождение не сводится к одному механизму.

В Энорама-Крик основание такого слоя принято за начало эдиакария. Следовательно, конец криогения определён не последним айсбергом, а конкретной поверхностью в породах.

Что можно считать фактом, а что моделью

Такое разделение полезно не только для криогения. Даже причины хорошо документированных массовых вымираний восстанавливают через цепочку наблюдений и моделей, а не по одному эффектному признаку. Криогенные оледенения сами не входят в привычный список пяти фанерозойских кризисов, который рассматривает материал о времени массовых вымираний.

Что изменилось после криогения

После мариноанского таяния мир не заполнился животными мгновенно. Океан оставался химически неоднородным, а первые десятки миллионов лет эдиакария оставили сложную мозаику кислородных и бескислородных вод. Однако криогенные перестройки могли увеличить приток питательных веществ, изменить структуру первичной продукции и создать новые экологические возможности.

В эдиакарии распространятся крупные мягкотелые организмы, следы направленного движения и первые минерализованные постройки. В кембрии возникнут разнообразные скелеты, активные хищники и глубокое перемешивание морского грунта. Связь между оледенениями и этими преобразованиями правдоподобна, но не является простой формулой «лёд создал животных».

Позднейшие моря уже нельзя представить как мир без привычных пловцов: их резкое отличие от современности разбирает статья о море без рыб. Появление сложных кембрийских экосистем подробно рассматривают материалы про кембрийский взрыв, необычные организмы этой радиации и животных кембрийского периода. Рифовые экосистемы с губками и кораллами возникали уже в иной среде, описанной в обзоре древних строителей рифов.

Чего в криогенном мире не было

В криогении не существовало динозавров, рыб, трилобитов, наземных растений, лесов и почвенных животных. Даже уверенные находки крупных животных относятся к следующему периоду. Суша представляла собой камень, песок, вулканические поверхности, ледники и, вероятно, местные микробные сообщества.

Криогенный пейзаж поэтому трудно сделать зрелищным без анахронизмов. Его главные действующие силы – лёд, вода, углекислый газ, движение континентов и микроскопическая жизнь. Именно они подготовили экологический фундамент для гораздо более позднего палеозоя, но между этими мирами лежали десятки миллионов лет эдиакарской эволюции.