Мезоархейская эра: древние реки, первое оледенение и микробные моря

Мезоархейская эра продолжалась от 3200 до 2800 миллионов лет назад. За эти 400 миллионов лет на Земле существовали устойчивые участки континентальной коры, по голой суше текли крупные реки, а в морях жили сообщества микроорганизмов. Конец мезоархея сменился неоархейской эрой, когда многие кратоны пережили особенно заметный рост и упрочнение.

Мезоархей не был однообразным промежутком между более известными главами истории планеты. В его породах сохранились следы древнейших хорошо обоснованных ледниковых отложений, осадочных бассейнов с огромными запасами золота, локального производства кислорода и разнообразных микроскопических органических структур. Но эти свидетельства разбросаны по немногим уцелевшим областям, сильно изменены нагреванием и деформацией и далеко не всегда допускают единственное объяснение.

Мезоархейская Земля уже имела океаны, реки, вулканические острова и континентальные ядра, но ещё не имела травы, деревьев, животных и кислородной атмосферы. Знакомые процессы действовали в совершенно незнакомом мире.

Мезоархейская эра в цифрах

Обе границы являются международными численными рубежами GSSA. Они не отмечены единственным разрезом, глобальным вымиранием или появлением конкретного организма. Положение мезоархея среди других подразделений показано в обзоре геологических эр, а материалы о глубоком докембрии собраны в разделе жизни в отдалённом прошлом.

Почему мезоархей является эрой

Название образовано от греческого mesos – «средний» – и слова «архей». Оно указывает не на среднюю часть всей истории Земли, а на положение внутри архейского эона. Перед мезоархеем располагается палеоархей, после него – неоархей. Ещё более древний эоархей завершает четырёхчастную схему архея.

В действующей международной шкале мезоархей имеет ранг эры. Выражение «мезоархейский период» встречается в популярном изложении, но формально неверно. Официальных периодов, эпох и ярусов внутри этой эры пока нет. Геологи поэтому указывают численный возраст пород и пользуются названиями региональных комплексов: супергруппа Понгола, бассейн Витватерсранд, группа Варравуна, кварцит Фаррел и другие.

Численные границы удобны для крайне древних пород, которые трудно сопоставить по ископаемым организмам. Они одновременно напоминают о границах знания: переход в 3200 или 2800 миллионов лет назад не был мгновенной всемирной перестройкой. События по обе стороны рубежей продолжали друг друга.

Четыре окна в мезоархейский мир

Полной карты Земли возрастом три миллиарда лет не существует. Почти вся тогдашняя океаническая кора исчезла, а уцелевшие континентальные фрагменты позднее перемещались, сталкивались и нагревались. Наше представление складывается из нескольких особенно ценных геологических окон.

Современное расстояние между этими местами нельзя переносить в мезоархей. Гипотеза Ваальбары, например, сближает древние части Каапвааля и Пилбары по сходству последовательностей и некоторым палеомагнитным данным. Но сохранность магнитного сигнала неодинакова, древнюю долготу определить невозможно, а предложенные реконструкции расходятся. Поэтому Ваальбара остаётся проверяемой моделью, а не материком с точно нарисованными берегами. Даже гораздо более молодое движение континентов и Пангеи восстанавливается по несравнимо более полной летописи.

Континентальная кора: острова устойчивости

Часть континентальной коры сформировалась до мезоархея, однако в пределах эры древние ядра росли и многократно перерабатывались. В основании многих кратонов соседствуют светлые гранитоиды семейства TTG – тоналиты, трондьемиты и гранодиориты – и тёмные зелёнокаменные пояса из изменённых вулканических и осадочных пород.

Фотореалистичная реконструкция геологического разреза показывает подушечные лавы, возникшие под водой, рядом со складчатыми слоями. Конкретный облик обнажения собирательный, но формы подушечных базальтов и деформация соответствуют реальным типам пород.

Подушечные базальты образуются, когда лава изливается под водой и быстро охлаждается снаружи. Их округлые оболочки служат прямым признаком подводного вулканизма. Туфы, кремнистые породы и обломочные осадки между лавовыми толщами показывают, что извержения чередовались с более спокойными промежутками.

Гранитоидные магмы могли возникать при плавлении водосодержащей базальтовой коры на глубине. Новые порции расплава добавлялись к старым ядрам, а деформация сближала разнородные блоки. После охлаждения их корни становились толще и устойчивее, хотя дальнейшая история нередко стирала первичную форму комплексов.

Была ли уже тектоника плит

На этот вопрос нельзя честно ответить одним «да» или «нет». В мезоархейских породах находят геохимические сочетания, метаморфические давления и структуры, которые напоминают островные дуги, столкновения блоков и погружение коры. В южной Индии описаны комплексы, где минералы записали высокие давления и температуры, совместимые с глубоким тектоническим погружением.

Но ранняя Земля теряла больше внутреннего тепла. Океаническая кора могла быть толще, а горячая литосфера – слабее современной. Похожие породы могли возникать при коротких эпизодах субдукции, погружении плотной коры внутри мантийного плюма или вертикальном перемешивании гранитных куполов и вулканических толщ.

Надёжный минимум выглядит так: крупные блоки коры двигались, деформировались и местами погружались на значительную глубину. Менее надёжно утверждать, что вся планета уже была охвачена непрерывной системой плит с современными океаническими хребтами и долгоживущими зонами субдукции. Разные тектонические режимы могли сосуществовать.

Реки без единого растения

Мезоархейская суша была биологически пуста в привычном смысле, но геологически деятельна. Дождь и потоки воды разрушали граниты и вулканические породы, переносили песок и гальку, строили русловые отмели и дельты. Корней, лесной подстилки и плотного почвенного покрова не было, поэтому склоны реагировали на ливни иначе, чем сегодня.

Особенно наглядная запись связана с бассейном Витватерсранд. Его заполнение началось около 2,97 миллиарда лет назад и продолжилось уже после конца мезоархея. Огромные системы разветвлённых рек приносили кварцевый песок и округлую гальку с возвышенностей в постепенно прогибавшийся бассейн.

Реконструкция показывает русловые рукава и галечные отмели на лишённой растений поверхности. Тёмные полосы обозначают концентрацию тяжёлых минералов, но не изображают видимые золотые самородки.

Течением сортировались минералы разной плотности. В определённых слоях концентрировались золото, уранинит и пирит. Позднее горячие растворы и метаморфические процессы изменили первичную запись, поэтому происхождение месторождений нельзя свести к простому намыванию золотых крупинок одной рекой. Однако русловое строение конгломератов и округлость гальки уверенно показывают работу обширной речной системы.

Эти отложения важны и для истории атмосферы. Сохранность некоторых минералов, легко разрушаемых кислородом, согласуется с крайне малым количеством свободного кислорода при переносе. Но один минерал не является универсальным газоанализатором: на сохранность влияли кислотность воды, скорость захоронения, размер зёрен и последующие изменения.

Слабое Солнце и неодинаковый климат

Около трёх миллиардов лет назад Солнце светило слабее нынешнего. Если перенести современный состав атмосферы в тот мир, поверхность должна была бы широко замёрзнуть. Геологическая запись вместо этого показывает жидкую воду, моря и активно работающие реки. Это противоречие называют проблемой слабого молодого Солнца.

Планету могли согревать углекислый газ и метан, а меньшее количество континентов и иные свойства облаков меняли отражение солнечного света. Точное давление воздуха и концентрации газов неизвестны. Метан биологического происхождения мог быть важен, но его действие зависело от химии атмосферы и образования органической дымки.

«Тёплый в среднем» не означает «одинаково жаркий повсюду». Высота суши, широта, океанические течения и концентрации парниковых газов менялись. Самое наглядное опровержение образа непрерывно раскалённого архея дают породы супергруппы Понгола.

Понгольское оледенение: лёд около 2,9 миллиарда лет назад

В южной Африке сохранились мезоархейские диамиктиты – плохо отсортированные породы, где крупные обломки окружены мелким материалом. Вместе с ними встречаются огранённые и исчерченные камни, а также отдельные обломки, упавшие в мягкий осадок и прогнувшие нижележащие слои. Такое сочетание лучше всего объясняется движением ледника и таянием плавучего льда.

Сгенерированная сцена показывает региональный ледник, достигающий моря. Она не утверждает, что вся Земля была покрыта льдом или что именно так выглядел конкретный понгольский разрез.

Возраст оледенения оценивают примерно в 2,9 миллиарда лет. Это делает его одним из древнейших убедительно распознанных ледниковых эпизодов. Изотопный состав кислорода в связанных породах помогает проверять происхождение воды и условия изменения осадка, но не превращает региональный разрез в глобальный термометр.

Масштаб события остаётся неопределённым. Палеомагнитные оценки допускают положение района в умеренных широтах, однако древний магнитный сигнал легко перезаписывается. Пока нет оснований изображать Понгольское оледенение как «Землю-снежок». Неизвестны и точная длительность холода, и связь с изменением парниковых газов. Намного более молодые крупные оледенения криогенного периода оставили более широкую и сопоставимую запись.

Атмосфера без кислородного дыхания

На протяжении мезоархея глобальная атмосфера оставалась практически бескислородной. Один из важнейших показателей – массово-независимое фракционирование изотопов серы. Такой сигнал мог устойчиво сохраняться, пока ультрафиолетовый свет воздействовал на сернистые газы в атмосфере без полноценного озонового экрана.

Это не означает абсолютного отсутствия молекул кислорода. Фотосинтезирующие микробы могли выделять кислород в освещённой воде, однако он быстро расходовался на окисление растворённого железа, вулканических газов и восстановленных минералов. Между локальным производством кислорода и его накоплением во всей атмосфере лежит огромная разница.

Палеопочва Дэнни-Далтон возрастом около 2,95 миллиарда лет сохраняет признаки выветривания при очень низком содержании кислорода. Это важное наземное свидетельство. Более ранние трактовки отдельных химических показателей как доказательства сильного окисления были пересмотрены с учётом исходной породы и последующего изменения.

Устойчивое атмосферное накопление кислорода произошло значительно позже, на рубеже архея и протерозоя. Его начало подробно рассматривается в сидерийском периоде, а климатические последствия разворачивались и в риасийском периоде.

Кислородные оазисы в бескислородном мире

Некоторые породы бассейна Понгола указывают, что около 2,95–2,85 миллиарда лет назад химия мелководья временами менялась под действием локального кислорода. Соотношения углерода, азота, железа и марганца можно объяснить существованием микробных сообществ, которые создавали окислительную зону у поверхности.

Реконструкция передаёт принцип кислородного оазиса: светлое мелководье над микробным матом соседствует с более глубокой железистой водой. Граница была подвижной и не обязана была выглядеть как резкая цветная линия.

Марганец особенно интересен, потому что его окисление обычно требует сильного окислителя. Но древние марганцевые минералы изменялись при захоронении, а некоторые реакции могли идти без свободного кислорода. Поэтому каждый показатель проверяют вместе с осадочной обстановкой и другими изотопными системами.

Совместить кислородный оазис с бескислородной палеопочвой несложно. Один архив описывает освещённое морское мелководье, другой – выветривание суши. Кислород мог появляться днём в тонком слое воды и исчезать там же, не достигая заметной доли атмосферы. Такой мозаичный мир предварял гораздо более позднюю перестройку химических циклов.

Кто жил в мезоархее

Жизнь была исключительно микробной. На мелководье существовали сообщества бактерий и архей, использовавшие свет, водород, соединения серы, железа и углерода. Некоторые маты связывали осадок и создавали слоистые постройки. История их более раннего появления рассматривается в материале о начале жизни.

Строматолит сам по себе является структурой, а не названием организма. Волнистые и куполообразные слои могут нарастать, когда микробный мат удерживает частицы или меняет химические условия осаждения минералов. Форма зависит от волн, течений, скорости осадконакопления и состава сообщества. По одному силуэту нельзя определить вид микроба и способ его обмена веществ.

Наземная поверхность тоже могла иметь тонкие микробные плёнки в подходящих влажных местах. Однако особенно известные следы наземных матов возрастом около 3,22 миллиарда лет лежат у самого начала установленной границы мезоархея или немного старше её и потому обычно относятся к позднему палеоархею. Нельзя переносить их на всю сушу последующих 400 миллионов лет.

Не существовало ни динозавров, ни рыб, ни первых животных. До достоверной многоклеточной животной жизни оставалось более двух миллиардов лет. Сравнить масштаб дистанции помогают обзоры первых животных на Земле и общего хода эволюции животного мира.

Кварцит Фаррел и микроскопическая летопись

В кратоне Пилбара находится кварцит Фаррел возрастом около трёх миллиардов лет. В тонких кремнистых прослоях исследователи обнаружили углеродистые микроструктуры разных форм: сферические оболочки, диски, нити и плёнкоподобные образования. Некоторые экземпляры имеют стенки и складки, которые трудно объяснить случайным минеральным ростом.

На изображении показан вмещающий геологический разрез, а не увеличенные клетки. Реальные микроструктуры распознаются только в тонких срезах и с помощью микроскопии и химического анализа.

Биогенное происхождение части материала поддерживают совместно морфология, углеродный состав и положение внутри осадка. Но слово «микрофоссилия» не даёт автоматической классификации. Похожий контур может возникнуть при минерализации, сжатии мягкой оболочки или переносе органического вещества.

Особенно осторожно следует относиться к предположениям об эукариотах. Сложная форма или большой размер не доказывают наличие ядра клетки. Для уверенного вывода нужны признаки внутреннего устройства, химии оболочки и независимый контекст. Мезоархейская летопись показывает морфологически разнообразную микробную жизнь, но не устанавливает происхождение животных, растений или грибов.

Как читают породы возрастом три миллиарда лет

Ни одна иллюстрация не является фотографией мезоархея. Геологи восстанавливают события по цепочке измеримых признаков, а затем проверяют, допускает ли цепочка альтернативу.

1. Возраст магматических кристаллов циркона определяют по распаду урана в свинец. Кристаллы в вулканическом слое могут датировать извержение, а принесённые рекой зёрна показывают возраст пород в области размыва.
2. Осадочные текстуры раскрывают направление течения, глубину воды и способ переноса. Косая слоистость указывает на миграцию русловых форм, а деформированные слои под крупным обломком могут фиксировать его падение из льда.
3. Минеральный и изотопный состав сообщает об окислительно-восстановительных условиях, температуре и источниках вещества. Но сигнал мог измениться при нагревании и прохождении растворов.
4. Метаморфические минералы записывают давление и температуру, достигнутые породой. По ним оценивают глубину погружения, не принимая её автоматически за современную субдукцию.
5. Органические микроструктуры сравнивают с минеральными имитациями. Важны не только форма, но и положение в слое, трёхмерность, химия стенки и повторяемость признаков.

Именно поэтому образование окаменелостей в докембрии изучают иначе, чем скелеты более молодых животных. Обычно сохраняются не целые организмы, а изменённые микроструктуры, химические градиенты и воздействие сообщества на осадок.

Что известно уверенно, а что обсуждается

Эта градация может меняться с новыми данными. Особенно важны буровые керны из слабо выветренных пород, более точные датировки и методы, которые показывают распределение изотопов внутри отдельного микроскопического объекта.

Переход к неоархею

Граница 2800 миллионов лет назад не совпадает с одним катаклизмом. По обе стороны продолжались вулканизм, образование гранитоидов, осадконакопление и микробная жизнь. Численный рубеж разделяет удобные интервалы в чрезвычайно длинной и неполной летописи.

В следующем, неоархейском интервале особенно хорошо записаны крупные импульсы роста и стабилизации континентальной коры, обширные железистые формации и дополнительные признаки кислородных оазисов. После 2500 миллионов лет назад начался протерозой, а дальнейшая история привела через орозирийский и статерийский периоды к более устойчивым континентальным системам.

Долгий докембрий после мезоархея включал формирование бассейнов калиммия, расширение платформенных морей эктазия, сборку Родинии в стении и её преобразование в тонии. Только затем появились сложные экосистемы эдиакарского периода, а ещё позже начался кембрийский период. Масштаб этой последовательности показывает, насколько далёк мезоархей от мира животных.