Сидерийский период: железные моря и рождение кислородной атмосферы

Сидерийский период продолжался от 2500 до 2300 миллионов лет назад. С него начинается палеопротерозойская эра и весь протерозойский эон. За эти 200 миллионов лет поверхность Земли прошла через одну из крупнейших химических перестроек: свободный кислород начал устойчиво накапливаться в атмосфере, а бескислородный мир архея стал постепенно уступать место планете нового типа.

Название сидерия связано с железом. В морских бассейнах того времени отлагались огромные массы железистых осадков, позднее превратившиеся в полосчатые железистые формации. Однако история периода не сводится к «ржавлению океана». Железистые породы формировались задолго до сидерия, способы их осаждения остаются предметом исследований, а большая часть океана ещё долго сохраняла растворённое двухвалентное железо и почти не содержала кислорода.

Сидерий интересен не мгновенным событием, а переходом. В начале периода атмосфера почти не имела свободного кислорода, в середине появились признаки его глобального роста, а к численной верхней границе перестройка ещё не завершилась.

Сидерийский период в цифрах

Обе границы являются GSSA, то есть международно согласованными численными возрастами. Они не отмечены единственным опорным слоем. Их место в общей последовательности показывает обзор геологических эр, а связанные статьи собраны в каталоге жизни в отдалённом прошлом.

Почему период назван железным

Название происходит от греческого слова sideros – «железо». Его предложили при создании численной шкалы докембрия из-за широкого распространения полосчатых железистых формаций на рубеже архея и палеопротерозоя. Международное подразделение утвердили в 1990 году.

Из названия легко сделать неверный вывод, будто железистые формации появились ровно 2,5 миллиарда лет назад и исчезли ровно 2,3 миллиарда лет назад. На самом деле они известны в породах возрастом более 3,7 миллиарда лет. Крупные комплексы формировались в позднем архее, сидерии и снова около 1,88 миллиарда лет назад, уже в орозирийском периоде.

Даже представление об одном резком «пике железа» зависит от сохранности древней коры и способа подсчёта. Многие древние бассейны разрушены, погребены или переработаны. Сидерийское название отражает яркую особенность доступной летописи, а не строгую границу природного процесса.

Что такое полосчатая железистая формация

Полосчатые железистые формации, или BIF, состоят из повторяющихся слоёв, богатых железными минералами и кремнезёмом. Толщина полос меняется от долей миллиметра до сантиметров и более. Современные магнетит, гематит, сидерит и железистые силикаты часто возникли не прямо в воде, а в результате преобразования первоначального осадка при захоронении, нагреве и циркуляции растворов.

Сгенерированная геологическая аналогия показывает чередование железистых и кремнистых слоёв, характерное для крупных древних формаций. Это не фотография конкретного разреза.

Одним из наиболее мощных известных подразделений является Джоффрский слой формации Брокман в бассейне Хамерсли, Западная Австралия. Его возраст близок к 2,45 миллиарда лет, а мощность изученного разреза достигает сотен метров. Сходные по времени железистые толщи известны в Южной Африке и других древних кратонах.

Полосы не следует автоматически считать годовыми слоями. Их ритм мог зависеть от подачи гидротермального железа, продуктивности микроорганизмов, химической стратификации воды, вулканического пепла, циркуляции бассейна и последующих изменений осадка. Одна универсальная модель пока не объясняет все формации.

Как железо выпадало из древнего моря

В бескислородной воде двухвалентное железо Fe(II) может оставаться растворённым. Его приносили гидротермальные системы и реакции воды с океанической корой. Чтобы образовался осадок, железо требовалось окислить до трёхвалентного состояния либо включить в другие минеральные соединения.

Реконструкция показывает один из возможных сценариев: растворённое железо поступает из глубины и окисляется при встрече с более окислительным поверхностным слоем. Конкретный механизм каждой полосы по изображению установить нельзя.

Исследуются несколько путей:

• кислород, произведённый фотосинтезирующими микроорганизмами, окислял Fe(II) возле освещённой поверхности;
• аноксигенные фототрофы могли использовать Fe(II) как донор электронов, не выделяя кислород;
• ультрафиолет и другие абиотические реакции могли вносить дополнительный вклад;
• уже после осаждения микробное восстановление железа и диагенез меняли исходные минералы.

Эти механизмы не обязаны исключать друг друга. В одном бассейне могли одновременно существовать кислородные «оазисы» у поверхности, железистая бескислородная глубина и слой аноксигенных фототрофов между ними. Поэтому железистая формация является архивом окислительно-восстановительного цикла, но не простым измерителем количества кислорода в атмосфере.

Великое кислородное событие начинается

Великое кислородное событие обозначает первый длительный переход от почти бескислородной атмосферы к состоянию, в котором молекулярный кислород стал сохраняться на глобальном уровне. Его начало обычно относят примерно к 2,45–2,43 миллиарда лет назад, внутри сидерия. Окончательное закрепление кислорода произошло позднее, уже в риасийском периоде.

Ключевое свидетельство дают изотопы серы. В бескислородной атмосфере ультрафиолет создавал необычные масс-независимые соотношения изотопов. Когда кислорода и озона стало больше, такой фотохимический путь перестал оставлять прежний глобальный сигнал. Но аномальная сера ещё некоторое время вымывалась из старых пород, поэтому исчезновение сигнала в разных бассейнах происходило не строго одновременно.

Дополнительные признаки образуют последовательность:

1. В старых речных конгломератах встречаются обломочные пирит и уранинит, которые плохо сохраняются при кислородном выветривании.
2. Позднее они исчезают из обычного переноса, а на суше распространяются окисленные железом красные осадки.
3. В морских породах меняются изотопы серы, хрома, молибдена и других чувствительных элементов.
4. Поверхностные воды становятся более окислительными, хотя глубинный океан остаётся железистым и бескислородным.

Художественная реконструкция противопоставляет свежую тёмную породу и красно-бурый железистый осадок. Это наглядный принцип, а не точное изображение одного датированного местонахождения.

Почему кислород накопился не сразу

Кислородный фотосинтез возник до Великого кислородного события. На это указывают геохимические следы локального окисления и молекулярные оценки истории цианобактерий. Однако происхождение фотосинтеза нельзя привязать к одному ископаемому или одной дате.

Ранний кислород быстро расходовался. Он реагировал с растворённым железом, вулканическими и метаморфическими газами, восстановленными минералами и органическим веществом. Лишь когда долгосрочное производство превысило совокупные поглотители, газ смог распространиться за пределы локальных поверхностных вод.

Причину перелома объясняют разными сочетаниями факторов: изменением состава вулканических газов, захоронением органического углерода, окислением континентов, потерей водорода в космос, перестройкой питательных циклов и экологической конкуренцией фототрофов. Ни одна схема пока не стала единственным доказанным объяснением.

Термин «кислородная катастрофа» создаёт впечатление одномоментного бедствия. Для сидерия нет достаточно полной ископаемой летописи, чтобы показать глобальное массовое вымирание анаэробных организмов. Кислород токсичен для многих анаэробов и наверняка менял сообщества, но утверждение о «первом массовом вымирании» остаётся популярной гипотезой, а не установленным палеонтологическим фактом.

Кислородные оазисы и микробные берега

Сидерийская биосфера состояла из прокариотических микроорганизмов. На освещённых мелководьях сообщества строили маты и строматолиты. Некоторые из них производили кислород, другие использовали железо, серу, водород и органические соединения.

Реконструкция показывает возможное соседство микробных построек и железистого фронта в море. Размеры и форма сооружений условны, а видовой состав сообщества неизвестен.

Строматолит является слоистой органо-осадочной постройкой, а не телом одного организма. Его форма возникает из роста мата, улавливания частиц и минерального осаждения. Поэтому древний строматолит подтверждает деятельность микробного сообщества, но редко позволяет определить конкретный род бактерий.

Самые бесспорные микрофоссилии, уверенно сопоставляемые с цианобактериями, значительно моложе и известны примерно с 1,9 миллиарда лет. Для сидерия роль кислородных фототрофов надёжнее выводится из химической перестройки среды, чем из диагностичных клеточных окаменелостей. Подробный контекст даёт обзор начала жизни.

Первые палеопротерозойские оледенения

В сидерии началась серия ледниковых эпизодов, лучше всего записанная в Гуронской супергруппе Канады и сопоставимых толщах Южной Африки и Австралии. В Канаде различают ледниковые формации Рамсей-Лейк, Брюс и Гоуганда. Они разделены речными, морскими и карбонатными отложениями, поэтому речь идёт о нескольких наступлениях, а не о единой непрерывной зиме.

Реконструкция подчёркивает наблюдаемые признаки ледниковой работы: сглаженные и исцарапанные скалы, несортированные обломки и талые потоки. Это не точная панорама Гуронского бассейна.

Основание Гуронской последовательности связано с рифтингом около 2,45 миллиарда лет назад, а верхние толщи моложе 2,31 миллиарда лет. Часть поздних ледниковых событий пересекает численную границу 2300 миллионов лет и относится уже к риасию. Именно поэтому длинный термин «гуронское оледенение» не совпадает с одним официальным периодом.

Связь холода с кислородом правдоподобна, но сложна. Окисление атмосферного метана могло ослабить парниковый эффект при тусклом молодом Солнце. Рифтинг, вулканизм, положение континентов и химическое выветривание также влияли на углекислый газ. Для отдельных ледников обсуждается низкоширотное и почти глобальное оледенение, но оно не доказано для всех эпизодов. Более молодые и лучше выраженные модели Земли-снежка рассматриваются в статье о криогенном периоде.

Рифтинг древних континентальных блоков

На рубеже архея и протерозоя многие кратоны пересекли мощные рои базитовых даек. Они отмечают растяжение коры и подъём магмы по длинным трещинам. Возникали рифтовые впадины, вулканические плато и новые окраинные бассейны, где затем накапливались пески, карбонаты, железистые осадки и ледниковый материал.

Обобщённая реконструкция рифтинга: тёмные дайки пересекают более старую светлую кору, а разломы создают цепь бассейнов. Точная конфигурация континентов по такой сцене не подразумевается.

Эту перестройку часто называют распадом Кенорленда. Проблема в том, что взаимное положение архейских блоков восстанавливается с большими пробелами, а исследователи предлагают несколько суперкратонов, включая Суперию, Ваальбару и Склавию. «Кенорленд» удобен как общее название гипотетического объединения, но его нельзя рисовать столь же уверенно, как гораздо более молодую Пангею.

Растяжение не означало, что вся планета раскололась одновременно. В одних регионах шёл рифтинг, в других продолжались столкновения и рост коры. Позднее разошедшиеся блоки начали собираться в новые конфигурации, а в орозирии многие из них вошли в суперконтинент Нуна.

Как кислород изменил минералы и сушу

До глобальной кислородизации многие элементы существовали преимущественно в восстановленных формах. Новый окислитель создал дополнительные химические пути. На континентах стали устойчивее оксиды и гидроксиды железа, появились новые сульфаты и изменилось перемещение урана, меди и других металлов.

Это не значит, что все современные минералы возникли в сидерии. Часть минералов существовала локально возле источников кислорода ещё раньше, а многие новые виды формировались значительно позднее благодаря биологическим процессам, гидротермальным растворам и повторному метаморфизму. Сидерийская перестройка резко расширила набор окислительных сред, но минеральная эволюция не имела одной границы.

Красные породы тоже требуют осторожности. Позднее нагревание способно окрасить старый осадок гематитом. Надёжное свидетельство кислородного выветривания требует установить, что красный пигмент был первичным, определить возраст слоя и сопоставить его с другими геохимическими признаками.

Были ли в сидерии сложные организмы

Надёжных животных, растений, грибов или макроскопических эукариот сидерийского возраста не известно. Биосфера была микробной, а кислородный рост ещё не превращал среду в современную. Даже поверхностные кислородные зоны соседствовали с обширными бескислородными водами.

От первых устойчивых кислородных изменений до первых животных прошли почти два миллиарда лет. Ещё позже возникли эдиакарские сообщества и кембрийское разнообразие. Это показывает, что кислород был важным условием сложной жизни, но не единственным переключателем эволюции.

Сидерийское море без рыб не имело ни коралловых рифов, ни скелетных организмов. Архитекторы более молодых рифов – губки и кораллы – появились намного позже. Общую дистанцию между этими мирами помогает оценить история эволюции животного мира.

Как исследуют сидерий

Для столь древних пород особенно важен контекст образования окаменелостей. Метаморфизм стирает клеточные детали, а минералы способны создавать ложные нити и оболочки. Поэтому геохимический след процесса иногда надёжнее попытки назвать отдельный микрофоссилий.

Что установлено, а что остаётся моделью

Палеопротерозойская история продолжилась через риасий, орозирий и статерий. Затем последовали калиммий, эктазий, стений, тоний и, спустя огромный интервал, эдиакарий. Эти ссылки показывают, насколько далеко сидерий отстоит от мира крупных организмов.

Конец сидерия

Граница 2300 миллионов лет назад не отмечает мгновенного исчезновения железистых морей или окончания кислородного события. Она является численным соглашением международной шкалы. Некоторые ледниковые толщи и изотопные переходы пересекают её, а постоянное присутствие кислорода закрепилось позже.

В риасии продолжились оледенения, кислородизация и углеродная перестройка Ломагунди. Поэтому сидерий и риасий лучше читать как две части долгого перехода: первый показывает начало глобальной перемены, второй – её нестабильное развитие и закрепление.