Протерозой

Общие сведения и деление

Протерозой, протерозойская эра (от греч. πρότερος (proteros) — более ранний и ζωή (zoe) — жизнь) — геологический эон длительностью около 2 млрд. лет, следующий за археем и предшествующий палеозою. За нижнюю границу протерозоя принято время 2,5 млрд. лет назад. За верхнюю — 542±1 млн. лет.

По современным представлениям протерозой делится на 3 периода: палеопротерозой, мезопротерозой и неопротерозой. Ранее протерозой подразделяли на нижний, средний и верхний (рифей). Сейчас это деление считается устаревшим.

Деление протерозоя на отдельные периоды не случайно и базируется на стратиграфических исследованиях. Так, палеопротерозой — время достижения кислородом «точки Пастера» — 1 % от его содержания в атмосфере, современной нам. Произошло это событие 2 млрд. лет назад и носит название кислородной катастрофы. Учёные считают, что такая концентрация кислорода достаточна для того, чтобы обеспечить устойчивую жизнедеятельность одноклеточных аэробных организмов, т.е. организмов, нуждающихся в свободном молекулярном кислороде для поддержания своей жизнедеятельности. В отличии от аэробных анаэробные организмы, разнообразие которых в то время было существенно больше, в большинстве своём вымерли. Для них молекулярный кислород был губительным.

Кроме кислородной катастрофы в эпоху палеопротерозоя наступает первая стабилизация континентов.

Следующий за палеопротерозоем мезопротерозой — время формирования суперконтинента Родиния.

Наконец последний из протерозойских периодов — неопротерозой характеризуется распадом Родинии и масштабным оледенением, охватившим практически всю поверхность суши. Кроме того именно к этому временному интервалу относятся древнейшие ископаемые останки животных, что связано с формированием у них твёрдого скелета.

Тектоника

В течении протерозойской эры шло формирование ядер континентов из фрагментов древнейших протоконтинентов — кратонов. В частности во время палеопротерозоя были сформированы значительные части щитов Индии, Северного Китая и Южной Америки. Так древнейшее ядро Южной Америки — т.н. амазонский кратон, занимает почти всю северную и центральную часть Бразилии с прилегающими районами Венесуэлы, Гайаны и Суринама. К востоку от амазонского кратона, в восточной половине Амазонии, имеются фрагменты щита архейского времени.

Ядро континентальной части Европы также сформировалось во время протерозойской эры — путём объединения трёх кратонов в единый континент Балтика: Фенноскандии, занимающей территорию Балтийского щита, сформировавшегося в архейское время, Волго-Уральского (бассейн реки Волги) и Сарматского, на территории Украины, Молдавии и прилегающей части Румынии. Объединения описанных трёх кратонов закончилось к концу палеопротерозоя — 1600 млн. лет назад.

Протерозойское происхождение имеет и континентальное ядро Индии, сформировавшееся в результате объединения четырёх кратонов.

В течении всего палеопротерозоя, также как и в архейскую эру, происходила интенсивная вулканическая деятельность, причём в основном на поверхности суши, а не под водой, как в предыдущие геологические эпохи. Это было связано с более широким распространением континентов, что в свою очередь было вызвано накоплением значительных масс земной коры континентального типа.

Следующий за палеопротерозоем период протерозойской эры — мезопротерозой, характеризуется формированием первого в истории Земли суперконтинента Родинии, о чём свидетельствуют совпадения на краях литосферных плит Северной Америки и Антарктиды. Произошло это событие 1150 млн. лет. Родиния, как считают некоторые учёные не являлась первым суперконтинентом в истории Земли, хотя достоверных фактов такого утверждения не найдено до сих пор.

900 млн. лет назад Родиния начала раскалываться. В результате раскола образовалось как минимум 8 крупных фрагментов или континентов.

На протяжении протерозойской эры произошло несколько эпох тектогенеза (складчатости). Так около 2 млрд. лет назад закончилась раннекарельская (Балтийский щит) или эбурнейская (Западная Африка) эпоха, длившаяся 250 млн. лет, которая вместе с последующей позднекарельской эпохой (гудзонской для Канадского щита и майомбской для Африки), протекавшей около 1700 млн. лет назад, сыграла решающую роль в формировании фундаментов всех древних платформ. Тектоно- магматические эпохи в интервале 1700- 1400 млн. лет (например, лаксфордская в Шотландии — около 1400 млн. лет) установлены лишь на отдельных континентах.

Планетарное значение имеет готская (Балтийский щит), или эльсонская (Канадский щит), эпоха эктазия-стения, но она выразилась не столько в складчатости геосинклинальных образований, сколько в повторном метаморфизме и гранитизации отдельных зон в пределах фундамента древних платформ. Следующая эпоха — дальсландская (Балтийский щит), гренвильская (Канадский щит), или сатпурская (Индостан), на рубеже эктазия и стения, явилась первой крупной эпохой складчатости геосинклинальных поясов Южной Америки и Вест-Индии.

Наконец с протерозоем связана байкальская складчатость, происходившая в течении тония, и предшествовавшая каледонской тектонической эпохе раннего палеозоя. Термин "байкальская складчатость" был предложен в 1932 г. Н.С. Шатским. Продолжительность складчатости первоначально принималась от завершения формирования толщи поднятия Балтийского щита (1200 млн. лет) до нижнего или даже местами до среднего кембрия (500 млн. лет). После детального изучения геологического строения Южной Скандинавии выяснилась вероятность существования на этом отрезке истории Земли не одной, а двух эпох: дальсландской (или раннебайкальской) и байкальской (или позднебайкальской) с границей между ними на уровне 900 млн. лет. Типичными районами развития геосинклинальных образований, сформировавшихся в результате байкальской складчатости (байкалид), являются складчатые системы южного обрамления Сибирской платформы. Байкалиды образуют древние ядра многих палеозойских складчатых массивов Урала, Таймыра, Казахстана, Тянь-Шаня, вероятно, значительных пространств фундамента Западно-Сибирской равнины и др. Присутствие древних массивов байкальской складчатости, в той или иной степени регенерированных альпийскими тектоническими движениями, установлено на Кавказе, в Афганистане, Иране и Турции. Одновозрастные с байкалидами структуры широко развиты на всех континентах. Структурный план Земли, созданный в течение байкальской складчатости, предопределил размещение главнейших структурных элементов Земли на протяжении всей её последующей истории.

В Западной Европе (Франция) аналогом байкальской складчатости является кадомская, или ассинтская складчатость. В Индии ранним байкалидам (дальсландидам) соответствует складчатость сингбумэринаура, мусгравиды, в Австралии и Северной Америке — гренвильский комплекс, в Южной Америке — минасский комплекс. В пределах многих древних платформ байкальская тектоническая эпоха явилась временем формирования древних тектонических борозд (авлакогенов), заполнявшихся мощными массами осадочных и осадочно- вулканогенных пород, слагающих нижние горизонты чехлов этих платформ.

Подобные авлакогены установлены бурением и геофизическими исследованиями в глубоких частях Восточно- Европейской и Сибирской платформ (Пачелмский, Московский, Среднерусский и др.).

Южные древние платформы Земли в период байкальской складчатости испытали процессы магматизма и метаморфизма.

Гидросфера и атмосфера. Климат

К началу протерозоя масса воды в гидросфере Земли увеличилась настолько, что отдельные протоокеаны стали сливаться в единый Мировой океан и его поверхность покрыла средний уровень рифтовых зон на гребнях срединно-океанических хребтов. На этом первом тектоно-геохимическом рубеже за счёт проникновения океанской воды в рифтовые зоны степень гидратации океанической коры раннего протерозоя стала резко возрастать. Примерно за 600 млн. лет океаническая кора полностью насытилась водой, и около 2 млрд. лет назад поверхность океана уже успела "оторваться" от гребней срединно-океанических хребтов и вновь начала повышаться.

Резкое увеличение степени гидратации океанической коры в раннем протерозое сопровождалось столь же резким усилением поглощения диоксида углерода с образованием карбонатов. В результате в начале раннего протерозоя парциальное давление диоксида углерода в земной атмосфере стало даже несколько более низким, чем современное.

Несмотря на резкое уменьшение концентрации диоксида углерода в раннепротерозойской атмосфере, содержание кислорода в ней по-прежнему оставалось низким: всего 1% от текущего уровня. Связано это было с тем, что в мантии раннепротерозойского возраста ещё сохранилось 4-6% металлического железа и оно продолжало играть роль мощного поглотителя кислорода. При этом реакция окисления железа, по-видимому, происходила в два этапа. Вначале металлическое железо, поступавшее в рифтовые зоны вместе с горячими мантийными породами, окислялось до двухвалентного состояния, а после выноса растворимых в воде двухвалентных гидроксидов железа в открытый океан окислялось до трёхвалентного состояния уже кислородом, вырабатывавшимся из водорослей и железоокисляющих бактерий. Трёхвалентное железо, нерастворимое в воде, выпадало в осадок и накапливалось вместе с кремнезёмом в залежах железных руд.

Таким образом, к концу раннего протерозоя, около 2•10⁹ лет назад, атмосфера Земли в основном состояла только из азота с небольшими добавками водяного пара, аргона, сотых долей процента диоксида углерода и кислорода. Кстати, эта дата — время начала первого "кризиса загрязнения" — загрязнения атмосферы кислородом. За неполных 200 млн. лет его содержание в протерозойской атмосфере выросло в 15 раз, достигнув 15% от текущего уровня. Основным поставщиком атмосферного кислорода были фотосинтезирующие растения и бактерии, возникшие ещё в архейскую эру.

Вместе с изменением количественного состава атмосферы и снижением парциального давления диоксида углерода в раннем протерозое начался меняться климат Земли. Прежде всего уменьшился парниковый эффект, что существенно понизило температуру земной поверхности. В тоже время светимость Солнца ещё оставалась примерно на 10% ниже современной. Результатом действия всех перечисленных факторов было наступление около 2,5•10⁹ лет назад первого в истории Земли ледникового периода, однако достоверных свидетельств его существования до сих пор не найдено.

Спустя 1700 млн. лет — в криогении, наступил ещё один ледниковый период, по мнению многих учёных, — самый масштабный в истории Земли. В это время льдом была покрыта практически вся планета (теория Snowball Earth или «Земля-снежок») и температуры на экваторе были похожи на таковые в современной Антарктиде. Доказательством распространения льда на обширной территории было нахождение во многих местах ледниковых отложений — тиллитов. Они найдены в Экваториальной Африке, Австралии, на Урале, Тянь-Шане, Восточно-Европейской платформе (Белоруссия), в Скандинавии (Норвегия), Гренландии и Скалистых горах.

Основная причина криогенского ледникового периода была той же, что и причина наступления первого ледникового периода: снижение концентрации в атмосфере диоксида углерода или углекислого газа.

Так почему же верхнепротерозойский ледниковый период был гораздо более "мощным"? Этому способствовало расположение материков во время криогения в непосредственной близости от экватора. Дело в том, что когда Земля охлаждается, в силу каких-либо причин, реакция извлечения углекислого газа из атмосферы замедляется, тем самым препятствуя дальнейшему охлаждению. Но расположение материков в тропических широтах не позволяло замедлить темпы удаления углекислого газа, в результате чего ледники продвинулись до экватора, а высокая отражательная способность льда способствовала дальнейшему охлаждению.

Криогенский ледниковый период закончился примерно 635 млн. лет назад, причём очень внезапно. За то время, пока Земля была скована многометровым слоем льда, в её атмосфере, благодаря вулканическим взрывам, постепенно росло количество углекислого газа, ведь механизм его удаления уже не работал. Достигнув уровня в 350 раз превышающий современный, углекислый газ, как один из важнейших парниковых газов, способствовал разогреву атмосферы и дальнейшему процессу освобождения ото льда всё больших площадей: сначала на экваторе, а затем и в более высоких широтах.

Таяние льдов, в результате которого в воду попали многие биогены, а также практически полное исчезновение металлического железа из мантии, способствовали быстрому росту парциального давления кислорода: во-первых — произошёл взрывной рост популяций цианобионтов, а во-вторых — перестал действовать механизм связывания атмосферного кислорода железом. Наступил всплеск биоразнообразия, на основании чего ранее выделялся даже особый период протерозойской эры — венд.

Флора и фауна

На рубеже архея и протерозоя переход состава атмосферы от химически активного углекислотного к нейтральному, безусловно, должен был сказаться и на организации земной жизни.

По-видимому именно это событие послужило толчком к возникновению принципиально новых — эукариотных форм одноклеточных организмов и водорослей с чётко обособленным ядром и другими органоидами. Среди этих эукариотов были представители 3-х царств: грибов, растений и животных, разнообразие которых особенно возросло во второй половине протерозоя — 1700-542 млн. лет назад (ранее этот период назывался рифей). В начале этого временного промежутка появились одноклеточные растения, затем — примерно 1 млрд. лет назад — многоклеточные растения (зелёные и красные морские водоросли) и одноклеточные животные, и наконец 700 млн. лет назад возникли первые представители многоклеточных животных.

Наиболее древними находками многоклеточных животных являются, по-видимому, Charnia и Charnodiscus из толщи Чарнвуд-Форест в Великобритании. Богатая фауна неопротерозоя открыта в районе Эдиакара в Южной Австралии, где найдено около 1600 экземпляров животных, на основании изучения которых австралийскими геологами М. Глеснером и М. Уэйдом описано около 30 видов. Более 60% коллекции района относится к кишечнополостным. Особенно многочисленны медузы (Beltanella, Medusinites, Cyclomedusa) и проблематичные формы, близкие современным морским перьям (Rangea, Arborea). Велико разнообразие кольчатых червей (5 видов многощетинковых червей родов Spriggina, Dickinsonia). Кроме них имеются членистоногие (Precambridium) и животные неясного систематического положения (Tribrachidium).

Разнообразие фауны района, в т.ч. новых, до этого не известных науке видов животных, позволило учёным назвать её эдиакарской, по месту обнаружения. Впоследствии представители эдиакарской фауны были найдены во многих местах земного шара, в том числе в Северной и Южной Америке, в Африке, на Ньюфаундленде. На территории СНГ наиболее богатые сборы многоклеточных животных этой фауны сделаны в Приднестровье и на Летнем берегу Белого моря (Онежский полуостров), где известны медузоидные (Cyclomedusa plana, Pteridinium Dickinsonia) и другие формы. В скважинах на Восточно-Европейской платформе, примерно в тех же горизонтах, встречены своеобразные Vendia sokolovi и Beltanelliformis brunsae. Отдельные находки представителей эдиакаровой фауны имеются в разных районах Сибири.

Таким образом представители эдиакарской фауны были очень широко распространены по всей Земле, т.е. развитие мягкотелых многоклеточных животных, не имеющих минерального скелета, таких как книдарии, кольчатые и плоские черви, членистоногие и иглокожие, было общепланетарным. Жизнедеятельность животных протерозойской эры проявилась в виде следов ползания, проедания грунта, вырытых норок и отпечатков. Особенно впечатляют микрофоссилии, имеющие стенку органического происхождения. Такие микрофоссилии представлены не только бактериями, цианобионтами, беспозвоночными животными, нитчатыми водорослями, но, по-видимому, и спорами мхов. Если это так, то первыми наземными растениями могли быть верхнепротерозойские мхи.

Ну и конечно же были широко распространены строматолитовые известняки или строматолиты, сформированные цианобионтами в симбиозе с бактериями, ставшими первыми строителями рифов в истории Земли. Строматолитовые постройки во множестве родов, таких как Kussiella, Baicalia, Conophyton, Gymnosolen, Boxonia, Linella, были распространены в мелководных морях всего мира, но приблизительно 700 млн. лет назад их разнообразие начинает резко уменьшаться. По одной из теорий этому способствовали эукариотические травоядные организмы, деятельность которых положила начало кремнезёмной биоминерализации.

Важное значение для деления мезо- и нео- протерозоя имеют микрофитолиты, представляющие собой различные органогенные стяжения и сгустки, приуроченные к карбонатным породам (Vesicularites, Osagia и др.). Также в отложениях встречаются акритархи — мелкие тельца растительного происхождения размером 20-50 мкм, принимавшиеся ранее за споры и имеющие определённое стратиграфическое значение. Наиболее крупные из них (2- 3 мм) были описаны как Chuaria wimani Brotzen.

Полезные ископаемые

Морские и континентальные отложения мезо- и нео- протерозоя широко распространены на всех материках. Платформы в этот временной промежуток занимали несколько меньшую площадь, чем в палеозое, особенно в Южном полушарии. Они представляли собой плоскую сушу, на которой происходил размыв нижнепротерозойских пород на больших площадях, сложенных гнейсами и гранитами. Продукты разрушения пород накапливались в прогибах; так формировались толщи кварцевых и аркозовых песчаников на Восточно-Европейской, Северо-Американской и других платформах. Во внешних прогибах геосинклинальных систем наряду с песчаными породами отлагались глинистые толщи, карбонатные породы со строматолитами и в отдельных случаях флиш, например на Тянь-Шане.

В конце протерозойской эры в связи с эпохой байкальской складчатости на широких площадях отлагались молассы (Урал, Енисейский кряж, Восточный Саян, Прибайкалье, Скандинавские горы, Скалистые горы).

К отложениям верхнего протерозоя приурочены месторождения железных руд (Южный Урал, Енисейский кряж, Тянь-Шань), фосфоритов (Западная Сибирь, Прибайкалье). С карбонатными толщами связаны свинцово-цинковые месторождения (Горевское на Ангаре и др.).

В Экваториальной Африке к породам протерозойской эры приурочены также богатейшие месторождения руд меди, кобальта и урана. Отложения терминального неопротерозоя на Сибирской платформе включают газоконденсатные месторождения (Марковское в Иркутской области и др.).