12. Пиритовые пески и докембрийские железорудные формации

Итак, осадочные породы, возникшие примерно одновременно, а значит, в одинаковых атмосферных условиях, окислены в разной степени. Для того чтобы разобраться в этом противоречии, рассмотрим более подробно различия между кислородной и бескислородной атмосферами и между историей пиритовых песков и железорудных формаций.

Мы должны дать более строгое определение термину "бескислородный". Это не обязательно означает "абсолютно лишенный даже следов свободного кислорода". "Бескислородный" означает лишь "с небольшим содержанием кислорода, недостаточным для существования современной нам жизни и для хода знакомых нам процессов выветривания". Аналогичные определения приложимы ко всем случаям преимущественно количественных различий. Скажем, различие между тьмой и светом кажется предельно четким.

Но, как известно, даже в самой темной ночи глаз постепенно привыкает к слабой освещенности и начинает что-то различать. Итак для того чтобы дать разумное определение "тьмы", надо условиться, что темной можно считать среду, в которой энергия света, падающего на 1 см² поверхности, ниже определенного порога. Хотя в такой среде еще есть "свет", им можно пренебречь и называть среду темной. Как мы увидим в гл. XV, именно такой подход применяется при изучении атмосферной экстинкции (поглощения) солнечного излучения.

Трудно определить, каково было содержание свободного кислорода в бескислородной атмосфере. К этому вопросу мы вернемся в гл. XV и XVI, где дается определение бескислородной атмосферы как такой атмосферы, в которой содержание кислорода не превышало 1% современного уровня. Пуристы предпочли бы термин "малокислородная" [18], но я думаю, что это ненужное усложнение.

Таким образом, даже в самой древней атмосфере всегда имелось какое-то количество свободного кислорода. Зная это, мы можем теперь понять различие в истории пиритовых песков и железорудных формаций. Вспомним описанный в гл. X цикл горообразования. Пиритовые пески отлагались во время посторогенных периодов, а железорудные формации возникали в геосинклинальные периоды следующих друг за другом циклов горообразования в раннем и среднем докембрии. В посторогенном периоде вертикальные перемещения коры, устраняющие неравновесие, возникшее при горообразовании, проявляются довольно сильно; сравнительно быстро идут эрозия, перенос и осадконакопление. Образуются главным образом грубозернистые осадки - пески и гравий. В геосинклинальный период движения коры, особенно вне геосинклинальных поясов, незначительны. Выветривание, эрозия, перенос и осадкообразование замедляются, и образуются тонкозернистые осадочные породы, такие, как сланцы и хемогенные отложения.

Выше уже говорилось о том, что выветривание минералов и пород в бескислородной атмосфере шло совершенно иначе, чем в кислородной. В последнем случае преобладает химическое выветривание, а в первом - физическое. Хороший пример физического выветривания - процессы, приведшие к образованию пиритовых песков раннего и среднего докембрия. Но преобладание определенного типа выветривания не абсолютно: в необычных условиях это правило может нарушаться. Мы уже говорили о том, что в суровых климатических условиях Арктики или в жарких пустынях, где слишком холодно или слишком мало влаги для активного течения химических реакций, физическое выветривание и сейчас преобладает над химическим. Обратная ситуация могла складываться в бескислородной атмосфере в те периоды, когда движения коры были столь незначительными, что материки стачивались эрозией до уровня моря и эрозия прекращалась. Тогда химическое выветривание начинало преобладать над физическим даже в бескислородной атмосфере. Химическое выветривание сводилось главным образом к выщелачиванию, причем оставшийся нерастворимый остаток не подвергался переносу из-за выровненности ландшафта, которая отнюдь не благоприятствует стоку. Растворимые вещества в отличие от зерен породы все же переносятся водой и в этих условиях. Поэтому химическое осаждение преобладает над физическим.

Следовательно, в геосинклинальный период каждого орогенического цикла, когда материки сглаживались до уровня моря, цикл выветривание - перенос - осадкообразование сильно замедлялся по сравнению с посторогенными периодами и, кроме того, материал дольше и теснее контактировал с атмосферой. Поскольку атмосфера никогда не была совершенно лишена свободного кислорода, в такие периоды неполностью окисленные окислы могли возникать и в условиях "бескислородной" атмосферы. Одновременно в результате действия не совсем еще понятных химических механизмов осаждались железосодержащие силикаты вместо карбонатов, формирующихся в условиях кислородной атмосферы.

Таким образом, результат процессов выветривания, эрозии, переноса и отложения зависит не только от процентного содержания свободного кислорода в атмосфере, но и от скорости и интенсивности самих этих процессов. Если их скорость нормальна, то в условиях кислородной атмосферы образуются полностью окисленные вещества, а в условиях бескислородной - неокисленные. Если скорость этих процессов велика, то даже в условиях кислородной атмосферы могут отлагаться неокисленные вещества. Если же, напротив, эти процессы идут медленно, то вовлеченные в них вещества могут успеть окислиться даже в условиях бескислородной атмосферы. Итак, природа осадочных пород, формирующихся в условиях той или иной атмосферы, зависит от баланса между скоростью окисления при данном уровне содержания свободного кислорода в атмосфере и скоростью экзогенных процессов, в результате которых образуются эти породы.

Сейчас мы не можем представить себе, как выглядел этот баланс в разные периоды геологической истории. Во-первых, нам неизвестна абсолютная скорость экзогенных процессов в посторогенный или в геосинклинальный период. Очевидно, скорость эта варьировала, но данных для ее оценки нет. Во-вторых, мы не имеем представления и о скорости окисления при разном содержании кислорода в атмосфере.

Заметим, кстати, что геохимики интересуются почти исключительно конечным равновесием, достигнутым в реакциях минеральных веществ, но не кинетикой этих реакций. Поэтому обычные выводы геохимии неприложимы к нашей проблеме: нас интересует баланс между скоростями нескольких не зависящих друг от друга процессов.

К этому вопросу мы вернемся в следующей главе, но уже сейчас можно сделать некоторые выводы. Окислительный потенциал свободного кислорода (но не скорость окисления) так высок, что если экстраполировать термодинамические уравнения на атмосферу, совершенно лишенную кислорода, то мы получим бессмысленный вывод, который сводится к следующему: будь в земной атмосфере хотя бы один атом кислорода, его существование было бы эфемерным. Это видно и по диаграмме равновесия системы железо - вода - кислород (фиг. 77). Анализ диаграммы показывает, что переход от современной атмосферы к атмосфере, содержащей в 100 раз меньше кислорода, ненамного изменяет положение вещей. Но мы видели, что осадочные породы, сформировавшиеся в условиях первичной атмосферы, сильно отличаются от более поздних. Следовательно, аргументы в пользу существования первичной атмосферы должны основываться не на равновесиях реакций (равновесие, по-видимому, не может быть достигнуто в реакциях минералов со свободным кислородом), а на их кинетике.

Фиг. 77. Устойчивость окислов, карбонатов, сульфидов и силикатов железа при температуре 25°С и общем давлении 1 атм в присутствии воды [10]. Общая сера 10-6. Заштрихованная область в верхней части рисунка показывает изменение для H₂O и O₂ при переходе от современного содержания кислорода, PAL (верхняя линия), к одной десятой этого уровня, 0,1 PAL (нижняя линия). Такое изменение практически не влияет на гематит