Т. Лукреций Кар. О природе вещей.
Что же мы знаем о первых страницах истории земной коры? От какого рубежа ведет свое начало каменная летопись Земли и насколько верно геологи сумели ее прочесть? Откуда начинаются первые страницы геологической истории земной коры? Разобраться во всем этом следует по порядку.
В начале книги была приведена таблица геологической хронологии. Вернемся к ней. Показывая подразделения геологического времени, эта таблица говорит и о том, насколько мы знаем и умеем измерить продолжительность новейших периодов по сравнению с древнейшими, хотя длительность вторых гораздо больше. Почти 3,5 млрд. лет приходится на докембрий, что составляет более 3/4 продолжительности жизни Земли. Не говорит ли это о том, что первые три с лишним миллиарда лет эта жизнь протекала однообразно, равномерно и поэтому не оставила о себе приметных вех? Или мы просто не сумели до сих пор прочитать историю Земли в эти первые миллиарды лет? Справедлив второй ответ. Многие вехи геологической юности земного мира полностью стерты или скрыты от нас. Это первое. Второе — для изучения древнейшей истории Земли нужны особые приметы, особые методы. Найти ключ к расшифровке геологических иероглифов ученые долго не могли. Да и сейчас еще не все двери далекого прошлого Земли открываются этим ключом.
Как возникла идея «о древнем темени» Азии? Выше уже рассказывалось, что И. Д. Черский и за ним В. А. Обручев и получавший от Обручева письма Э. Зюсс убедились, что в Южном Прибайкалье древние породы почти повсеместно выходят на земную поверхность. Прикрытые маломощными наносами песков, галечников, глин, они только местами, особенно по краям больших котловин, уступают место осадочным, во многих случаях угленосным отложениям, сцементированным до степени песчаников, каменистых глин, конгломератов. Какой контраст с древними породами, которые то слоисты, то массивны, то нацело замещены изверженными породами и всегда кристалличны, что указывает на полное изменение вида и состава первичных пород, то есть на их глубокий метаморфизм! Породы эти, кристаллические и метаморфические сланцы, только своим сложением напоминающие обычные осадочные гнейсы и переходные к гранитам гранито-гнейсы и мраморы, слагают толщи огромной мощности. Их расчленение и выделение из них отдельных пластов, смятых, скрученных в складки, разорванных или вдавленных друг в друга, похожих по форме то на слои, то на линзы, связано с большими трудностями, а в прошлом веке, как и в первые десятилетия нашего века, считалось даже и неразрешимой задачей. Поэтому метаморфические толщи показывались на старых геологических картах одним цветом (малиновым, розовым) и обозначались буквой М, то есть как метаморфические. На них в разных местах земного шара залегают факерозойские отложения. Что залегает под метаморфическими толщами — до сих пор никому точно не известно, но так как абсолютный возраст древнейших из них, обнаруженных на Земле, 3,6—4,0 млрд. лет, а возраст Земли как планеты сейчас оценивается по различным, неоднократно проверенным данным (что неудивительно в наш космический век) около или несколько более 4 млрд. лет, то основание (подошва) докембрийских толщ должно в какой-то мере соответствовать по времени началу развития земной коры. Однако более чем вероятно, что самые низы докембрийских толщ в значительных объемах были давно переплавлены и превращены в граниты.
Громадные массивы гранитов и более мелкие их тела, типа послойных инъекций в кристаллических сланцах и гнейсах, заключены по всему разрезу до-кембрийскнх толщ. Эти кислые, то есть богатые SiO2, полностью кристаллические породы (слово «гранит» означает «зернистый») свидетельствуют о том, что образовались они при очень высоких температурах, при сложных физико-химических реакциях. Граниты можно в первом приближении разделить на интрузивные, т. е. внедренные в древние толщи в виде расплава горячего геологического «теста» (магмы), и метасоматические, возникшие на месте путем перераспределения и перекристаллизации вещества древних толщ, но также с привносом ряда элементов, как полагают, снизу, из верхов мантии. Для того чтобы произошла «гранитизация» метаморфических пород с их разнообразными химическим и минералогическим составом в виде массовых инъекций, своего рода впрыскиваний гранитного вещества в окружающие породы, частичная переплавка их на месте или, наконец, гранитизация сплошным фронтом, нужен вынос из глубин таких элементов, как калий, натрий, кремний. И если в настоящее время, изучая выходы коренных пород, мы видим давно законченный результат этих процессов в виде гранитов, гнейсов, мигматитов, образование которых закончилось сотни и даже 2—3 тысячи миллионов лет тому назад, то встает вопрос о том, что же было до этой самой гранитизации, какова была древнейшая, первичная земная кора? Это один из самых трудных вопросов геологии и по сей день окончательно не решенный. Поскольку возраст Луны, как указывалось, 4 млрд. лет и более, а древнейшие горные породы с возрастом 3,8 млрд. лет, найденные пока на Земле, имеют вторичный характер, то есть преобразованы из пород более древних, то и Земля, без сомнения, не моложе своей соседки Луны. Вот только Земле больше повезло: благодаря большей, чем у Луны, массе, она смогла удержать газовую и жидкую оболочки, на ней развилась биосфера.
Все время существования Земли можно разделить на две части: первую «астрономическую», не оставившую нам геологических свидетельств, и «геологическую» с ее, пусть и недостаточно полной, каменной летописью. Существо происходивших при этом событий — вот что нужно знать в первую очередь. Понятно, что такой, самый удаленный в глубь времен путь познания очень нелегок и далеко еще не пройден. Мы можем быть уверены только в том, что после своей аккреции {соединения или слипания первичных космических тел в единую планету) и расплавления под влиянием сжатия и концентрации радиоактивных элементов Земля не могла не покрываться корой охлаждения, состоящей из первичного космического вещества. Кора, вероятно, неоднократно взламывалась вулканическими газами, вновь плавилась и застывала. Распределение вещества по его весу в поле силы тяжести {гравитационная дифференциация), накладываясь на химические процессы, с неизбежностью привело к расслаиванию Земли на отдельные оболочки. Но начало «геологической» стадии — это также образование первичной атмосферы и гидросферы, создание озонового экрана, защитившего поверхность планеты от смертоносных ультрафиолетовых лучей, и создание условий для возникновения и развития жизни. То, что жизнь на Земле возникла на первичной коре и в первичном океане, сейчас доказано. В древнейших толщах Земли обнаружены породы явно органического происхождения. 3,5 млрд. лет назад Земля уже жила «жизнью живых существ», конечно, еще весьма примитивных. Их остатки входили в состав первичных осадочных пород, а значит, уже существовали возможности для измельчения более древних «коренных» пород, их выветривания, разложения и транспортировки вниз по уклонам рельефа и накопления осадков в первичных бассейнах.
Геология, хотя и выросшая из нужд горного дела, одного из первых «умений» человека, наука очень молодая. Она смогла стать на ноги только опираясь на достижения астрономии, географии, физики и химии, а твердо закрепила свои позиции лишь научившись разбираться в составе и происхождении горных пород, причем вначале относительно молодого возраста, содержащих окаменелости организмов, как документы о времени их «рождения». Но еще несколько десятков лет назад геологи останавливались в нерешительности, почти в смущении перед толщами докембрия. Горняки давным-давно научились извлекать из этих толщ золото, железо и ряд других металлов, геологи же, что называется, разводили руками. Им было ясно одно: породы глубокого (раннего) докембрия, видимые нами в современных разрезах современной земной коры, образовались путем глубочайших изменений каких-то иных первичных пород. Местами они как бы сохраняли первичную слоистость пород осадочных в виде грубой «полосчатости», но она, оказалось, могла образоваться и иным путем, например, колоссальным сдавливанием, спрессовыванием и рассланцеванием на больших глубинах. Никаких следов жизни в этих породах не находили, а подозрительные в этом смысле находки назывались «проблематикой». В каких действительных термодинамических условиях образовались породы докембрия, из какого первичного материала, каким способом, в каких бассейнах и почему породы древнего докембрия находятся повсюду только в очень метаморфизованном состоянии — все это оставалось неясным. Постепенно в головах геологов, не только русских, но и зарубежных, возник своего рода психологический барьер, гласящий о весьма относительной познаваемости докембрия как стадии жизни Земли и как многокилометровых по мощности горных пород, не только входящих ныне в состав земной коры, но и ставших когда-то ее основой. Мировая геология очень мало знала обо всем этом, редкие исследователи обращали на это специальное внимание.
Как мы уже указывали, перелом наступил только 30—40 лет тому назад, и в нем очень большую роль сыграла Сибирь. В пределах старой России, а затем СССР массовые выходы на поверхность толщ докембрия известны во многих местах — на Украине, в северо-западной части советского Европейского Севера, в Восточной Сибири и на Северо-Востоке СССР. В Восточной Сибири докембрий почти повсюду на огромном пространстве между Енисеем и Леной находится под чехлом спокойно лежащих кембрийских осадков. В двух местах толщи раннего докембрия обнажаются из-под известнякового кембрийского покрова и слагают так называемые щиты, или массивы,— Анабарский и Алданский. К северу от Ленинграда расположен Балтийский, а на юге Украины — Украинский архейские щиты. Названия щиты, или массивы, подчеркивают, что сплошные, занимающие значительную площадь выходы древнейших пород играют в общей структуре земной коры особую роль. Это особенно устойчивые, жесткие, как говорят геологи, консолидированные древнейшие части материков, состоящие из наиболее древних, глубоко и многократно метаморфизованных пород архея и отчасти и протерозоя, пронизанных гранитами и другими глубинными изверженными породами- Именно породы щитов показывают нам, из чего состоит гранитно-метаморфический слой, о котором не раз говорилось выше. Именно этот средний слой земной коры, выступая из-под размытого над ним осадочного, верхнего слоя коры в виде «окон», образует древние щиты, массивы материков. Для того чтобы произошло такое обнажение гранитно-метаморфического слоя земной коры из-под слоя осадочного, нужно было, понятно, его длительное поднятие и освобождение от верхней, более молодой осадочной покрышки силами выветривания, размыва и выноса разрушенного материала за пределы щита. Поскольку же само поднятие гранитно-метаморфического слоя создавало на земной поверхности обширную, но невысокую выпуклость (еще одна черта щита), а размыв осадочного чехла шел неравномерно, в зависимости от многих менявшихся палеографических условий, то и современные геологические границы щитов выглядят на картах довольно прихотливо. Щиты — это фундаменты древних платформ.
Повсюду на щитах на земную поверхность из-под новейших наносов выходят древние и древнейшие метаморфические толщи, состоящие из гнейсов, кристаллических сланцев, известняков и мраморов, большая часть которых имеет полосчатую текстуру, сжата в складки разных порядков, нередко разорвана, причем места разрывов в них также заполнены кристаллическим веществом. Эти то тонко, то грубо расслоенные толщи пронизаны и большими сплошными массами и насыщены бесчисленными параллельными жилами и жилками гранитов. С такими толщами мы уже встречались в первой главе. Изучение их показало, что почти все эти породы — продукт сильного и сильнейшего метаморфизма некогда осадочных пород, относившихся, как и осадочные толщи позднейших времен, к группе глинистых, песчаных и известковых. Их чрезвычайно высокий метаморфизм достигал, что называется, полного расплавления и гранитизации. По ведущим минералам, как бы индикаторам условий наиболее глубокого метаморфизма — граната и амфибола,— подобные породы относятся к гранулитовой и амфиболовой фациям, то есть наиболее высокотемпературным обстановкам. Таким образом, в пределах всей доступной нам изученной глубины второй слой земной коры генетически, то есть по первоначальному составу и условиям образования, 3—3,5 млрд. лет тому назад тоже был осадочным и, вероятно, создавался при участии древнейшей биосферы.
Чтобы попасть на Анабарский щит, нужно и в наше время совершить целое путешествие. Более доступен, скажем, из Иркутска Алданский щит в Южной Якутии. Зато совсем просто посетить краевой выступ фундамента Сибирской платформы в Южном Прибайкалье. Этот выступ, обнаженный на берегах Байкала начиная от истока Ангары, называют Шарыжал-гайским в честь небольшой пади и маленькой станции Шарыжалгай между станциями Байкал и Кутулик.
Проходящий здесь по самому берегу Байкала участок так называемой Кругобайкальской железной дороги замечателен во многих отношениях. В него вложили свои дары не только природа, но и наша отечественная история — эпоха предреволюционного освоения Сибири. 90-километрозый участок железной дороги здесь на большом протяжении либо прямо проходит над Байкалом по нависающими над ним почти вертикальными обрывами 250—300 м высотой, либо пробит в крепчайших породах архея с помощью 36 тоннелей и 52 галерей. Ничего подобного нет нигде в мире. Дорогу эту строили в самом конце прошлого и самом начале нашего века русские рабочие и инженеры, строили, не имея ни современной техники, ни современной взрывчатки, и построили так, что и сейчас все удивительное сооружение выглядит, как новое. Тоннельный участок Кругобайкальской железной дороги — подлинный памятник русского строительного искусства. Даже за рубежом его называли одним из трех чудес историк всемирного транспорта наряду с плаванием Колумба через Атлантический океан и открытием Америки и сооружением Суэцкого канала. Сейчас здесь ходят лишь рабочие поезда. Экскурсия пешком позволяет познакомиться здесь с гигантскими обнажениями пород архея, ко при этом требует некоторой смелости и осторожности. Шарыжалгайская серия высокометамсрфизованных пород срезана обрывом Приморского плато, и этот обрыв, за который словно уцепилась железная дорога, уходит на сотни метров в глубь Байкала.
Наблюдателю, лишь поверхностно знакомому с геологией, трудно понять что-либо в обнажениях шарыжалгайской серии. Только редкие вертикальные жилы базальтов — подводящие корни молодого вулканизма, о котором выше рассказывалось, да линзы и блоки кристаллических известняков здесь говорят, так сказать, сами за себя. Основной объем толщи, кажущейся грубополосчатой, слоистой, какое-то смешение признаков пород осадочных, осадочно-метаморфических и изверженных. Здесь все первичное вещество подверглось сильнейшему изменению на больших глубинах, при очень высоких температурах и огромных давлениях. А вот сейчас мы видим их прямо перед собой на земной поверхности, видим сильно раздробленными, трещиноватыми. Какой контраст между той средой в глубинах земной коры, где толща архея на заре геологической истории была мета- и даже ультра-метаморфизована, и той средой на берегу Байкала, полной воздуха, воды и света, где мы видим ее сейчас! И тут становится очевидно, что древний архей был когда-то поднят с больших глубин тектоническими силами до поверхности и, поднимаясь, постепенно обнажал свое внутреннее строение. Картина, открывающаяся здесь,— простое и прямое следствие тех «юных движений на древнем темени Азии», о которых мы уже рассказывали. Шарыжалгайская серия, состоящая из различных кристаллических сланцев и гнейсов, мраморов и кальцифиров, амфиболитов, испытала сильнейшую гранитизацию, неоднократную перестройку своей внутренней структуры под действием тектонических сил.
В районе Слюдянки и на склонах хребта Хамар-Дабан, что обрамляет впадину Байкала с юга, распространены породы более молодой, чем шарыжалгайская, но также относящейся к древнему докембрию Слюдянской серии. Абсолютный возраст ее пород — около 2 млрд. лет против 2,6—3,0 млн. лет, определяющих, по новейшим данным, возраст шарыжалгайской серии. Огромная обнаженность, «раскрытость» Байкальского древнего докембрия в этом районе, близость и доступность к научным центрам делает его одним из главных объектов внимания сотрудников Института земной коры, изучающих древнейшие толщи Восточной Сибири.
Как же понять тот твердо установленный факт, что, начиная с «базальтового» слоя и во всяком случае с поверхности Мохоровичича и глубже, состав вещества недр существенно меняется — оно становится тяжелым и основным, бедным кремнекислотой, обогащаясь железом, кальцием и магнием, в то время как в осадочной и гранитно-метаморфической оболочке коры преобладают более легкие кислые и очень кислые породы, богатые щелочами. Уже очень давно геологи различали в составе коры кислый слой «сиаль» (силиций+алюминкй) и подстилающий слой «сима» (силиций+магннй), подчеркивая ведущую роль различных элементов на разных глубинах Земли. Мы уже видели, что самым распространенным представителем основных пород вулканического происхождения являются базальты. Их очень много на земной поверхности, но все они поднялись из глубоких, внутри- и даже подкоровых очагов. Но в осадочную и гранитно-метаморфическую оболочку коры местами внедрены еще более основные, еще более бедные кремнекислотой изверженные породы, представленные многими разновидностями — перидотитами, гарцбургитами и др. Геологи называют эти породы ультраосновными, или гипербазитами (сверхосновными). Ими сложена верхняя мантия. Из них при особых термодинамических условиях, как установлено, могут выплавляться базальты.
В отдельные промежутки геологической истории базальты изливались огромными массами на поверхность или проникали в осадочные толщи. Так, между прочим, в пермско-триасовое время образовались в Восточной Сибири сибирские траппы — основные изверженные породы, занимающие огромные площади и объемы на Средне-Сибирском плато.
В современную эпоху вулканические излияния базальтового состава продолжают преобладать на суше и в море. Поднимаясь из глубоких, подкоровых очагов, базальты выносят в себе включения ультраосновных пород — прямых вестников мантии. Все это говорит о господстве в низах коры и под корой тяжелого основного вещества, имеющего мало сходства с тем, что составляет верхние части земной коры. А поскольку кора лежит на мантии, подвергаясь ее воздействию (особенно разнообразных газов — флюидов), и покрывается воздушной и водной оболочками, которые могли быть выделены только веществом самой планеты, то не может быть сомнений, что земная кора представляет своего рода легкий шлак, в котором, по сравнению с самой мантией, произошло обогащение одними и обеднение другими элементами. С другой стороны, в мантии и земной коре содержатся одни и те же элементы, только соотношения их в этих оболочках разные. Легче всего объяснить это явление миграцией химических элементов из мантии в земную кору, из коры в гидро- и атмосферу и в обратном направлении — другими путями и другими наборами элементов. В геохимии этот вопрос хорошо изучен.
Интересно, что именно при изучении алданского архея, притом не оторвано от жизни, а в процессе поисков и разведок слюды-флогопита, возникла новая в науке гипотеза об образовании первичной земной коры. Главные положения этой идеи следующие.
Первичный океан и первичная атмосфера сформировались на коре основного состава, близкого к базальтовому. Почти повсеместно происходили все новые излияния базальтовых лав из огромных трещин и, возможно, отдельных вулканов, поставлявшие и в кору, и в воздушно-водную оболочку огромные количества газов. Термодинамическая обстановка была иной, температура на земной поверхности — гораздо выше. С возникновением атмосферы и гидросферы начался и протекал очень бурно процесс круговорота воды и движения воздушных масс по всей планете. Поэтому разрушение вновь и вновь возникавших вулканических возвышенностей, связанных с неравномерным накоплением лав и туфов, шло очень интенсивно. Разложение первичных вулканических пород шло преимущественно химическим путем, то есть было очень глубоким. Продукты разложения основных пород первичной коры подвергались размыву, переносу, пере-отложению, все новому и все более глубокому преобразованию, в конечном счете отлагаясь на дне первичных водоемов в виде осадочных толщ. Как думают ученые, именно такой процесс взаимодействия водной, воздушной и твердой наружной оболочки планеты вел к перераспределению химических элементов и их соединений по сравнению с их соотношением в первичной коре. Так в течение многих десятков и сотен милнонов лет произошло обогащение верхних частей коры кремнеземом и щелочами, иными словами, кора приобрела более кислый состав по сравнению с подстилающими оболочками, и из нее стало возможным выплавление первичных гранитов. Перераспределению, накоплению одних, выносу других элементов в огромной степени содействовало появление биосферы. Одним из грандиозных результатов деятельности биосферы уже на самых первых стадиях развития жизни стало накопление и консервация в земной коре кальция в виде известняков, превратившихся впоследствии в толщи мраморов. Попутно заметим, что архейские мраморы выходят во многих местах в Приольхонье на Байкале, около Слюдянки.
Консервация в древнейших осадках углерода шла по линии не только накопления карбонатов — солей угольной кислоты, но также органических соединений — первичных носителей жизни, преобразованных в углеводороды, а на очень больших глубинах коры в практически кислый углерод — кристаллический графит. Примером могут быть архейские графитовые гнейсы в районе Слюдянки.
Нарисованный очень схематично путь преобразования «доархейской» химически основной «базальтовой» коры в кислую, гранитно-метаморфическую, происходивший за счет влияния на протокору главным образом протогидросферы и протоатмосферы, принят в настоящее время многими учеными. Интересно отметить, что такой путь развития первичной коры был впервые намечен геологом Н. В. Фроловой, много лет работавшей в Восточной Сибири, тесно связанной своими исследованиями с Иркутским университетом, Институтом земной коры и Сибирским институтом геохимии им. А. П. Виноградова.
Докембрий в целом, древний докембрий, или архей в частности, очень богаты полезными ископаемыми разнообразного типа и происхождения, особенно рудными. Поэтому интерес к изучению древнейших толщ Земли неуклонно возрастает. Несомненно, что и докембрийские толщи Восточной Сибири в этом отношении весьма перспективны.