Природный процесс в палеозое

Общие особенности палеозойской эры. Палеозойская эра (570-235 млн. лет) включает два тектонических и геохимических цикла: каледонский (кембрий, ордовик, силур) и герцинский (девон, карбон, пермь). Циклы начинались расколами материков и раскрытием океанов (что фиксируется офиолитовыми ассоциациями), а завершались столкновениями литосферных плит, складкообразованием и объединением материков (что фиксируется поясами складчатости). Но это происходило в Северном полушарии.

тогда как в Южном полушарии на протяжении всего палеозоя материки были объединены в суперматерик Гондвану. Ее общая площадь составляла примерно 100 млн. км², причем все материки в ее составе были развернуты по сравнению с современным положением примерно на 180°.

Состав атмосферы в начале палеозоя был еще далек от современного: при преобладании азота, содержание кислорода было невысоким (20-30% от современного). Содержание углекислого газа на порядок больше современного, оно медленно сокращалось от кембрия к раннему девону - с 0,3 до 0, 15%. Дегазация недр с опережением компенсировалась связыванием углерода в карбонатных породах и горючих ископаемых. Палеозой был беспрецедентной эпохой карбонатонакопления, проявившейся на всех материках. На палеозой приходится также ряд эпох угленакопления.

В результате процесса фотосинтеза происходили постепенное обогащение атмосферы кислородом и формирование озонового экрана. Это создало предпосылки для заселения суши разнообразными формами жизни. На суше жизнь вышла из-под воздействия «бромного тормоза» - влияния на нервную систему избыточного содержания брома, что характерно для морской среды. Поэтому (массовый выход жизни на сушу, происшедший в девоне, повлек за собой значительное ускорение эволюции как органического мира, так и (через влияние на газовый состав атмосферы и соответственно на климат) планеты в целом.

Но все эти процессы шли очень неравномерно _tвследствие продолжавшейся активной дегазации недр - выделения азота, углекислого газа, сернистых соединений. Максимумы концентрации кислорода отмечены в позднем ордовике (несколько меньше, чем ныне) и раннем карбоне (примерно на 10-15% больше современного). Между максимумами были минимумы в позднем кембрии, раннем девоне, перми, когда количество кислорода не превышало 20-30% от современного уровня.

Палеозой,..в отличие от более ранних этапов развития Земли, входит в фанерозой - время явной жизни и, значит, более изучен. Основная причина и критерий здесь - формирование организмов с наружными и/или внутренними скелетами, значительно лучше сохраняющимися в ископаемом состоянии.

Кембрийский период (570-490 млн. лет). Южные материки были объединены в Гондвану, причем Южный полюс располагался в районе северо-запада Африки. Северные материки были разобщены и располагались в тропических и субтропических пшротах. Климат был значительно теплее, чем в венде (глобальные температуры оцениваются в +20 - +28°). Преобладали климаты, сравнимые с современными экваториальными, влажными или сухими тропическими, и лишь вблизи полюсов условия были субтропические. Дифференциация климатических условий была выражена слабо и проявлялась не столько в зональных различиях температур, сколько в секторных различиях увлажнения.

Кембрийский период был временем радикального изменения живой природы, крупнейшего за всю историю биосферы. В течение сравнительно короткого (по геологическим масштабам) времени (появились многие группы скелетных организмов: археоциаты, губки, радиолярии, гастроподы, брахиоподы, трилобиты, кишечно­полостные. В конце кембрия появились и первые позвоночные - панцирные бесчелюстные. Представители фауны кембрия не отличались крупными размерами (до 20 см): — *

В кембрийском периоде начался и выход жизни на сушу: во влажных местах появились псилофиты, бактерии и грибы, черви и многоножки. Но огромные размер],! Гондванского материка не создавали предпосылок для его заселения. В то же время па северных материках (Сибирском, Северо-Американском, частично Восточно-

Европейском) происходили трансгрессии; в неглубоких шельфовых морях формировались толши карбонатных и глинистых пород.

Ордовикский период (490-435 млн. лет) характеризуется постепенным сближением северных материков и смещением южных материков в направлении полюса. Сибирский континент сместился на юг, присоединив ряд островных дуг своего южного и западного обрамления (байкальская и салаирская складчатости). Северо-Американский континент начинал сближаться с Восточно-Европейским, и разделяющий их Палеоатлантический океан превращался в систему окраинных морей и островных дуг. В то же время сохранялся и развивался Индо-Уральский срединно-океаничсский хребет, т. е. между Восточно-Европейской и Сибирской платформами продолжалось растяжение.

Климаты ордовика отличались от климатов кембрия большей дифференцйрованностью как в пространственном, так и во временном отношении. Средняя глобальная температура по сравнению с кембрием понизилась незначительно, но в конце ордовика произошло значительное похолодание, приведшее к оледенению. Южный полюс тогда располагался среди Гондваны (современный северо-запад Африки, северо-восток современной Южной Америки). Соответственно испытали оледенение тогдашние полярные области Африки и Южной Америки. Но на большей части материков имел место тропический аридный климат, вблизи морей - тропический гумидный. Между тропическим поясом и зоной оледенения, в пределах современных Африки и Южной Америки, располагался умеренный пояс.

Значительная часть древних платформ в ордовике подверглась трансгрессиям. В неглубоких шельфовых морях на большей части Сибирской и Северо-Американской платформ, на периферии Восточно-Европейской платформы сформировались мощные толщи известняков и доломитов.

Органический мир ордовика отличался от кембрийского большим разнообразием, большей численностью, большими размерами морских животных (головоногие моллюски с раковинами до 3 м, трилобиты до 1,5 м). В этом периоде уже существовали представители большинства известных сейчас классов морских беспозвоночных животных. Получили распространение коралловые рифы.

В конце ордовика имело место одно из наиболее массовых вымираний, в результате которого исчез ряд групп трилобитов, кораллов, граптолитов. В общей сложности количество семейств морской фауны сократилось примерно на 10-15% (по некоторым оценкам до 75%). Это событие совпало по времени с похолоданием и оледенением и, возможно, было им обусловлено.

Силурийский период (435-400 млн. лет) характеризуется постепенным <х , повышением температурного режима (до +18 - +22°) с понижением содержания кислорода в атмосфере. Продолжали сближаться материки Северного полушария, что сопровождалось активизацией тектонических движений и связанного с ними процесса дегазации недр. В конце силура началось закрытие Протоатлантического океана в результате столкновения Восточно-Европейской и Северо-Американской платформ. Это событие запечатлелось в виде области каледонской складчатости современной Скандинавии и Гренландии. Как предполагают некоторые авторы, в конце силура произошло и столкновение Северо-Американской платформы с Гондваной. В свою очередь, Гондвана сместилась к северу и покинула Южную полярную область. В результате этого завершилось оледенение, наступило общее потепление.

Органический мир после вымирания в конце ордовика восстановил и превысил уровень биоразнообразия. Получили широкое распространение раковинные и коралловые формы. Продолжалось рифообразование, появились первые рыбы: (панцирные бесчелюстные). К концу силура относится появление первых сухопутных растений - псилофитов, сосудистых травянистых растений, способных существовать в

наиболее увлажненных местах. Но в целом жизнь была по-прежнему сосредоточена в море.и на побережье; суша оставалась преимущественно пустынной. Значительная часть платформ по-прежнему была занята шельфовыми морями, в которых происходило карбонатонакопление.

Девонский период (400-345 млн. лет). Важнейшим тектоническим событием было завершение каледонской складчатости и образование единого материка Еврамерики. Он включал Восточно-Европейскую и Северо-Американскую платформы, а также области каледонской складчатости Гренландии и севера Европы. По некоторым реконструкциям, в раннем и среднем девоне на некоторое время Евроамерика смыкалась с Гондваной, образуя Пангею. В ее состав не входил только Сибирский материк. В связи со складкообразовательными и горообразовательными процессами при столкновении материков образовались многочисленные разломы, что привело к активизации вулканизма. Резко усилилась дегазация недр и, как следствие этого, произошел рост содержания углекислого газа до 0,4% (максимальный для всего фанерозоя уровень). Это повлекло за собой усиление парникового эффекта и повышение глобальной температуры (до +28 -+30°; наибольшее значение за фанерозой). В океанах и на побережье уже существовала достаточно развитая глобальная экосистема, и она отреагировала активизацией органогенного карбонатонакопления. В результате произошел резкий рост содержания кислорода в атмосфере (от 30% современного количества в раннем девоне до 100% современного уровня в конце позднего девона). Сформировался озоновый экран, резко снизивший уровень ультрафиолетового облучения на суше. В то же время массовое связывание углекислого газа повлекло за собой некоторое снижение глобальной температуры в позднем девоне.

Биота отреагировала на благоприятные изменения среды резким повышением биопродуктивности и биоразнообразия, заселением новых экологических ниш. В теплом и влажном климате девона имел место «взрыв видообразования» в море, в связи с чем девон получил название «век рыб». Получили распространение многочисленные формы панцирных, хрящевых и костных рыб, многочисленные аммоноидеи, фораминиферы. брахиоподы, кораллы. ⁷

В девонском периоде произошел также массовый выход различных форм жизни на сушу: сформировались псилофитная флора раннего и среднего девона; флора папоротникообразных позднего девона. В конце девонского периода на суше уже существовали настоящие леса из папоротникообразных; появились первые настоящие голосемянные. В позднем девоне от кистеперых рыб произошли первые земноводные - стегоцефалы, ставшие предками многообразных позвоночных, позднее заселивших сушу.

Однако столь быстрое развитие органического мира повлекло за собой и определенные проблемы. Отмирание многочисленных органических остатков в море привело к распространению сероводородного заражения морских глубин; и в конце (по другим данным - в середине) девона это привело к массовому вымиранию морской фауны (особенно рифообразующих кораллов и связанных с ними организмов) и длительному перерыву в рифообразовании. Эти события повлекли образование широко распространенных черных сланцев (аспидная формация, названная так из-за цвета пород).

В среднем и позднем девоне Гондвана вновь сместилась к югу. Но в связи с высокой концентрацией углекислого газа фон температур оставался высоким, климатическая зональность - слабо выраженной. Даже в приполюсных районах Гондваны имел место умеренный климат. На древних платформах по-прежнему имели значительное распространение трансгрессии и карбонатонакопление в шельфовых морях. В частности, в девоне была впервые затоплена преобладающая часть Восточно- Европейского материка.

\J Л «л/ЪС)-<

Каменноугольный период (345-280 млн. лет) начался как относительно спокойное теплое (глобальная температура +24 - +26°) время, с широким развитием трансгрессий на платформах и распространением выровненных пространств прибрежных равнин. В этих условиях получили развитие леса из плауновидных и хвошеобразных гигантских деревьев, послуживших исходным материмом для угленакопления. При высокой концентрации как кислорода (на 10-15% больше современного), так и углекислого газа и достаточно высокой глобальной температуре, активно развивался органический мир суши: возникли многочисленные земноводные, насекомые, в т.ч. гигантские формы. В середине карбона появились первые пресмыкающиеся, хотя их разнообразие и роль в экосистемах оставались в карбоне незначительными. В море возрастало разнообразие основных групп, возникших в девоне. Значительно сократилась ранее процветавшая группа трилобитов. В море и на суше происходил очень интенсивный фотосинтез и связывание углерода в виде карбонатных пород и углей.

В среднем и позднем карбоне тенденции развития изменились. Связывание углерода происходило быстрее, чем его выделение из недр. Следовательно, снижалось содержание углекислого газа, ослабевал парниковый эффект. Средняя глобальная температура понизилась до +16 - +18 . По мере развития процесса столкновения Лавразии и Гондваны сокращались размеры шельфовых морей на древних платформах, росла площадь суши. Вследствие понижения глобальной температуры, одновременно с увеличением площади суши, в позднем карбоне и ранней перми на южных материках произошло грандиозное оледенение, охватившее Австралию, Антарктиду. Индостан, южные половины Южной Америки, Африки, Аравии. Ледники достигали 45-50° южной широты, почти как в четвертичном периоде в Северном полушарии.

В то же время в среднем и позднем карбоне большая часть северных материков располагалась в приэкваториальном поясе и имела влажный тропический климат. Резко усилились температурные контрасты, активизировалась циклоническая деятельность. Увеличившаяся таким образом влажность климата способствовала продолжению эпохи угленакопления на северных материках. Таким образом, в позднем карбоне сложилась климатическая зональность, зеркально (оледенение в Южном полушарии при преимущественно океаническом Северном) похожая на таковую в четвертичный период.

В позднем карбоне произошло объединение Лавразии и Гондваны с образованием единого суперматерика Пангеи. В зоне столкновения Лавразии и Гондваны сформировались герцинские горно-складчатые сооружения Западной Европы. На рубеже карбона и перми в результате закрытия Уральского палеоокеана к этому суперматерику присоединилась Сибирская платформа. В состав Пангеи не входила только Китайская плита. На территории современного Урала, Западной Сибири, Северного. Центрального и Восточного Казахстана образовался герцинский складчатый пояс, выраженный в рельефе в виде высоких горных сооружений.

■ Пермский период (280-235 млн. лет) был временем существования Пангеи. протягивавшейся от Южного полюса почти до Северного. Вблизи Южного полюса в ранней перми продолжалось оледенение. В Уральском и Аппалачском поясах продолжалось горообразование. На платформах преобладали регрессии.

Одновременно происходила интенсивная денудация горных сооружений. При огромном размере материка Пангеи, значительном распространении на нем высокогорных складчатых поясов было затруднено проникновение влажных воздушных масс во внутриконтинентальные районы. Это способствовало аридизации внутриконтинентачьных пространств, и на смену обширным болотистым лесам карбона пришли не менее обширные пустыни пермского периода.

Такие условия не способствовали дальнейшему существованию весьма влаголюбивых гигантских хвощеобразных, плауновидных и папоротникообразных, а также фауны земноводных. В пределах этих систематических групп произошло массовое вымирание, после которого они остались представленными лишь менее крупными видами, занимающими более скромные места в экосистемах. Освободившиеся экологические ниши заняли более высокоорганизованные группы: голосемянные и пресмыкающиеся.

Господство пустынных пространств и лагунных бассейнов, где происходило осаждение солей (так, в кунгурском веке ранней перми такой бассейн простирался от Каспия до Полярного Урала), не способствовало активному протеканию фотосинтеза_; В пермском периоде; резко сократилось количество кислорода в атмосфере - до от современного уровня.;Сокращение биопродуктивности^и, соответственно, интенсивности связывания углекислого газа, привело к росту его содержания в атмосфере и у силению парникового эффекта. За пермский период глобальная температура повысилась с +16° до +20°.

В конце перми произошло наибольшее за всю историю биосферы массовое вымирание (96% видов морских животных). Вымирание охватило, ряд групп кишечно­полостных, аммоноидей и других морских беспозвоночных. /Окончательно исчезли трилобиты. Сухопутная флора и фауна пострадали меньше. Предполагается, что причиной этого могло быть падение глобальной температуры на несколько градусов вследствие уменьшения прозрачности атмосферы при падении астероида или катастрофическом проявлении вулканизма. Предпосылки для массового вымирания могло создать и общее ухудшение условий жизни (снижение содержания кислорода, похолодание, аридизация). Но если для массового вымирания в конце мелового периода причина и механизм экологической катастрофы практически установлены, то для перми пока ■ неясно, почему вымирание затронуло главным образом морскую фауну. Это \ массовое вымирание привело к резкому изменению состава флоры и фауны и стало биостратиграфическим рубежом, разграничивающим палеозойскую и мезозойскую эры.