Makeev-monograph-2012

Страница169

Экологическая роль палеопочв в геологической истории Земли

“Никто уже не оспаривает теперь, то изучение почв открывает нам геологическую историю Земли”.

Б.Б. Полынов, Автобиографические рассказы

Введение.

Бурное развитие палеопочвоведения позволяет оценить проявление экологических функций почв в различные этапы эволюции ландшафтной оболочки. Согласно определению палеопочвенной комиссии Международного Союза наук о почве, выделяются следующие виды палеопочв: 1. погребенные (ископаемые); 2. непогребенные (реликтовые) – surface paleosols, non-buried paleosols (relict paleosols); 3. ре-

экспонированные (погребенные палеопочвы, экспонированные на дневную поверхность в результате эрозии) – exhumed paleosols (Paleopedology

Glossary, 1997). В геологической летописи наличие палеопочв особенно зрелых профилей, означает периоды метастабильности в геологических циклах. Это, однако, не гарантирует дальнейшую сохранность палеопочв. И палеопочвы и включающие их осадки уничтожаются геоморфологическими процессами, вовлекаются в геологический круговорот. До недавнего времени находки дочетвертичных палеопочв, особенно полнопрофильных были крайне редки. Еще реже встречаются сохранившиеся фрагменты древних почвенных покровов.

К.Д. Глинка (1904) подчеркивал: «Если мы будем хорошо знакомы с внутренними свойствами почвенных типов, то во многих случаях в состоянии будем различать их и тогда, когда для нашего изучения осталась не почва, а продукт ее разрушения, какой-нибудь нанос, образовавшийся из почвенного материала». То есть у нас есть возможность судить о характере почвообразования и в целом о ландшафтной обстановке не только непосредственно по сравнительно редким находкам собственно палеопочв, но и по характеру геологических отложений, испытавших на себе воздействие почвообразования. И.П. Герасимов (1971) предложил понятие педолит для седиментационных горизонтов, состоящих в значительной степени из почвенного материала (переотложенные почвы, педоседименты). Таким образом, педолиты - это осадочные породы, несущие признаки почвообразования. (soil sediment, согласно Paleopedology Glossary, 1997). Очевидно, что почвенные породы должны входить в число объектов палеопочвоведения. Но судьба палеопочв в геологических циклах не ограничивается простым перемещением почвенного материала. Для того чтобы понять экологическую роль палеопочв и их влияние на эволюцию геосферно-биосферных циклов, нам необходимо опираться на учение о биогеохимической роли живого

Страница170

вещества. В.И. Вернадский подчеркивал: «Влияние жизни не ограничивается одним поверхностным слоем. Благодаря геологическим процессам происходят смещения земных слоев, и почва нередко целиком во всей своей массе на значительных протяжениях переносится в другие земные оболочки, прекращая свое существование как почва, но, внося в эти оболочки ту химическую энергию, которая дана ей деятельностью живого вещества. В общем, этот процесс играет в истории земли гораздо большую роль, чем мы ему обычно приписываем» (Вернадский, 1992). С влиянием живого вещества В.И. Вернадский связывал такие важные свойства горных пород, как мелкоземистость, смешение большого числа химических элементов и гомогенизация. Большую часть осадочных пород В.И. Вернадский рассматривал как бывшие палеопочвы. И.П. Герасимов (Gerasimov, 1971) подчеркивал, что история субаэральных отложений это история палеопочв. Очевидно, что с таким же основанием к бывшим палеопочвам следует относить и значительную часть метаморфических (бывших осадочных) пород. Другими словами, речь идет о непрерывном взаимодействии на протяжении геологической истории жизни и почвы, приводящем к формированию не только собственно палеопочв, но и преобразующем, в конечном счете, всю земную кору. Эти подходы затем развиты в трудах Гольдшмидта (Goldshmidt, 1954), Полынова (1948), Ковды (1973) и других исследователей о сочетании и роли геологического и биологического круговоротов в почвообразовании. Ковда подчеркивает: «Появление жизни, создавшей биосферу и исключительно деятельное «живое вещество», играющее огромную роль в геохимических процессах земной коры, привело к тому, что геологические процессы протекают при определяющем значении биосферы и геологические круговороты веществ тесно сочетаются и находятся в единстве с биологическими круговоротами и почвообразованием» (Ковда, 1973, т. 1, с. 102). Заварзин (2003) говорит о биосферно-геосферной системе. Наземную часть биосферы выделяют как биогеосферу (Добровольский с соавт., 2010). Речь идет о том, что связь между биологическими циклами и геологическом круговоротом в биогеосфере осуществляется через почву (палеопочву). Таким образом, роль почв в истории Земли следует оценивать по эволюции взаимодействия биологического и геологического круговоротов в биогеосфере. Для описания эволюции этих взаимодействий в истории Земли мы будем использовать понятие биогеосферные циклы.

Для всей совокупности почв и продуктов их вовлечения в геологический круговорот М.А. Глазовская (2009) предложила понятие педолитосфера. Именно педолитосфера, а не только профили и горизонты собственно палеопочв являются объектом изучения палеопочвоведения

(рис. 1).

Страница173

жизнедеятельности фотосинтезирующих организмов можно определить по соотношениям в осадочных породах изотопов 12С/13С и 32S/34S. Первоначально, обогащенные углеродом со смещенным изотопным отношением 12С/13С, обнаружены в отложениях возрастом 2,4 – 2,5 Ga (Rankama, 1954; Campbell, 1979). Биологические циклы в геохимии серы были зафиксированы в последние 2 млрд. лет. В дальнейшем изотопные свидетельства жизни были зафиксированы гораздо раньше. Отметим, что геохимические показатели реализуют как раз подход Вернадского и его последователей к оценке планетарной роли живого вещества. Смещенные изотопные соотношения свидетельствуют о том, что уже древнейшие из известных пород формировались под влиянием живых организмов. В настоящее время появление первых форм жизни по изотопным данным оценивается в 3,8 млрд. лет назад, при этом палеонтологическая запись (прежде всего следы жизнедеятельности) не превышает 3,5 Ga.

Согласно современным оценкам, формирование первоначальной земной коры и образование ядер материков (кратонов) оценивается возрастом 4,0 – 3,8 Ga (Ehrlich and Newman, 2009). Древнейшие из известных пород на Земле - это породы архейского зеленокаменного пояса Исуа на юго-западе Гренландии (Isua greenstone belt, в пределах Гренландского кратона) возрастом 3,7 - 3,8 Ga, представленные метаморфизованными вулканическими и осадочными породами. В кварцпироксенитовых слоистых отложениях (по-видимому, метаморфизованные джеспилиты) с меловыми прослоями исследованы графитовые прослойки мощностью около 100 µм со смещенным изотопным соотношением δ13C - 19‰ PDB (Wacey, 2009). Таким образом, уже в древнейших породах обнаруживаются признаки обитания (первые биогеосферные циклы). Последние материалы по другим древнейшим кратонам выявляют многочисленные признаки жизни в породах старше 3 млрд. лет (Wacey, 2009). Так, в пределах гранитно-зеленокаменного пояса кратона Пилбара (Pilbara), западная Австралия в базальтовых толщах в пределах меловых отложений возрастом 3,472-3,456 Ga зафиксированы округлые образования 1-4 µм в диаметре, образовавшиеся в результате биологического выветривания. Изотопное соотношение составляет δ13C - 16‰ PDB. В пределах кратона Каапвааль (Kaapvaal), зеленокаменный пояс Барбетон, провинция Мпумаланга, Южная Африка, в меловых отложениях, формировавшихся на мелководной части шельфа возрастом 3,416-3,444 Ga, обнаружены явные признаки микробных матов (тонкие углеродистые прослойки (1-1.5 µм толщиной и до 100 µм длиной). Изотопное соотношение в этих отложениях составляет δ13C -20‰ – 35 ‰ PDB. Итак, согласно современным данным, самые древние из известных пород отвечают критериям «обитаемость», так как представляли собой мелкоземистые осадки и даже содержали глинистые частицы. Но в этих же древнейших породах обнаруживаются и признаки обитания.

Страница174

В настоящее время не вызывает сомнений распространение микроорганизмов в океанах, начиная с 3,8 Ga. В то же время, первые следы заселения микроорганизмами суши до сих пор не так очевидны. Не исключено, что часть из древних строматолитов возрастом 2,7-2,3 Ga представляет собой останки наземных микроорганизмов пресных водоемов. Это заключение, однако, подвергается сомнению. В палеопочвах возрастом 2,7-2,3 Ga было установлено наличие органического вещества. Однако, высказываются сомнения в его автохтонности. Ранее бесспорные ископаемые микробные останки были зафиксированы в палеопочвах возрастом 1,2 Ga в Аризоне, США. В дальнейшем в палеопочвах провинции Мпумаланга (Восточный Трансвааль, Южная Африка) было изучено органическое вещество в серии палеопочв возрастом 2,7-2,6 Ga, сформированных в зоне серпентинитдунитовой интрузии в массив гранито-гнейсов (Watanabe et al., 2000, 2004). Описано два типа палеопочв. Первые развиты на силикатном (серпентинит и гранит) обломочном материале. Формирование других приурочено к зонам карбонатной или доломитовой пропитки в местах разгрузки грунтовых вод. Оба типа палеопочв характеризуются высоким содержанием органического углерода (до 1,4 весовых %). Углеродистое вещество в почвах тесно связано с глинами - тальком, хлоритом и Feстилпломеланом (слоистый силикат) - и образует прослойки от 20 μm до 1 mm параллельные почвенным горизонтам (рис. 2).

Рис. 2. Ассоциация органического вещества с глинистыми минералами в архейской палеопочве возрастом 2,7-2,4 млрд. лет. Провинция Мпумаланга (Восточный Трансвааль, Южная Африка, Watanabe et al., 2000). Прослойки органического вещества (черные), приурочены к местам скопления зерен Feстилпломелана (светло-коричневые участки). Видны зерна кварца (эоловая примесь) и кальцита.

Страница175

Характер залегания, кристаллографическая структура, отношение

C/H а также значения δ13Corg (−17.4 to −14.4‰ PDB) позволяет предположить, что это углистое вещество представляет собой инситные остатки микробных матов с исходной мощностью от 1 до 20 мм. На силикатных породах микробные маты формировались на поверхности почв. В карбонатных почвах микробные маты формировались на дне испаряющихся бескислородных щелочных водоемов при отложении богатых железом доломитов. Можно предположить, что микробные маты имели сложную структуру и состояли из цианобактерий и гетеротрофов, использующих останки цианобактерий при иссушении водоемов.

В Прионежье получены материалы, показавшие, что коры выветривания архея образовывались при участии микроорганизмов. Можно говорить о заселенности суши микробами уже в раннем докембрии. Анализируя современные аналоги древних микробных сообществ в содовых озерах Г.А. Заварзин (2001) пришел к выводу, что разнообразие бактериальной жизни и полнота функций микробного сообщества позволяют думать, что микробная жизнь не "вышла из моря", а "вошла в море". Аккумулятивное распределение углерода и его изотопных соотношений (δ13С) в профилях палеопочв служит показателем разнообразной жизни уже в раннем докембрии. По последним данным (Астафьева, Розанов, 2010) уже в раннем докембрии обнаруживаются разнообразные формы микроорганизмов, не исключено присутствие эукариотов. В частности можно выделить гиперсолевые, метанотрофные и т.д. сообщества микроорганизмов. Об интенсивной деятельности микробиоты свидетельствует и аккумулятивное распределение микроэлементов (Ba, Cr, Cu, Ni, Zn и P) в почвах возрастом 3,0-1,647 Ga. Признаки восстановления железа и марганца по трещинам обнаруживаются в палеопочвах возрастом 1,8 Ga и старше.

Почвы прокариотной бисоферы.

Интересно, что граничные рамки условий почвообразования и эволюции географической оболочки оставались метастабильными с самого начала геологической летописи и на протяжении всей истории Земли (Retallack, 2001). В древнейших осадочных толщах (сланцах и песчаниках Канадского щита, Балтийского щита и Южноафриканского кратона) обнаруживаются признаки выветривания под воздействием кислых водных растворов. Даже в отсутствие высших растений не менялась интенсивность выветривания. С самого начала записи обнаруживается органическая фиксация атмосферного углерода и азота при постоянном содержании СO2 в атмосфере (постоянная δ13С в органике) и постоянное содержание азота в атмосфере (δ15N). Совместное нахождение псевдоморфоз гипса и галита в породах возрастом около 2000 Ga указывает на то, что геосферно-биосферные системы эволюционировали

Страница176

при умеренных температурах (диапазон от близких к нулю в ледниковые эпохи до <580С в периоды «теплых» биосфер (по Чумакову, 2001).

Согласно данным бактериальной палеонтологии, уже в раннем докембрии, более 3,5 Ga микроорганизмы, бактерии, возможно цианобактерии, и даже, возможно, эвкариоты участвовали в формировании кор выветривания (Розанов с соавт., 2008). Таким образом, можно говорить о заселенности суши микробами уже в это время. Не исключено, что столь древние следы жизни на суше означают, что первые микроскопические формы жизни возникли одновременно как в океане, так и на суше. Микроорганизмы, безусловно могли осуществлять процессы архаичного почвообразования. Большинство палеоботаников, палеогеографов и геологов полагают, что в докембрии, кембрии и ордовике суша выглядела еще пустынной, и растительного покрова на ней не было. Господствовали на поверхности суши бактериально-водорослевые пленки, грибы и лишайники (Криштофович, 1950; Страхов, 1971; Соколов, Федонкин, 1988). Этот период эволюции педосферы рассматривается как

«первичный» (Global Soil change…, 1990). Современные методы,

преимущественно данные сканирующей электронной микроскопии, позволяют утверждать, что практически все влажные поверхности, по меньшей мере, в верхних частях зоны гипергенеза, в той или иной степени покрыты бактериальными биопленками (Fossil and recent biofilms, 2003). Исследование древних отложений показывает, что в нижнем докембрии положение было таким же, хотя четких данных о микробном заселении именно субаэральных поверхностей пока нет. Биохимическая роль микроорганизмов определяется невероятно высокой скоростью из размножения. В.А. Ковда (1973) следующим образом характеризует биогеохимическую запись в докембрии. С деятельностью микроорганизмов связан синтез органических веществ и первые биологические циклы С, S, N, P, Fe, Mn, а в дальнейшем расширение биологического круговорота минеральных веществ. Первые биохимические циклы обусловили формирование масс биогенного кремнезема, обогащенного органикой и биофильными элементами (H, O, C, N, P, S, Ca, K, Fe, Si, Al). С ними связан биогенный синтез вторичных минералов (алюмо- и феррисиликатов, фосфатов, сульфатов, карбонатов, нитратов, опала, халцедона, кварца). В результате образовывались мелкоземистые осадки, обладающие поглотительной способностью, благоприятными физическими свойствами, запасом элементов минерального питания и запасом органического вещества. Эта биогеохимическая запись, составленная по свойствам древних осадочных пород (докембрийские палеопочвы тогда не были известны) дополняется в настоящее время при исследовании собственно почвенных профилей.

Так, почва серии Pronto, формировавшаяся в интервале 2,6 - 2,45 Ga на гранито-гнейсах Канадского щита, Онтарио, Канада, является одной из

Страница177

самых изученных почв раннего протерозоя в мире (Nedachi et al., 2005). Основным процессом, формирующим профили выветривания, было накопление глины (теперь серицит, G-Farrow & Mossman, 1988). В верхних горизонтах наблюдается остаточное накопление кварца. Профили почв характеризуются закономерным изменением строения вниз по профилю. Так, развита блоковая структура, укрупняющаяся в нижних горизонтах. Глинистые кутаны очевидно указывают на промывной водный режим. Для почв характерно аккумулятивное распределение углерода и его изотопных соотношений (δ13С). Сходные по возрасту палеопочвы серии Denison, развитые на хлоритовых сланцах характеризуются наличием глинистого профиля. Источником глинистых минералов (преобразованных в серицит под воздействием диагенеза) были амфиболиты и хлориты. Прекрасным объектом для оценки результатов выветривания являются палеопочвы Cooper Lake, сформированные в интервале 2,7-2.4 Ga на базальтах гуронской супергруппы (Онтарио, Канада). Почва имеет выветрелый профиль, причем постоянство отношений Ti/Al, Zr/Ti, and Al/Zr свидетельствует о том, что этот профиль сформировался при выветривании in situ. Таким образом, сопоставление почв одного времени, сформированных на разных породах, показывает, что уже древнейшие почвы обладали литосенсорностью.

Изучение древнейших палеопочв заставляет нас пересмотреть представление о них как о маломощных почвопленках (soil crusts). Поразительно, что древнейшие палеопочвы аналогичны современным глубоковыветрелым аналогам. Формирование столь мощных профилей под бактериальными биопленками требует осмысления, и далее мы еще вернемся к этому вопросу. В любом случае этот факт свидетельствует о том, что биогеохимическая деятельность микроорганизмов была очень активной.

Палеопочвы дают определенные ответы на главные вопросы начальной истории Земли. Коры выветривания (палеопочвы, палеопедолитосферы) – единственные достоверные свидетельства продолжительных континентальных обстановок как в докембрии так и в фанерозое. Наличие мощных профилей в архее и раннем протерозое рассматривается как доказательство существования стабильных поверхностей кратонов. Мощные толщи бокситов, латеритов и силкритов могли формироваться за длительные периоды времени, сотни миллионов лет. В.О. Таргульян (2008) в этой связи говорит о «вымерших характерных временах» почвообразования. Изучение палеопочв показывает наличие явлений карста, позволяет выявить следы древнейших оледенений и перигляциальных явлений, а также периодов аридизации.

Таким образом, в раннем докембрии микроорганизмы, бактерии, возможно цианобактерии и даже, возможно, эукариоты сопровождали и способствовали образованию кор выветривания. Докембрийские

Страница178

палеопочвы - это результат воздействия субаэральной биоты. Все сказанное выше с определенностью свидетельствует о колонизованности суши микроорганизмами вероятно во всей геологически документированной истории Земли. Возвращаясь к постулату Заварзина о том, что обитанию должна предшествовать обитаемость, мы можем заключить, что везде, где можно проследить обитаемость (признаки палеопочв), мы обнаруживаем и обитание (признаки деятельности микроорганизмов).

Одно из важнейших событий докембрия - это так называемый «кислородный взрыв», определивший принципиальное изменение геохимической обстановки, вывернувший, по образному выражению Заварзина (2003), биосферу наизнанку. С появлением кислородной атмосферы связывается конец железорудной эпохи, а также формирование защитного озонового экрана, без наличия которого существование живых организмов на поверхности суши невозможно из-за воздействия солнечных ультрафиолетовых лучей. Представление о том, что первоначальная атмосфера была бескислородной, появилось на основе изучения полосчатых железистых формаций (джеспилитов), образовавшихся в результате окисления запасов железа на суше и в поверхностных слоях океана колониями микроорганизмов (прежде всего цианобактерий). Долгое время вырабатываемый микроорганизмами кислород полностью тратился на окисление элементов с высоким сродством к кислороду, таких как железо. По мере связывания свободного железа на суше и верхних слоях океана концентрация кислорода в атмосфере резко возросла. Таким образом, джеспилиты, известные начиная со времени 3,7 Ga, представляют собой наиболее яркий геохимический результат субаэрального выветривания при бескислородной атмосфере. Изучение палеопочв, формировавшихся в непосредственном контакте с палео-атмосферой - это наиболее точный метод реконструкции ее состава. Именно палеопочвы дают документальное подтверждение произошедшей революции. Профили палеопочв старше 2.45 Ga, в частности, описанные выше палеопочвы серии Pronto, характеризуются бледной зеленоватой окраской, определяемой высоким содержанием закисных форм железа (так называемые Зеленые Глины – «green clays»). Это глинистые палеопочвы, богатые алюминием и бедные основаниями. При нормальном содержании кислорода железо в этих почвах было бы окислено. Их окраска и минералогический состав отражают низкое содержание кислорода в атмосфере в эпоху до «кислородного взрыва». Ярким свидетельством низкого содержания кислорода в атмосфере является присутствие в почвах рабдофана (Murakami et al., 2001). Профиль почв серии Pronto

сформировался при выветривании гранито-гнейсов. Стадийное выветривание апатита привело к его замещению рабдофаном, содержащим