Makeev-monograph-2012

Страница179

чрезвычайно устойчивый к растворению и температурным воздействиям церий в восстановленной форме (Се3). В более молодых осадках церий представлен окисленными формами (минерал церианит - СеО2).

С другой стороны, изучение «Зеленых Глин» не подтверждает предположение о полном отсутствии кислорода в атмосфере раннего протерозоя. Анализ состава докембрийских пород обнаруживает несомненные следы воздействия окислительных условий на осадочные отложения начиная с архея (Retallack, 2001). Например, в верхних горизонтах профиля палеопочв серии Pronto обнаруживается возрастание доли окисленных форм железа (Gay & Grandstaff, 1980). На этом основании они предположили, что свободный кислород присутствовал в докембрийской атмосфере. Таким образом, «Зеленые Глины» формировались под воздействием кислородной атмосферы, хотя и с низким содержанием кислорода.

Prasad и Roscoe (1996) изучили петрографический, минералогический состав и валовой состав палеопочв, сформированных в отложениях Гуронской супергруппы в районе озера Элиот (Онтарио, Канада). Почвы под нижнегуронскими отложениями (старше 2,45 Ga) содержат минералы двухвалентного железа (пирит, пирротит, ильменит). В верхнегуронских отложениях представлены красные железистые прослои, а почвы, залегающие выше верхнегуронских отложений (моложе 2,2 Ga) содержат гематит и гѐтит. Авторы считают, что изученная ими колонка отложений позволяет приурочить обогащение атмосферы кислородом к интервалу 2,45-2,22 Ga, а с учетом времени, необходимого для формирования нижнегуронских отложений, изменение в содержании кислорода скорей всего произошло 2,4 Ga.

Формирование кислородной атмосферы выражается и в смене геохимических результатов почвообразования и выветривания. Так, полосчатые железистые формации (джеспилиты), образовавшиеся при окислении свободно стекавших на мелководья закисных форм железа колониями цианобактерий сменяются широким распространением на континентах красноцветных формаций. Самые древние из известных континентальных красных толщ не старше 2 Ga, широкое распространение эти формации получили в палеозое.

Древнейшие латеритные коры выветривания (палеопочвы Hekpoort), формировавшиеся в интервале 2,22 – 2,06 Ga на базальтовых лавах широко распространены в южной Африке во всем ареале Трансваальской супергруппы (Evans et al., 2002). Формирование латеритного профиля аналогично современным латеритным корам выветривания на базальтах, в профиле которых выделяются сверху вниз латерит, пятнистая зона, обесцвеченная зона и горизонт, обогащенный железом. Палеопочвы формировались под воздействием кислородной атмосферы и при активном участии бактериальных сообществ, осуществляющих процессы

Страница180

восстановления-окисления железа в условиях переменно-влажного климата (Yamaguchi et al., 2007). Во влажные сезоны под воздействием органических кислот и железо-редуцирующих бактерий происходит восстановление железа. Это определяет соотношение изотопов железа (отрицательные значения -δ56Fe). Повторяющиеся циклы приводят к формированию в средней части профиля обесцвеченного горизонта, обедненного железом. Циркулирующие грунтовые воды обогащены закисными формами железа. В сухие сезоны под воздействием атмосферного кислорода на опускающейся границе горизонта грунтовых вод происходит окисление железа и его осаждение на определенной

глубине. В этом горизонте отмечается высокое изотопное соотношение

δ56Fe.

Итак, накопление в атмосфере кислорода благодаря фотосинтезу регистрируется по окисленным соединениям железа в палеопочвах на рубеже около 2,4 Ga. Увеличение содержания кислорода вызвало появление многоклеточных организмов, усложнение форм жизни и сопровождалось усложнением древних почвенных покровов. Начался синтез заметных количеств органического вещества и расширение биологического цикла кислорода, водорода, азота, углерода, серы и ряда других элементов зольного питания. Образовывались значительные массы биогенного мелкозема.

Во всю последующую историю Земли палеопочвы, сформированные на богатых железом породах, характеризуются наличием красных горизонтов, обогащенных окисленными соединениями железа. Палеопочвы Flin Flon (Саскачеван, Канада), формировавшиеся на базальтах в интервале 1,9-1,8 Ga, по морфологии и свойствам близки к современным хорошо дренированным аналогам (Holland et al., 1989). Профиль представлен серией горизонтов, в которых снизу вверх убывает количество обломочного материала. Верхний горизонт обогащен окисленными формами железа (гематит). Содержание FeO снижается от нижних горизонтов к верхним, что свидетельствует о его окислении в процессе почвообразования. В верхних горизонтах также наблюдается снижение содержания CaO и MgO и увеличение содержания Al2O3 и TiO2. Очевидно, что окисление железа проходило в процессе выветривания под воздействием кислородной атмосферы. Аналогичными свойствами характеризуются и почвы Staca (на амфиболитах) и Sheigra (на гранитогнейсах) в Шотландии возрастом 810 Ma (Retallack, 2001).

Наряду с уровнем содержания кислорода палеопочвы отражают и уровень содержания другого важнейшего компоненты атмосферы – углекислого газа. Известно, что содержание СО2 заметно различалось в различные геологические эпохи, отражая, прежде всего уровень вулканической активности. Так, в архейской атмосфере уровень содержания СО2 был в 102-103 раза выше современного (Kasting, 1993).

Страница181

Повышение атмосферного СО2 вызывает усиление процессов углекислотного выветривания, и в конечном счете приводит к усилению континентального карбонатного осадконакопления (Добровольский, с соавт., 2010). Интенсивность выветривания магматических пород и формирование континентальных карбонатных отложений в докембрии также регулировались содержанием СО2 в атмосфере. Расчеты для почвы возрастом 2,2 Ga показали, что в палеопротерозое pCO2 был заметно выше и составлял ~23 PAL1 (Sheldon, 2006). Это находит независимое подтверждение в особенностях выветривания палеопротерозойских почв. Так, в почвах серии Pronto описано практически полное растворение апатита, хлорита и биотита в верхних горизонтах, а также частичная потеря Al и Si (Nedachi et al., 2005). В почвообразующей породе железо представлено в составе мафических минералов, таких как роговая обманка, биотит и хлорит. В верхних горизонтах эти минералы были полностью разрушены. Это позволяет предполагать, что выветривание проходило под воздействием почвенных растворов более кислых, чем в настоящее время. Единственной причиной высокой кислотности почвенных растворов в докембрии мог быть высокий уровень pCO2.

Вто же время, расчеты по почвам Sturgeon Falls и Good Harbor Bay, сформированных на продуктах выветривания базальтов в рифтовой зоне Канадского щита в интервале 1108-1060 Ma (Mitchell, Sheldon, 2009, 2010)

дали pCO2 в пределах 4-6хPAL. Это согласуется с расчетами для более молодой (980 Ma) палеопочвы в Шотландии (Sheigra paleosol, 6,89 PAL,

Sheldon, 2006) и показывает, что в мезопротерозое уровень СО2 в атмосфере снизился по сравнению с палеопротерозоем.

Внастоящее время почвы докембрия изучены довольно полно практически в пределах всех кратонов. Как уже упоминалось, по их свойствам определяется состав древней атмосферы (Retallack, 1986; Zbinden et al., 1988; Sheldon, 2006), степень преобразования исходной породы в процессе почвообразования (Maynard, 1992; Driese et al., 2007; Mitchell and Sheldon, 2009). Изучение палеопочв позволяет реконструировать палеоландшафтную обстановку (Kalliokoski, 1986). Многие почвы докембрия чрезвычайно близки к современным аналогам.

Так, в Восточной Индии описана Вертисоль (по Soil Survey Staff…, 19982) возрастом около 2200 Ma, практически не отличимая от Вертисолей палеозоя или голоцена (Bandopadhyaya et al., 2010). Почва сформирована на сланцах кварц-мусковит-пирофилитового состава и представлена мощным профилем с полным набором диагностических горизонтов, кроме

1 Балансовые расчеты позволяют рассчитать pCO2 (парциальное давление атмосферного СО2 - partial pressure of atmospheric CO2) по отношению к уровню pCO2 в современную (доиндустриальную) эпоху (PAL - pre-industrial atmospheric level).

2 Здесь и далее в начале обзора материалов конкретной статьи дается указание на классификационную систему, которую использовал(и) автор(ы).

Страница182

верхнего органогенного. Горизонт Bss с обильными сликенсайдами и призматической и ореховатой структурой с четкими угловатыми структурными отдельностями. Для этого горизонта характерно изотропноплазменное микростроение и сильное оглинивание. В минеральной матрице представлены как малоизмененные обломки гранита, сохранившие кристаллическую текстуру и набор минералов, так и обломки сапролитов с реликтовой кристаллической текстурой, зернами серицитизированных полевых шпатов и корродированными зернами кварца в матрице вторичных глинистых минералов (иллит-мусковит). Наряду с этими признаками, определяемыми процессами усыханиянабухания, удалось обнаружить также погребенный гильгайный микрорельеф. Все эти свойства свидетельствуют о том, что почва формировалась при переменно-влажном климате в хорошо дренированных условиях, типичных для слитых почв.

Близкая по возрасту (2,2 Ga) и по свойствам глинистая палеопочва Waterval Onder (палеовертисоль) была описана в Трансваале, Южная Африка (Retallack, 1986, Retallack, Krinsley, 1993). Синседиментационная палеопочва сформирована в слоистой пачке песчаников, алевролитов и глинистых сланцев. Для древней поверхности характерен гильгайный микрорельеф. Профиль характеризуется структурной организацией, типичной для современных Вертисолей (сликенсайды, четкие угловатые педы). Четкая слоистость позволяет предполагать, что палеопочва формировалась в течение короткого времени (менее 7000 лет по оценкам автора). Наличие мощных даек с песчаным заполнением из вышележащей пачки отложений, свидетельствует об интенсивном сезонном иссушении профиля до глубины около 2 метров. В то же время, для микростроения подповерхностных горизонтов характерны глинистые аржилланы и наличие зон с высоким двупреломлением плазмы. Эти признаки свидетельствуют о промывном водном режиме. Бледная окраска нижележащих отложений позволяет предполагать, что на этом уровне располагался горизонт грунтовых вод. Марганцево-железистые аржилланы на границе породных слоев и глинистых гранул в верхнем горизонте, свидетельствуют об активном воздействии микроорганизмов. В то же время, преобладание в валовом составе окисных форм железа над закисными свидетельствует как об отсутствии восстановительных условий в верхнем горизонте, так и о наличии кислородной атмосферы во время формирования почв. Интересно, что верхние горизонты характеризуются уменьшением суммы обменных оснований, аналогично современным почвам, формирующимся под воздействием сосудистых растений. Предполагается, углекислотное выветривание могло осуществляться при повышенном содержании СО2 в атмосфере. Как и современные слитые почвы, палеовертисоли Waterval Onder формировались в условиях

Страница183

субгумидного-семиаридного умеренного климата с выраженной сезонной контастностью.

Представление о почвообразовании в мезопротерозое можно составить по палеопочвам Sturgeon Falls, и близким к ним почвам Good Harbor Bay, формировавшимся в интервале 1108-1060 Ma на смешанных отложениях (продукты выветривания базальтов и кварцсодержащих песчаников) в пределах древней рифтовой зоны (район озера Верхнее, штат Мичиган, США, Mitchell, Taylor, 2009, 2010). Почвы характеризуются интенсивным выветриванием. Зерна полевых шпатов в шлифах заметно изменены. Характерно формирование вторичных карбонатных новообразований, плазма также с карбонатным цементом, занимающим до 25% от площади шлифа. Описаны также карбонатные заполнения межпедных трещин. Наряду с этим в профиле почв выделяются и пятна оглеения и железистые конкреции. Все это свидетельствует о том, что влияние микробных сообществ распространялось в почвах на рыхлых отложениях на подповерхностные горизонты почвенного профиля.

Основные черты почвообразования в раннем палеозое.

Эволюция геобиоферных циклов в палеозое изучена гораздо полнее, чем в докембрии, за счет большей полноты геологической и палеонтологической записи. В масштабе геологических периодов факторами, определявшими эволюцию педосферы и биосферы были тектоника плит, циклы горообразования и вулканической активности. Тектоника плит и горообразование определяли многообразие типов климата и, в конечном итоге, чередование холодных и теплых биосфер (по Чумакову, 2001), а также чередование аридных и гумидных эпох. Выделяются эпохи с четкой и сглаженной структурой климатической зональности. Так, эпохи расширения площади суши сопровождались усилением климатической контрастности, вплоть до ледниковых циклов, и усилением аридизации. На протяжении большей части фанерозоя климат был заметно теплее современного. Периоды «холодных» биосфер составляли лишь 4% от общей продолжительности фанерозоя. Поэтому, основными почвообразующими породами были продукты, прошедшие через древнее тропическое почвообразование. Заметное влияние на эволюцию биогеосферных циклов оказывали и масштабные биосферные кризисы (массовые вымирания живых организмов).

Наряду с увеличением разнообразия форм жизни растет и разнообразие типов почвообразования. Соответственно увеличивается биологическая составляющая в биогеосферных циклах. В палеозое особенно очевидна сопряженная эволюция форм жизни и палеопочв, описанная выше для самых начальных этапов биогеосферных циклов докембрия (Глинка, 1904; Полынов, 1917, 1948; Роде, 1947; Герасимов, Глазовская, 1960; Yaalon, 1971; Ковда, 1973; Фридланд, Буяновский, 1977;

Страница184

Global Soil Change…, 1990; Retallack, 2001; Добровольский, 2006 и др.,

Добровольский, Макеев, 2009). Начало палеозоя ознаменовалось появлением большого разнообразия новых форм жизни, получившее название «кембрийский взрыв». Первые многоклеточные морские организмы датированы возрастом 510 Ma. У живых организмов стали формироваться минеральные скелеты, что определило улучшение палеонтологической записи. Однако эти изменения касались жизни в океане. Наземная жизнь на суше (во всяком случае, в нижнем кембрии) была по-прежнему представлена только микроорганизмами.

Принципиальные факты, раскрывающие роль сообществ микроорганизмов в почвообразовании, получены при исследовании палеопочв, формировавшихся в условиях субтропического переменновлажного семиаридного климата в нижнекембрийское время в северной Испании в чередующихся пойменных и дельтовых отложениях эстуариев (Alvaro еt al., 2003). При динамичной смене условий осадконакопления глинистые палеопочвы (аргиллитовая фация пойменных отложений) формировались в непродолжительные отрезки времени (по расчетам авторов порядка 102 лет). Профили мощностью 120 см отвечают всем критериям современных почв - sulfidic Ustifluvents (по Soil Survey Staff, 1998) и подразделяются на три горизонта (рис. 3). Сезонная контрастность (чередование сухих и влажных периодов) проявилась в верхнем горизонте, где представлены признаки набухания-усыхания почвенной массы. Ниже залегает плинтиковый горизонт с обильными железистыми конкрециями и метатубулами. Нижний пятнистый горизонт отражает уровень периодического стояния верховодки. Детальный микроморфологический, геохимический и минералогический анализ позволил выявить следы деятельности микробных колоний в формировании всех горизонтов профиля. Так, в верхнем горизонте представлены железисто-марганцевые пятна и диффузные железистые хлопья на аржилланах бактериальной природы. Особенно ярко участие микроорганизмов проявилось в формировании железистых конкреций и метатубул, нодулярных скоплений гетита, а также биогенной пористости в среднем горизонте. Тубулярные текстуры гидроокислов железа, возможно, указывают на участие в их формировании цианобактерий. Биогенные признаки в нижнекембрийских палеопочвах оказались идентичными аналогичным признакам в почвах эстуариев неоген-четвертичного времени в южной Бретани, Франция. Рассматриваемые, а также приведенные нами ранее данные позволяют выполнить переоценку роли микроорганизмов в почвообразовании. Еще до появления высших растений микроорганизмы формировали сложные сообщества, распространяя свое влияние в почвах на рыхлых породах фактически в пределах всей вадозной зоны, и определяли заметные преобразования почвенной массы и свойств горизонтов даже при незначительной длительности почвообразования.

Страница185

Рис. 3. Профиль нижнекембрийской пойменной палеопочвы (sulfidic Ustifluvents, Alvaro et al., 2003). а. Строение профиля; б. гетитовая конкреция, средний горизонт; в. заполнение глиной биогенной поры, средний горизонт; г. биогенная микроагрегация плазмы, средний горизонт.

Страница186

Подведем итоги рассмотрения основных закономерностей почвообразования в условиях бактериальной биосферы. Этот период охватывает докембрий и нижний палеозой. Формирование почвенного покрова, погребение почв, а также снос и переотложение разрушенных почв - постоянное звено геологического круговорота начиная с докембрия. Уже в самые начальные этапы, вслед за образованием земной коры и формированием прото-континентов (кратонов) мы обнаруживаем древнейшие континентальные осадочные и метаморфические породы с признаками влияния жизни. Рыхлых пород без признаков обитания практически не обнаружено. Это означает, что обитание и обитаемость на суше возникли практически одновременно. Древнейшие докембрийские палеопочвы на рыхлых осадочных породах и корах выветривания обладали мощным профилем. Почвы обладали породной и климатической сенсорностью. Докембрийские палеопочвы характеризуются глубоким выветриванием первичных минералов и стадийными преобразованиями вторичных минералов (оглиниванием), проходившими с участием микроорганизмов. Почвы имеют горизонтное строение профиля с развитой структурой и наличием кутан. Изотопный анализ, а также микроскопические исследования обнаруживают признаки накопления органического вещества. При близости свойств докембрийских палеопочв и их современных аналогов, они близки и по экологическим функциям. Древние почвы формировались как компоненты существовавшего тогда биогеоценоза (сложно построенного сообщества микроорганизмов). Хотя возможно, в отсутствие сложных органо-минеральных комплексов почвы не могли обладать высокой буферностью. Очевидно, что эти почвы не могли определять и современный гидрологический цикл с вовлечением подпочвенных вод, что стало характерным для биогеоценозов при появлении древесной растительности, а также травянистой растительности с развитой корневой системой.

Подчеркнем, что все эти свойства сформировались при участии только микроорганизмов в отсутствие высших растений. Было ли это почвообразование в «классическом» виде? С прокариотами (бактериальной биосферой) связывается наличие только абиогенных и слабо биогенных кор выветривания (Заварзин, Рожнов, 2010). Возникновение собственно почв связывается с появлением сосудистых растений в конце силура - девоне, когда стало возможным формирование сложных гумусовых соединений (Заварзина, 2010).

Согласно другим подходам, коры выветривания, в том числе и абиогенные, часто рассматриваются как почвы (Retallack, 2001). В последнее время приходит понимание, что докучаевская парадигма во многом приложима к более широкому набору объектов, чем собственно почвы - экзонам (Таргульян, 1983; Targulian et al., 2010). Так, экзоны, наряду с почвами включают в себя и абиогенные коры выветривания, в

Страница187

том числе и на других планетах. Получаемые в последнее время материалы показывают, что все же докембрийские почвы сильнее отличаются от экзонов Марса, Венеры, Луны, чем от современных почвенных аналогов.

Формирование мощных профилей в условиях бактериальной биосферы определяет необходимость пересмотра понятия «бактериальные пленки». В этом смысле интересен подход, согласно которому почвенные пленки (soil crusts) представляют собой сложные экосистемы (Grazhdankin, 2007). Сообщества древнейших микроорганизмов обладали сложными функциональными связями (Заварзин, 2003). Выше описана сложная структура микробных матов, реконструированная для почв,

формировавшихся 2,7-2,6 Ga в Южной Африке (Watanabe, et al., 2000,

2004). Признаки охвата сообществами микроорганизмов верхних горизонтов почвенного профиля установлены уже для почв палеопротерозоя (например, описанные выше железисто-марганцевые пленки в почве Waterval Onder). К сожалению, признаки, обусловленные деятельностью микроорганизмов (структурные особенности, микробиотурбации, новообразования и т.п.) в палеопочвах плохо сохраняются, а иногда просто не замечаются. До настоящего времени отсутствуют и четкие критерии для их диагностики. При дальнейшем изучении параэлювиальных кор выветривания как палеопедолитосфер, мы, повидимому, получим более определенный ответ о функциональных возможностях древнейших микробных сообществ.

Отдельный вопрос о том, как осуществлялось глубокое преобразование минеральной матрицы. В современных почвах при совместном воздействии различных агентов (микроорганизмы, корневые выделения, гумусовые кислоты) возникает синергетический эффект, усиливающий преобразование минеральной матрицы (Соколова, 2011). Однако изучение палеопочв бактериальной биосферы показывает, что и сами микроорганизмы способны приводить к существенным изменениям минеральной матрицы почвенных горизонтов. Примитивные микробные сообщества могли способствовать образованию филосиликатных глинистых минералов в докембрии, а также в раннем палеозое (Álvaro et al., 2003).

Основным агентом выветривания в докембрии была углекислота. При повышении содержания в атмосфере СО2 активизировались процессы выветривания. Можно указать еще на одну важную особенность докембрийских палеопочв, сближающих их с почвами более поздних эпох, формировавшихся под воздействием высших растений – зависимость накопления почвенных карбонатов от содержания СО2 в атмосфере и участие сообществ микроорганизмов и дыхания почвы в бикарбонатном метаболизме. Карбонатное осадконакопление на суше связывается с высоким давлением углекислого газа (pCO2). Считается, что формирование таких условий в почвах было невозможно до появления сосудистых

Страница188

растений. В то же время накопление карбонатов документировано уже в почвах архея, протерозоя, кембрия, ордовика и силура. Таким образом, изучение палеопочв показывает, что сообщества микроорганизмов даже в отсутствие высших растений могли регулировать в зависимости от климатических параметров и содержания СО2 в атмосфере, накопление карбонатных горизонтов почв и карбонатных отложений на суше. При этом петрографические характеристики карбонатных новообразований последевонских почв, образованных в богатых органикой почвах при участии высших растений, отличаются от таковых до-девонских почв

(Brasier, 2011).

Нам представляется, что новые данные о палеопочвах бактериальной биосферы позволяют внести коррективы и в выделение главного стратиграфического рубежа – границы протерозоя и палеозоя. Важнейшие изменения в эволюции наземной жизни и палеопочв приурочены к последующим этапам – силуру и девону и связаны с появлением высших растений.

Впалеозое экосистемы не только отражают глобальные климатические циклы, но могут в значительной степени определять их. Ранний палеозой был периодом с мягким климатом без выраженной сезонной контрастности и невыраженной климатической поясностью.

Уровень содержания СО2 в атмосфере кембрия был выше современного. «Кембрийский взрыв» вызвал заметное снижение уровня содержания СО2.

Вордовике концентрация СО2 уменьшилась до 4400 ppm, что привело к снижению парникового эффекта и развитию оледенений.

Вордовикском периоде, так же как и в кембрии,

господствовали бактерии. Продолжали развиваться сине-зелѐные водоросли. К среднему ордовику (450 Ма) относят и появление первых наземных многоклеточных организмов. К ордовикскому периоду относятся свидетельства о существовании наземной растительности: остатки спор и редкие находки отпечатков стеблей, вероятно, принадлежавших сосудистым растениям. С большой достоверностью можно полагать, что в ордовике - силуре лишайники колонизировали сушу

(488–416 Ма).

Палеопочвы в палеозое также дают наиболее определенные ответы на главные вопросы эволюции биогеосферных циклов. Так, именно палеопочвы сохранили древнейшие свидетельства существования наземных животных. Известно, что животные (причем только обитатели морей) появились в силуре. Однако уже в позднеордовикских палеопочвах центральной Пенсильвании обнаружены следы вертикальных норок, прорытых какими-то достаточно крупными животными. Ходы размером от 2 до 21 мм в диаметре оставлены животными с твердой оболочкой (видимо, членистоногими или олигохетами) 438-448 Ма. В этих почвах нет следов корней, но есть своеобразные трубчатые тельца, которые