ГЛАВА 5: ИСТОРИЯ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ

Образование атмосферы и гидросферы как результат вулканических процессов. Вулканические газы. Первичная атмосфера и гидросфера при температуре лучистого равновесия. Происхождение и рост массы океана. Происхождение солености океана. История атмосферного кислорода по геологическим данным. История углекислого газа. Происхождение атмосферы Венеры.

В этой главе излагаются в основном представления А. П. Виноградова [7], согласно которым атмосфера и гидросфера образовались в результате дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии Земли и создавших земную кору.

Атмосфера и гидросфера состоят из легких и летучих веществ, содержание которых в Земле в целом очень мало - гораздо меньше, чем в космосе. Так, по Б. Мейсону [24], отношение массы инертных газов к массе кремния в Земле в 10⁶-10¹⁴ раз меньше, чем в космосе; для водорода это различие составляет 10^6.6 раз, для азота - 10^5.9 раз, для углерода - 10⁴ раз. Этот дефицит легких и летучих веществ возник, по-видимому, еще в протопланетном облаке, из которого затем сформировалась Земля. Причинами образования дефицита могли быть нагрев части протопланетного облака солнечным излучением и короткоживущими радиоактивными изотопами (по некоторым оценкам, до 500-600°). и «выметание» из облака выделяющихся при нагреве легких и летучих веществ «солнечным ветром» (т. е. потоками солнечной плазмы) и давлением света. Указанный дефицит и объясняет относительную малость атмосферы и гидросферы, массы которых составляют только одну миллионную и одну четырехтысячную долю массы всей Земли. Такие же рассуждения справедливы и для других планет земной группы.

В момент формирования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ: вода - в гидроокислах, азот - в нитридах и, возможно, в нитратах, кислород - в окислах металлов, углерод - в графитах, карбидах и карбонатах. Бомбардировка поверхности Земли планетезималями в то время могла приводить к выделению летучих веществ, но вода, углекислый газ, «кислые дымы» и другие активные вещества должны были поглощаться раздробленными породами, так что первичная атмосфера на этом этапе состояла, по-видимому, лишь из небольших количеств азота, аммиака и инертных газов.

Дальнейшее наращивание атмосферы и образование гидросферы связаны с выплавками базальтов, водяного пара и газов из верхней мантии при вулканических процессах, развившихся уже в первые 0.5-1 млрд. лет существования Земли в результате разогревания ее недр при гравитационном сжатии (включая формирование и рост уплотненного ядра) и за счет распада радиоактивных изотопов (как остатков короткоживущих изотопов, так и, главное, долгоживущих изотопов, которых тогда было в 4-7 раз больше, чем сейчас).

Газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар (его, по-видимому, не менее 75%; так, в газах из базальтовых лав гавайских вулканов с температурами 1200° С обнаруживается 70-80 объемных % Н₂O; в фумароль-ных газах Курильских островов с температурами около 100° С содержится 79.7 весовых % Н₂O). Второй по значению составляющей является углекислый газ (в газах из гавайских базальтовых лав его 6-15 объемных %, в курильских фумарольных газах - 19.6 весовых %). В вулканических газах встречается немало хлора (в газах Килауэа - около 7%), бывает метан СН₄ (иногда до 3%), аммиак NH₃ и другие компоненты (в газах Килауэа содержится 4.3·10⁴ SO₂, 4·10^-4 S, 2.5·10^-4 Вr, 2·10^-5 F, 1.2·10^-5 Se, 4.5·10^-6 J, 3.2·10^-6 В). Проводившиеся измерения показали, что при температурах 800-1000° из лав отгоняются, кроме водяного пара, преимущественно «кислые дымы» - НСl и HF, при температуре 500° - сера и ее соединения, H₂S, SO₂ и другие, а при более низких температурах - борная кислота и соли аммония. Правда, ряд вулканических газов (NH₃, CH₄S, H₂S, CO) быстро окисляется кислородом современной атмосферы.

Большой интерес представляют результаты химического анализа содержимого газовых пузырьков в древнейших (по-видимому, катархейских) кварцитах Курумканской свиты (мощностью более 1000 м) Алданского щита, приводимые Л. И. Салопом [18] и дающие сведения о составных частях катархейской атмосферы. В этих пузырьках отсутствует свободный кислород, около 60% составляет углекислый газ, около 35% - H₂S, SO₂, NH₃ и «кислые дымы», НСl и HF, в небольших количествах присутствуют азот и инертные газы.

Таким образом, можно думать, что при дегазации лав на поверхность Земли поступали пары воды, соединения углерода - СO₂, СО и СН₄, аммиак, сера и ее соединения, H₂S и SO₂, галоидные кислоты, НСl, HF, HBr, HJ, борная кислота, водород, аргон и некоторые другие газы. Эта первичная атмосфера сначала, конечно, была чрезвычайно тонкой, и поэтому ее температура у поверхности Земли была очень близкой к температуре лучистого равновесия, получающейся в результате приравнивания потока поглощаемого поверхностью солнечного тепла потоку уходящего излучения поверхности Земли, пропорциональному четвертой степени температуры этой поверхности (по некоторым предположениям, температура могла быть выше, чем при лучистом равновесии, из-за парникового эффекта, создававшегося аммиаком). Эта температура (при современной отражательной способности Земли 0.28) в среднем равна +15° С. Следовательно, почти весь водяной пар вулканических газов должен был конденсироваться, превращаясь в жидкую воду и тем самым формируя гидросферу.

В первичный океан переходили, растворяясь в воде, также и другие составные части вулканических газов - большая доля углекислого газа, кислоты, сера и ее соединения и часть аммиака. В результате первичная атмосфера, содержавшая в равновесии с океаном главным образом водяной пар и небольшие количества СO₂, СО, СН₄, NH₃, H₂S, кислых дымов и инертных газов, оставалась тонкой. Следовательно, температурные условия не испытывали слишком больших изменений и оставались в среднем в пределах существования жидкой воды. Это и определило одну из специфических особенностей Земли, отличающую ее от других планет Солнечной системы,- постоянное наличие на ней гидросферы. В свою очередь оно наложило существенный отпечаток на дальнейшую эволюцию земной коры, поверхности Земли и атмосферы.

Прямым фактическим доказательством существования гидросферы на Земле во все геологические времена до архея и даже до катархея включительно является обнаружение в земной коре осадочных пород соответствующих возрастов. Наиболее древние осадочные породы недавно обнаружены английскими геологами С. Мурбатом, Р. К. О'Найоном и Р. Дж. Панкхерстом в юго-западной Гренландии. Это - бурый железняк, возраст которого оценен по свинцовому методу в 3.76 ± 0.07 млрд. лет (причем это, по-видимому, возраст метаморфизации этих пород, а время их образования может быть еще более ранним). Найденные рядом изверженные породы - гранитоидные гнейсы - имеют возраст 3.7 ± 0.14 млрд. лет (по рубидий-стронциевому методу).

Для оценки массы растущей гидросферы можно исходить из того, что в расплавленном базальте при температуре порядка 1000° С и давлении в 5-10 тыс. атм. может раствориться до 7-8% воды. По данным ряда вулканологов, при излиянии лав из них дегазируется примерно столько же процентов воды. По оценкам энергии вулканических взрывов Е. К. Мархинин [25] установил, что количество выделяющегося водяного пара составляет в среднем 3% массы изверженного вещества. Приведенные цифры приблизительно сходятся с долей массы современной гидросферы по отношению к массе земной коры - (1.46·10⁶) : (4.7·10⁷) ≈ 3.1%.

На рис. 17 мы приводили кривую О. Г. Сорохтина, иллюстрирующую изменения со временем концентрации воды в мантии Земли. Умножая изменения концентрации на массу мантии, равную 4.05·10⁹ триллионов т, получаем количество освободившейся воды; оно изображается кривой 1 на рис. 18, заимствованном опять у О. Г. Сорохтина. Наибольшая часть этой воды пополняет гидросферу, часть же поглощается породами земной коры. Главный интерес здесь представляет поглощение воды с углекислотой мантийными оливинами (их серпентинизация) при образовании третьего слоя океанической коры, т. е. химическая реакция

4(Mg, Fe)2SiO4 + 4H2O + 2CO2 =	(Mg, Fe), Si4O10 (OH)8 +	2 (Mg, Fe) CO3.
Оливин	Серпентин	Магнезит, сидерит

Вода поглощается также и при серпентинизации пироксенов; например, гидратация простейшего магнезиального пироксена - энстатита может идти по формуле

6MgSiO3 + 8Н2O =	Mg6Si4O10(OH)8 + 2Si(OH)4.
Энстатит	Серпентин

Упомянем еще процессы метаморфизма базальтов и габбро в океанической коре, в частности, низкотемпературную реакцию каолинизации с разрушением полевого пшата плагиоклаза-анортита:

2CaAl2Si2O8 + 4Н2O + 2СO2 =	Al4Si4O10(OH)8 +	2CaCO3.
Анортит	Каолин	Кальцит

Частично вода поглощается, по-видимому, также и при образовании континентальной коры. По имеющимся оценкам, в настоящее время в гидросфере, в третьем слое океанической коры, в сумме в первом и втором слоях океанической коры и в континентальной коре содержится соответственно 1.46·10⁶, 0.49·10⁶ и 0.35·10⁶ триллионов т воды. Изменения со временем количеств воды в гидросфере, океанической и континентальной коре по расчетам О. Г. Сорохтина показаны кривыми 2-4 на рис. 18.

Рис. 18. Изменения со временем массы воды в гидросфере и земной коре по О. Г. Сорохтину. 1 - суммарная масса воды, дегазированная из мантии; 2 - масса воды в гидросфере; 3 - масса связанной воды в океанической коре; 4 - масса связанной воды в континентальной коре.

По упомянутым расчетам, в катархее и архее воды в океанах было еще недостаточно, чтобы покрывать срединно-океанические хребты, и вода в океаническую кору поступала в основном не из океана, а лишь непосредственно из мантии, снизу; серпентинизация мантийных гипербазитов происходила лишь частично, и доля воды в океанической коре была меньше современной. В начале протерозоя уровень океана достиг вершин срединно-океанических хребтов, и после этого некоторое время (по расчетам - в течение нижнего протерозоя) все поступления воды в океан в основном поглощались океанической корой, так что объем океана почти не увеличивался. С начала среднего протерозоя вся океаническая кора приобрела уже современный характер, и избыток поступающей из мантии воды над затратами на серпентинизацию гипербазитов привел к дальнейшему росту объема Мирового океана, который продолжается в настоящее время и будет продолжаться, замедляясь, еще около 2 млрд. лет.

Выше мы охарактеризовали состав первичной атмосферы. Переходя теперь к обсуждению состава первичного океана, мы должны принять во внимание два источника возможных примесей к океанской воде - во-первых, атмосферные газы, способные растворяться в воде, и, во-вторых, горные породы, подвергающиеся на поверхности суши и на дне моря разрушающему воздействию Солнца, воздуха и воды - эрозии, облегчающей вымывание из горных пород и перенос в океан ряда веществ. Как уже отмечалось, из атмосферы в океан переходили прежде всего кислоты, а также углекислый газ, аммиак, сера в чистом виде и в виде сероводорода. Кислоты, особенно в воде, реагировали с силикатами горных пород, извлекая из них эквивалентные количества щелочных, щелочноземельных и других элементов, причем, во-первых, вода переставала быть кислой, и в ней устанавливалось кислотно-щелочное равновесие (со значением водородного показателя рН = 7, отвечающим нейтральному раствору), и, во-вторых, растворимые соли извлеченных из силикатов элементов переходили в океан, так что вода в нем сразу жестановилась соленой.

По оценке В. М. Гольдшмидта, на 1 кг морской воды приходится 0.6 кг разрушенных горных пород; при их разрушении извлекается и переводится в океан 66% содержащегося в них натрия, 10% магния, 4% стронция, 2.5% калия, 1.9% кальция, 0.3% лития и т. д. Учитывая распространенность этих элементов в породах земной коры (показанную на рис. 5), нетрудно вычислить получающиеся концентрации соответствующих катионов в морской воде - они совпадают с фактическими характеристиками солености морской воды. В то же время содержание главных анионов в морской воде во много раз выше, чем их количества, которые могут быть извлечены из горных пород. Особенно это относится к хлору и брому, которых в 1 кг современной морской воды в 200 и 50 раз больше, чем в 0.6 кг горных пород. Таким образом, хлор и бром могли попасть в воду только из продуктов дегазации мантии, и мы приходим к одному из основных тезисов А. П. Виноградова: все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а катионы - из разрушенных горных пород.

Общая соленость первичного океана, определяемая содержанием анионов в продуктах дегазации мантии, была, вероятно, близка к современной, но соотношения катионов могли быть несколько иными, так как горные породы первичной коры были преимущественно ультраосновными и основными, и соотношения Na/K и Mg/K в них были много больше, чем в современных горных породах (первичное изобилие магния и повышенное соотношение Mg/Ca в древних породах подтверждается, например, наличием в архейских осадочных породах магнийсодержащих осадков- доломитов, MgCO₃·CaCO₃; таковы, например, известняки Булавайо в Южной Африке, возраст которых около 3 млрд. лет). Отметим еще, что в водах первичного океана отсутствовал анион окисленной серы, сульфат SO^2-₄, что служит одним из свидетельств отсутствия в атмосфере и в океане тех времен свободного кислорода (к этому вопросу мы еще вернемся несколько ниже). Действительно, первые сульфатные осадки - гипсы CaSO₄·2H₂O и ангидриты CaSO₄ - обнаруживаются, по-видимому, лишь в гренвильских породах Канады возрастом около 1 млрд лет; кроме того, происходящее при окислении серы уменьшение изотопного отношения S³²/S³⁴ (в сере метеоритов равного 22.22, а в сульфатах современной морской воды - 21.76) впервые обнаруживается в сере древних осадков лишь в среднем протерозое. Таким образом, воды первичного океана были хлоридными, нейтральными (рН ≈ 7) и бессульфатными.

Приведем еще и другие свидетельства отсутствия в древних атмосфере и океане свободного кислорода. Одним из наиболее важных является высокое значение отношения FeO/Fe₂O₃, закисного железа к окисному в древних изверженных (и затем метаморфизованных), а также в осадочных породах, особенно в глинах, тогда как в современных океанических глубоководных красных глинах это отношение упало до 1/7 (двухвалентное железо могло в изобилии поступать в гидросферу при серпентинизации богатых фаялитом Fe₂SiO₄ мантийных гипербазитов в процессе образования земной коры). Это относится, в частности, ко встречающимся в катархее и архее железным рудам: основной рудной составляющей в них является магнетит - FeO·Fe₂O₃. Таковы, например, катархейские силикатно-магнетитовые руды приазовского типа и архейские полосчатые магнетит-сидерит-кремнистые руды алгомского типа (кстати, часто содержащие в виде примеси легко окисляющееся, но не окисленное сернистое железо - пирит FeS₂ и пирротин FeS_x. Среди карбонатов в то время доминировали сидериты FeCO₃. Наконец, в архее часто встречаются осадочные железо-марганцевые руды, что также свидетельствует о недостатке кислорода, так как при таких условиях железо и марганец одинаково хорошо подвижны и мигрируют вместе, а при наличии кислорода их геохимические пути расходятся (железо теряет подвижность).

Аналогичные свидетельства дает присутствие в древних породах также и других легко окисляющихся, но не окисленных веществ: графита - в мощных слоях катархейских гнейсов и мраморов, лазурита (содержащего Na₂S) - в катархейских карбонатных породах, свежих и хорошо окатанных зерен пирита FeS₂

и уранинита U₃O₈ (а кое-где даже урановых смолок UO₂), - в нижнепротерозойских золото-ураноносных месторождениях Коли-Калтимо в Финляндии, Блайнд-Ривер в Канаде, Витватерсранд в Южной Африке, Жакобина в Бразилии и в других местах. Наконец, о недостатке кислорода свидетельствуют сравнительно низкие темпы выветривания древних пород.

Свободный кислород мог образовываться в первичной атмосфере в результате фотодиссоциации небольшой доли молекул водяного пара, т. е. их разложения под действием жесткой компоненты солнечного излучения. Однако, по расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла [27], такое образование свободного кислорода должно быть весьма ограниченным, так как кислород сам поглощал излучение, расщепляющее молекулы воды. При равновесии между этими двумя процессами содержание кислорода в атмосфере не могло превышать одной тысячной современного уровня, на самом же деле оно было много меньше, так как равновесие никогда не достигалось: весь образующийся кислород быстро затрачивался на окисление атмосферных газов - СН₄, СО, NH₈ и H₂S. Из-за недостатка свободного кислорода в атмосфере, по-видимому, отсутствовал озоновый экран, и тонкая первичная атмосфера была способной пропускать жесткие излучения Солнца до поверхности суши и океана.

Под действием жестких излучений Солнца, способных ускорять образование сложных молекул (фотокатализ), в океане, по-видимому еще в катархее, образовался ряд сложных органических веществ, до аминокислот включительно, - предполагать их образование необходимо, так как в архейских осадочных породах уже обнаруживаются следы жизни (при отсутствии озонового экрана появившейся, вероятно, именно в океане, где первичные организмы были защищены от жестких излучений Солнца некоторым слоем воды - для этого вполне достаточно 10-метрового слоя).

Лабораторными опытами С. Миллера в 1953 г. показано, что при воздействии электрических разрядов на смесь водяного пара, метана, аммиака и водорода, близкую по составу к газам некоторых вулканов, в ней образуются сложные органические вещества, в том числе аланин, глицин и другие аминокислоты. Экспериментально доказано также, что в указанной смеси образование сложной органики, до аминокислот включительно, может происходить и под действием ультрафиолетовой радиации. В вулканических газах такой синтез может идти за счет высоких температур, при которых взаимодействие метана с аммиаком дает синильную кислоту HCN, метана с водой - альдегиды RCOH, и в получающейся смеси аминокислоты синтезируются по так называемой схеме Штрекера; отметим, что в горячих газах курильского вулкана Алаид обнаружено большое количество синильной кислоты, а в гидротермальных растворах Камчатки и Курильских островов - производные синильной кислоты и различные аминокислоты. Укажем, наконец, что сложные органические вещества, включая аминокислоты, обнаружены в ряде каменных метеоритов, особенно в так называемых углистых; см. книгу С. М. Майской и Т. В. Дроздовой [28].

Эволюцию жизни на Земле мы будем обсуждать ниже, здесь же отметим, во-первых, что наиболее древние достоверные остатки жизнедеятельности организмов (микроорганизмов Eobacterium isolatum) найдены в кремнистых сланцах серии Фигового дерева системы Свазиленд (Барбертон) в Трансваале, возраст которых 3.1-3.4 млрд. лет, и, во-вторых, что одними из первых организмов были микроскопические одноклеточные водоросли, начиная с самых примитивных - синезеленых, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды с выделением свободного кислорода. Такая деятельность водорослей, а затем и сухопутных растений привела в конце концов к образованию на Земле кислородной атмосферы - этого геохимического чуда, не имеющего аналогов на других планетах Солнечной системы.

Первые количества кислорода, вырабатывавшиеся водорослями при фотосинтезе уже с начала архея, затрачивались на окисление атмосферных газов (а затем и пород коры). При этом аммиак NH₃ окислялся до молекулярного азота N₂ (а часть аммиака поглощали организмы), и так, по-видимому, образовался почти весь азот современной атмосферы. Метан СН₄ и окись углерода СО окислялись до СO₂, и углекислота преимущественно уходила в морскую воду, превращая ее из исходной хлоридной в хлоридно-карбонатную (и создавая в ней вместе с ионами Са²⁺ карбонат-бикарбонатовый буфер, способствовавший превращению «лишних» бикарбонатов в карбонатные осадки). Сера S и сероводород H₂S окислялись до SO₂ и SO₃; в океане начал появляться сульфат SO^2-₄, так что морская вода становилась хлоридно-карбонатно-сульфатной (как уже упоминалось, изотопное отношение S³²/S³⁴ начало уменьшаться со среднего протерозоя, а первые сульфатные осадки появились в верхнем рифее).

В горных породах нижнего протерозоя обнаружены многочисленные свидетельства происходившего в то время перехода от восстановительных к окислительным условиям в атмосфере и океане. Одним из наиболее важных свидетельств является изменение поведения железа в морской воде: окисление закиси железа FeO до окиси Fe₂O₃ резко понизило подвижность железа и привело к массовому выпадению из водной взвеси гидратов окиси железа Fe(OH)₃ и FeO(OH) в комплексе с SiO₂·nH₂O и органикой в осадки, преобразовавшиеся затем в многочисленные железистые кварциты нижнего протерозоя - джеспилиты Криворожского бассейна и Курской магнитной аномалии в СССР, Верхнего озера в Северной Америке и ряда крупных месторождений в Индии. При образовании джеспилитов железо могло заимствоваться, например, из сидеритов FeCO₃, окислявшихся по схеме

2FeCO₃ + ЗН₂О +О → 2Fe(OH)₃ + 2СO₂,

причем в воду поступал углекислый газ, который мог затрачиваться в реакциях серпентинизации оливинов и каолинизации анортитов на образование новых порций карбонатов; кремнезем же в джеспилитах мог заимствоваться из продуктов серпентинизации пироксенов (для энстатита см. с. 57).

Типичное для нижнего протерозоя чередование слоев железистых кварцитов со сланцами слюдяно-амфиболового состава указывает, возможно, на частую смену окислительных и восстановительных условий. Следует также упомянуть мощные пласты гематита, Fe₂O₃, и сидерита в нижнепротерозойских карбонатных и терригенно-карбонатных отложениях Саткинской и Бакальской групп Южного Урала, а также некоторых районов Карелии (СССР), Канады и США.

По данным Р. Е. Фолинсби (1971 г.), проанализировавшего условия образования докембрийских осадочных и россыпных рудных месторождений, заметные количества свободного кислорода появились около 2.2 млрд. лет тому назад.

Над упоминавшимися выше золото-ураноносными конгломератами начала нижнего протерозоя располагаются карбонатные отложения - доломиты и биогенные известняки возрастом около 2.4-2.5 млрд. лет (оцененным по свинцовому методу), а над ними впервые в разрезе древних осадков появляются красноцветы - породы, образовавшиеся из древних почв, содержавших окисное железо, которые могли формироваться лишь при появлении в атмосфере свободного кислорода. Выше первого доломитового горизонта с биогенными известняками середины нижнего протерозоя золото-ураноносные конгломераты больше не встречаются, так как при появлении в атмосфере кислорода обломочные сульфиды и уранинит окисляются и условия для одновременного накопления в россыпях урана и золота исчезают. Примером может служить урановая минерализация в гуронских породах Канады, где золото-ураноносные конгломераты с окатанными зернами пирита и уранинита находятся в сероцветных породах серии Эллиот-Лэйк; выше, в красноцветных кварцитах серии Кобальт, вместо пирита присутствует гематит, а урановая минерализация исчезает.

В породах среднего протерозоя и тем более рифея остатки жизнедеятельности водорослей - биогенные известняки - встречаются все чаще и чаще; очевидно, продуцирование свободного кислорода водорослями в эти эры нарастало. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла [27], содержание свободного кислорода в атмосфере в одну тысячную долю современного уровня (точка Юри) было достигнуто в среднем рифее, около 1.2 млрд. лет тому назад. К этому же выводу пришел и П. Клауд (1965 г.) в результате обобщения палеонтологических, геологических и геохимических данных. Согласно Е. П. Акулыниной, А. В. Ивановской и Ю. П. Казанскому [29], с этого времени начали образовываться мощные кислые выщелоченные коры выветривания в ряде областей на поверхности континентов, окрашенные гидроокислами железа в бурные и красные цвета (причем при захоронении окислы не восстанавливались из-за отсутствия на суше тех времен органического материала). Отметим, что отношения азота к кислороду (N₂/O₂) в газовых включениях в среднерифейских кремнистых отложениях Восточной Сибири уже близки к их значениям в современных атмосфере и гидросфере (Ю. П. Казинский, В. Н. Катаева, Н. А. Щугурова [30]).

Наличие свободного кислорода создало возможность для следующего крупного шага в эволюции жизни - появления организмов, потребляющих кислород, животных. И действительно, наиболее древние остатки животных найдены в породах среднего протерозоя (трубочки червей Udokania problematica в слоях Удоканской серии Забайкалья). Несомненное становление многоклеточных морских животных датируется началом верхнего рифея, около 1 млрд. лет тому назад. В венде обнаружено уже не менее 20 родов животных, преимущественно кишечнополостных («век медуз») и членистоногих - это так называемая эдиакарская бесскелетная фауна (названная по местечку Эдиакара в Австралии, где в породах вендского возраста найдено много отпечатков этих животных).

С биологической точки зрения критическим уровнем содержания свободного кислорода в атмосфере является так называемая точка Пастера, около одной сотой от количества кислорода в современной атмосфере, при которой организмы переходят от использования энергии процессов ферментативного (анаэробного) брожения к энергетически более эффективному (в 30-50 раз) окислению при дыхании. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла, точка Пастера была достигнута в конце венда, около 600 млн. лет тому назад, и это привело в начале фанерозоя к настоящему биологическому взрыву - массовому распространению практически всех типов животных (кроме хордовых).

Растения, осуществляющие фотосинтез первичной биологической продукции и потому являющиеся первоосновой всей жизни, вскоре начали проникать на сушу, вначале в наиболее примитивных формах (псилофиты) и очень медленно - одним из главных препятствий для проникновения жизни на сушу являлось отсутствие в атмосфере озонового экрана, который защищал бы живые организмы от жестких излучений Солнца. Л. Беркнер и Л. Маршалл считают, что появлению озонового экрана около 400 млн. лет тому назад отвечало содержание кислорода в атмосфере порядка 10% современного уровня, после чего современный уровень был достигнут очень быстро - всего за несколько десятков миллионов лет - вследствие бурного фотосинтеза в гигантских лесах на континентах того времени.

Заканчивая на этом изложение истории кислорода в атмосфере и гидросфере, отметим, что в настоящее время годовая продукция кислорода, выделяемого всеми растениями в море и на суше, имеет порядок 100-150 млрд. т (и распределяется между морем и сушей приблизительно поровну, составляя в море около 10% продукций массы водорослей). При таком темпе весь кислород атмосферы - порядка 10³ триллионов т - был бы создан всего за десяток тысячелетий, однако практически весь продуцируемый сейчас кислород затрачивается на дыхание животных и на окисление органических остатков, вулканических газов и разрушающихся горных пород.

Остановимся теперь вкратце на истории углекислого газа. Первоначально он попадает в атмосферу и гидросферу, несомненно, в продуктах дегазации мантии, в которых образуется путем высокотемпературных каталитических реакций графита с водой (ЗС+2Н₂O → СН₄+2СО, С+Н₂О → СО+Н₂, С+2Н₂O → СO₂ + Н₂), разложения карбидов (например, карбида железа: Fe₃C+2FeO → 5Fe+CO₂), температурной диссоциации первичных карбонатов (например, СаСO₃ → СаО+СO₂), а затем также путем окисления метана и СО вулканических газов. Удаление углекислого газа из атмосферы и гидросферы происходит главным образом при образовании карбонатов - в результате как химических реакций (см. на с. 57 реакции серпентинизации оливинов и каолинизации анортитов), так и биологических процессов (образование карбонатных оболочек и скелетов организмов); некоторая доля СO₂ тратится также на образование органического вещества в процессе фотосинтеза растений. Согласно подсчетам О. Г. Сорохтина [23], химическое осаждение карбонатов все время ограничивалось лишь количеством СO₂, тогда как вторая необходимая составляющая карбонатов - гидроокислы кальция, магния и железа - всегда находилась в большом избытке.

В катархее карбонатных пород немного; укажем прежде всего мраморы и известковистые кристаллические сланцы Прибайкалья, Побужья, Памира (Ваханская серия) и юго-восточной Канады (серия Гренвилл), образовавшиеся, вероятно, из сульфатно-сернистых известняков и доломитов. В архее карбонатных пород, пожалуй, еще меньше. В нижнем протерозое, когда появился кислород, выросло количество С₂, морская вода стала хлоридно-карбонатной и в ней образовалось карбонат-бикарбонатное равновесие, появились и мощные слои карбонатных осадочных пород, прежде всего доломитов химического происхождения (при большом содержании СO₂ и высоком щелочном резерве в морской воде доломитовое вещество насыщает воду и выпадает в осадок легче, чем СаСO₃); примером может служить мощная доломитовая свита Трансвааля возрастом около 2 млрд. лет.

В дальнейшем в карбонатных породах наблюдается некоторый рост доли кальцита за счет доломитов (объясняемый, вероятно, снижением щелочного резерва морской воды; Р. В. Фэйрбридж [31] считает, что значение рН воды в среднем и верхнем протерозое могло падать до 4-5), а также увеличение доли карбонатов биологического происхождения.

В венде содержание СO₂ в океане, по-видимому, уменьшилось (возможно, вследствие затрат углекислоты при фотосинтезе водорослей), морская вода приобрела хлоридно-сульфатный характер, и значение рН в ней опять достигло 7, допустив в некоторой мере образование карбонатов; может быть, это и содействовало появлению скелетов у животных в начале фанерозоя.

Позже, 360-280 млн. лет тому назад, развитие фотосинтезирующей растительности на суше привело, вероятно, к новому уменьшению содержания СO₂ в атмосфере, а потому и в океане, и значение рН в морской воде выросло до современного уровня 7.5-8.5. Это, вероятно, содействовало вспышке в развитии организмов, выделяющих известь, - кокполитовых водорослей и одноклеточных животных - корненожек фораминифер (возникших еще в начале фанерозоя; в рассматриваемый период наибольшее развитие имели фораминиферы надсемейства фузулинид). После некоторого спада такая вспышка повторилась 130-70 млн. лет тому назад, обусловив массовое выпадение биогенных карбонатных осадков мелового периода (причем наибольшее развитие из фораминифер имели нуммулитиды). В настоящее время накопление карбонатов в Мировом океане происходит почти исключительно биологическим путем (причем основную роль в нем играют планктонные фораминиферы - в холодных и умеренных водах глобигериниды, а в теплых - глобороталлииды).

Сложнее объяснить, куда девалась на Венере вода. Если на Земле испарить всю воду, то она образовала бы атмосферу из водяного пара вчетверо массивнее нынешней венерианской. Молекулы воды в венерианской атмосфере, по-видимому, распадались под действием более интенсивных, чем на Земле, жестких излучений Солнца и, кроме того, заряженных частиц, на Земле отражаемых магнитным полем (а по О. Г. Сорохтину [23], -также по реакции термолиза ЗFе+4Н₂О → Fe₃O₄+H₂ при наличии свободного железа на горячей поверхности Венеры). Водород уходил в космическое пространство, а кислород, составляющий 8/9 массы воды, затрачивался на окисление СН4, СО и других атмосферных газов, свободного железа и закисей Fe и других металлов в породах горячей венерианской коры (такие процессы происходили и происходят и на более холодной Земле, но соответствующая убыль кислорода в ее атмосфере теперь компенсируется быстрым продуцированием О₂ при фотосинтезе растений). Если для грубой прикидки принять, что первичные базальты венерианской коры содержали порядка 10% закиси железа FeO, то для ее окисления до Fe₂O₃ в коре массой 5·10⁷ триллионов т потребовалось бы порядка 5·10⁵ триллионов т кислорода, и его заимствование из атмосферы уменьшило бы давление газа у поверхности Венеры примерно на 90 атм. Эта оценка показывает, что количественное объяснение исчезновения кислорода из венерианской атмосферы может быть дано при дополнительном учете свободного железа и других способных окисляться веществ в венерианской коре.