Глава шестая. Метабиосфера

 

Стало очевидным единство стратисферы Земли, как результат развития былых биосфер планеты.

Б. С. Соколов. 1975

 

На Среднем проспекте в Ленинграде все пространство между 19‑й и 20‑й линиями занимает величественное здание, отделанное серым камнем. По праву его называют «Дворцом геологии». Когда‑то здесь помещался Геологический комитет – по существу, единственное геологическое учреждение дореволюционной России, а сейчас размещены три головных учреждения Министерства геологии СССР: Всесоюзный геологический институт имени А. П. Карпинского (ВСЕГЕИ), Всесоюзная геологическая библиотека и Центральный геологоразведочный музей имени Ф. Н. Чернышева. Просторный, светлый вестибюль, широкая, идущая до самого верха лестница. Ее ступени выложены плитами так называемого ортоцератитового известняка с остатками ортоцерасов (вымерших головоногих моллюсков) и морских лилий. А у подножия лестницы – другие нерукотворные создания природы: глыба каменного угля из Донбасса, ископаемые стволы деревьев, шедевр мезозойской эры – аммонит. Следы былых биосфер…

В январе 1959 г. во «Дворце геологии» открылась V сессия Всесоюзного палеонтологического общества (ВПО). Такие сессии собираются каждый год; но тема этой была необычной: «Значение биосферы в геологических процессах».

Этот представительный форум – на нем присутствовало больше 500 ученых – был первым научным съездом, где так разнообразно и всесторонне была рассмотрена роль живого вещества в формировании земной коры. Ее инициатор, известный советский палеонтолог, впоследствии – лауреат Ленинской премии, Борис Павлович Марковский (1895–1966) сделал программный доклад «Жизнь как геологический фактор». А потом были заслушаны многочисленные более специальные сообщения, посвященные вопросам биогенного происхождения карбонатных пород, горючих ископаемых, железных и марганцевых руд, фосфоритов, бокситов…

V сессия ВПО подвела итог исследований, проведенных за несколько десятилетий, прошедших после опубликования работ Вернадского о биосфере. Но этим не исчерпывается ее значение – одновременно она открыла новый этап исследований роли жизни в геологических процессах. А ровно через 20 лет в том же зале собралась XXV, юбилейная, сессия ВПО, посвященная теме «Палеонтология и эволюция биосферы».

Идеи В. И. Вернадского по праву обрели всеобщее признание. В блестящую плеяду ученых, достойно развивающих эти идеи, входят многие современники и младшие современники Вернадского. Их усилиями достигнуты выдающиеся успехи в исследовании роли жизни в формировании земной коры. Этому вопросу и посвящена последняя глава нашего повествования.

Говорят, что настоящее – это ключ к познанию прошлого. Мы воспользуемся этим ключом, чтобы лучше понять, как формировались осадочные породы в геологическом прошлом. Однако пользоваться им будем осторожно, поскольку это все‑таки ключ, а не отмычка, и не ко всем дверям (в нашем случае фациальным обстановкам) он подходит.

В самом упрощенном виде осадочная оболочка Земли – это стратиграфически наложенные друг на друга следы былых биосфер нашей планеты. Все вместе они слагают метабиосферу Земли: многокилометровую оболочку, облик которой в значительной мере определяется деятельностью живого вещества.

Осадочные породы согласно современным классификациям разделяются на следующие группы: 1) обломочные; 2) глинистые; 3) аллитные; 4) железистые; 5) марганцевые; 6) фосфатные; 7) карбонатные; 8) кремнистые; 9) соли; 10) каустобиолиты.

Все осадочные породы Земли (вплоть до самых древних) сформировались в условиях биосферы. Думается, что этот тезис в наиболее краткой форме выражает геологический аспект учения Вернадского. В той или иной форме живое вещество принимает деятельное участие в формировании всех осадочных пород, и все они включают в себя какое‑то (пусть иногда и малое) количество палеобиогенного вещества. Соотношение абиогенного и палеобиогенного вещества в породах может быть различным: от ископаемых углей, малозольные разновидности которых почти нацело сложены палеобиогенным органическим веществом, и известняков, состоящих из палеобиогенного неорганического вещества, – до песчаников, где палеобиогенного материала может быть совсем немного. При этом палеобиогенное вещество в осадочных породах весьма разнообразно: растительный детрит, различные остатки организмов (миоспоры, крупномерные фрагменты растений, остатки планктона, спикулы губок, зубы акул, раковины, кости позвоночных и т. д.), янтарь, копролиты и такие микробиогенные минералы, как, например, сульфиды, карбонаты, гидроокислы железа и т. д. Выходит, что не так уж далек от истины был Омар Хайям, утверждая:

 

Эти мертвые камни у нас под ногами

Прежде были зрачками пленительных глаз…

 

Рассмотрение пород, слагающих осадочную оболочку Земли, начнем с карбонатных. Роли жизни в их формировании В. И. Вернадский придавал особое значение и выделял даже, как уже упоминалось, особую «кальциевую функцию» биосферы.

На долю карбонатных осадков приходится около половины всей площади современных донных отложений Мирового океана. Широкий пояс карбонатных осадков располагается главным образом между 30° с. ш. и 30° ю. ш., но отдельные языки карбонатных илов пересекают эти границы. По А. П. Лисицыну, они делятся на два типа: планктогенные и бентогенные (обе жизненные пленки океана создают, таким образом, собственные типы карбонатных осадков). Планктогенный подтип представлен фораминиферовым (преобладающий класс), кокколитовым и птероподовым илами.

Фораминиферы относят к подцарству простейших. Их современные представители – микроскопические создания. Среди вымерших форм существовали и довольно крупные организмы. Таковы нуммулиты – гиганты среди одноклеточных, достигавшие 10–16 см. В переводе с латинского их название обозначает «каменные монетки». Нуммулиты, действительно, напоминают окаменевшие монетки. Азербайджанская легенда рассказывает, что это деньги богача, не подавшего милостыню нищему. К органическим остаткам нуммулиты начали относить только в XVIII в., а вот использовать нуммулитовые известняки стали значительно раньше: из них построены египетские пирамиды. Появились фораминиферы в кембрии, а начиная с карбона они приобретают важную роль в карбонатонакоплении.

Кокколитовые илы сложены остатками микроскопических золотистых водорослей кокколитофорид. Панцири кокколитофорид смонтированы из щитков, состоящих, в свою очередь, из отдельных кристаллов карбоната кальция. Отмирая, кокколитофориды распадаются на отдельные щитки, которые со временем превращаются в тончайший карбонатный ил.

Наконец, наименее распространенными являются птероподовые илы. Исходным материалом для их формирования послужили раковины мелких (0,3–10 мм) брюхоногих моллюсков – птеропод.

Другая пленка жизни – донная – формирует бентогенные карбонатные отложения, которые также разделяются на несколько классов.

Первый класс – ракушечные, или моллюсковые, отложения, встречающиеся главным образом на морском мелководье. Огромные ракушечные поля известны на восточной и северной окраине Каспия, в северо‑западном углу Черного моря, на Багамской отмели, у побережья Флориды. Таково и прибрежье Азовского моря, которое даже прозвали «моллюсочным». Ракушка на мелководье интенсивно измельчается, и описываемые отложения часто представлены раковинными песками. В прежние геологические эпохи ракушечные отложения также слагались остатками моллюсков, хотя в палеозое большую роль в их формировании играли и брахиоподы. Другой распространенный класс бентогенных карбонатных отложений – кораллово‑водорослевый – формируется в рифовых сгущениях жизни. Менее распространены остальные типы: фораминиферовый (фораминиферы бывают не только планктонными, но и бентосными); мшанковый; осадки смешанного состава, сложенные остатками иглокожих, остракод, серпулид и балянусов.

Современные бентогенные карбонатные отложения морских экосистем формируются двумя сгущениями жизни: прибрежным и рифовым. На остальной акватории океана известковые отложения образует планктонная пленка жизни. Видимо, принципиально такой же была схема карбонатонакопления и в геологическом прошлом (см. рис. 14), хотя видовой состав карбонатосаждающих организмов и положение уровня карбонатной компенсации, естественно, были иными.

Современное карбонатонакопление, помимо морей, происходит и в озерах, причем характер протекающих здесь процессов существенно иной. По мнению известного советского микробиолога, члена‑корреспондента АН СССР Сергея Ивановича Кузнецова, осаждение карбонатов в озерах происходит как под действием процессов выпаривания пересыщенных растворов (это наблюдается, например, в озере Севан), так и благодаря геохимической деятельности бактерий. При этом в озерах бактерии выступают не в роли непосредственных концентраторов карбоната кальция – они лишь создают условия, способствующие его осаждению (проявляется, таким образом, средообразующая функция живого вещества). В прибрежной части озер местами намывается ракуша.

Таковы современные морские и озерные карбонатные осадки – накапливающиеся на наших глазах прообразы карбонатных пород метабиосферы.

Карбонатные породы по минеральному составу разделяются на кальцитовые (с преобладанием кальцита, имеющего формулу CaCO₃), доломитовые (с преобладанием минерала доломита CaMg[CO₃]₂) и породы смешанного состава. Кальцитовые породы включают в себя главным образом разнообразные известняки и еще одну горную породу, с которой мы теснее всего соприкасаемся в возрасте от 7 до 17, – писчий мел. По мере углубления исследований и накопления данных о кальцитовых породах все бо́льшая доля их оказывается биогенной.

О том, что многие известняки образовались из скелетных остатков организмов, писал еще Николай Стенон (1638–1686), а первые микроскопические исследования известняков произвел в 70‑е годы прошлого века известный английский натуралист Генри Клифтон Сорби (1826–1908). Немало способствовали «обиолитчиванию» известняков прекрасные «Атласы породообразующих организмов», выпущенные в 30‑е годы французским ученым Люсьеном Кайе (1864–1944) и нашим соотечественником, учеником Я. В. Самойлова – Владимиром Петровичем Масловым (1891–1968).

В настоящее время в отложениях разного возраста выделены фораминиферовые, пелециподовые, брахиоподовые, мшанковые, криноидные и многие другие типы известняков, сложенные разнообразными скелетными остатками организмов. Многие из них характерны только для определенного возраста. Академик Л. С. Берг писал: «Никогда в истории Земли не появятся вновь фации археоциатовых известняков (кембрий), строматопоровых известняков (силур и девон)… фузулиновых и швагериновых известняков (карбон, пермь), нуммулитовых известняков (палеоген) и т. д. Ибо организмы, характерные для названных фаций, вымерли». Существуют и бактериогенные известняки, на возможность образования которых первым в 1893 г. указал Н. И. Андрусов. Что касается докембрийских известняков, среди которых распространены строматолиты, то раньше их скопом относили к хемогенным, а сейчас постепенно переводят в разряд биогенных[67]. К числу биогенных относятся и копролитовые известняки – горная порода, исходным материалом для которой послужили фекалии илоедов, перерабатывавших известковый ил. Известны они по крайней мере с ордовика и нередко слагают целые пласты. А в детритовых известняках наглядно проявляется не только конструктивная, но и деструктивная роль жизни: измельчение и переотложение известкового субстрата в результате деятельности живых организмов (об этом упоминалось в четвертой главе).

Своеобразной кальцитовой породой является писчий мел. Полоса его отложений протягивается через всю Европу – от Англии до берегов Эмбы. Первые работы по установлению природы мела были выполнены знаменитым немецким натуралистом Кристианом Готфридом Эренбергом (1795–1876). Он предполагал, что мел образовался из фораминифер и частиц абиогенного происхождения. А современные исследования, проведенные профессором Харьковского университета Станиславом Ивановичем Шуменко, показали, что писчий мел на 90–98% состоит из кокколитов, причем в 1 см³ породы их насчитывается 10¹⁰–10¹¹ экземпляров! Характерен писчий мел только для верхнемеловых отложений. Это связано с необычайным расцветом кокколитофорид в морях того времени, более никогда не повторявшимся. Современные кокколитовые илы – лишь слабый отзвук мощных карбонатных толщ, накопившихся за период, который по праву называют меловым.

Долгое время оставалось неясным, почему в писчем меле отсутствует слоистость. Разрешить эту проблему помог метод пропитки мела машинным маслом, разработанный известным советским литологом Г. И. Бушинским (1903–1980). После такой обработки становится отчетливо видно, что кокколитовый ил, из которого образовался мел, был интенсивно переработан илоедами и неоднократно пропущен ими через кишечный тракт. Слоистость в результате этого была утрачена.

Доломитовые породы получили свое название в память об их первооткрывателе – французском минералоге Д. Доломье (1750–1801). Когда заходит речь о доломитах, в геологических статьях и руководствах появляются горестные нотки. «Немного известно пород, по вопросу о происхождении которых было бы высказано так много самых разноречивых мнений и предположений, и происхождение которых, тем не менее, оставалось бы столь же спорным и неясным, как происхождение доломитов», – сетует профессор М. С. Швецов (1885–1975). Лишь недавно было установлено, что в современную геологическую эпоху доломит накапливается в водных экосистемах, характеризующихся высокой соленостью, высоким pH вод и обильной растительностью (большой вклад в познание этого процесса внесли советские геологи Н. М. Страхов и Д. Г. Сапожников).

Доломитообразование в этом случае обусловливается средообразующей деятельностью автотрофного живого вещества: в ходе фотосинтеза растения извлекают из воды растворенную в ней углекислоту, что приводит к повышению pH и способствует химической садке доломита.

Существуют разнообразные доказательства образования доломита в результате жизнедеятельности организмов. Так, еще в конце прошлого века русский ученый, профессор Александр Андреевич Вериго (1837–1905) сообщил об интересных опытах по выяснению влияния бактерий на образование доломитов. По этим данным, ил, помещенный в пробирку и зараженный одним из видов бактерий, через полтора года существенно изменился: в нем появились желтовато‑белые шарики, оказавшиеся при анализе доломитом; в контрольных же пробирках (без бактерий) образования доломита не наблюдалось. Позднее, уже в 50‑е годы, французский исследователь Ц. Лало пришел к выводу, что на мелководье в условиях интенсивного освещения бактериогенные карбонаты (в том числе и доломит) можно получить из любого осадка при достаточном количестве органического вещества и повышенной температуре.

К настоящему времени установлено широкое распространение доломитов, переполненных остатками цианобактерий, в отложениях разного возраста: пермских (Донбасс, Приуралье, Северная Америка), кембро‑силурийских (Сибирская платформа) и позднедокембрийских (север Сибири, хребет Каратау). Наиболее характерными из них являются доломиты с обильными остатками цианобактерий рода Collenia.

Загадка доломита начинает проясняться.

Итак, биогенные карбонатные породы образуются в результате деятельности как планктонной, так и (в меньшей степени) донной пленки жизни в экосистемах Мирового океана и внутриконтинентальных водоемов. Интенсивность карбонатонакопления в геологическом прошлом в значительной степени определялась палеогеографической обстановкой и содержанием в атмосфере углекислого газа, выделяющегося при вулканических процессах. Член‑корреспондент АН СССР Александр Борисович Ронов так формулирует основной закон карбонатонакопления: «Количество карбонатных осадков, отлагавшихся в ту или иную эпоху после докембрия, было прямо пропорционально интенсивности вулканической деятельности и площади распространения внутриматериковых морей».

Вспомним таблицы, систематизирующие характер и локализацию процессов, осуществляемых живым веществом, и его основные функции в биосфере (см. табл. 4, 5). Обратившись к ним, мы видим, что в формировании кальцитовых пород обычно проявляется концентрационная функция живого вещества, осуществляемая внутри организма (построение скелета) и значительно реже – средообразующая. При образовании же доломитовых пород главной является средообразующая функция (при подчиненной роли концентрационной), причем формирование доломита (за редчайшими исключениями) происходит не внутри, а вне организма.

Кремнистые породы во многом близки по своему происхождению к карбонатным. Кремнистыми называют горные породы, состоящие в основном из минералов кремнезема: опала, халцедона или кварца (обломочные кварцевые породы – песчаники и алевролиты – в эту группу не входят).

«Вся история кремния в океане целиком обусловлена процессами жизни», – писал Вернадский[68]. Достижения науки за последние полвека подтвердили этот тезис Владимира Ивановича. Установлено, что отложение кремнистых осадков осуществляется главным образом в морских экосистемах, в меньшей степени – в экосистемах континентальных водоемов (рис. 13). Осаждение кремнезема производят организмы, которые издавна называют «кремниевыми»: диатомовые водоросли, или диатомеи (они содержат 90% всего кремнезема, находящегося во взвеси в Мировом океане), радиолярии, губки и силикофлагеллаты, а в пресноводных озерах – почти исключительно диатомеи. Никаких признаков хемогенного осаждения кремнезема в современных водных экосистемах не обнаружено.

Среди кремнистых пород, сложенных преимущественно скелетными остатками организмов, выделяются четыре типа: диатомиты, силикофлагеллиты, радиоляриты и спонголиты. Первые три типа кремнистых пород являются планктогенными, а спонголиты – бентогенными образованиями.

Наиболее чистые диатомиты – это светлые (белые или желтоватые) тонкопористые породы, сложенные в основной своей массе микроскопическими панцирями диатомовых водорослей. Количество цельных панцирей диатомей в 1 см³ достигает нескольких миллионов. Чистые диатомиты мало соответствуют представлению об обычных горных породах как о «камне»: они очень мягкие (ими можно писать на доске), пористые (пористость достигает 70–90%), наконец, легкие: их объемный вес в куске не превышает единицы, а у некоторых разностей составляет 0,5–0,7 и даже 0,25–0,30 г/см³ (рассказывают, что А. Е. Ферсман и в отпуске собирал камни, а носильщик на вокзале удивлялся: «Ну и чемодан! Камнями, что ли, набили?» Если бы Ферсман собирал в отпуске только диатомиты, у носильщика не было бы претензий).

Чтобы понять необычные свойства диатомитов, нужно обратиться к их исходному материалу – диатомовым водорослям.

В переводе с греческого «диатомея» значит «разделенная пополам». Панцири диатомей действительно состоят из двух частей, заходящих одна в другую. Из привычных нам вещей панцирь диатомей больше всего напоминает, наверно, дырчатый разъемный футляр для зубной щетки – только диатомеи пористые по всей поверхности своего тела, да и форма у них более разнообразная: дисковидная, веретенообразная, призматическая… Морские диатомиты известны начиная с верхнего мела и залегают в виде пластов мощностью в десятки и сотни метров. Озерные диатомиты появились только в эоцене и распространены меньше.

 

Рис. 13. Схема формирования кремнистых пород в биосфере: 1 – кремниевые организмы континентальных водоемов; 2 – кремниевые организмы морей

 

Если диатомиты – наиболее распространенные среди биогенных кремнистых пород, то описанные сравнительно недавно У. Г. Дистановым и З. И. Глезер силикофлагеллиты – самые редкие. Сложены они остатками другого представителя фитопланктона – кремниевых жгутиковых водорослей, или силикофлагеллат. В неогеновых толщах Юго‑Восточной Европы силикофлагеллиты образуют самостоятельные пласты.

Радиоляриты, как и предыдущие типы кремнистых пород, также сложены остатками планктона, однако радиолярии в отличие от диатомей и силикофлагеллат представляют собой не фито‑, а зоопланктон. Название «радиолярии» происходит от лат. radius – луч (радиолярии иначе называют лучевиками). Сложно построенный микроскопический скелет радиолярий представляет собой ажурный шар, от которого во все стороны, но строго закономерно, отходят длинные иглы. И кажется, что радиолярии созданы природой специально для изучения законов симметрии и совершенства. Кто‑то назвал радиолярии самыми изящными и красивейшими образованиями, которые существуют в животном мире.

Известны радиолярии с кембрия. По сравнению с диатомитами радиоляриты имеют меньшее распространение, однако мощность их пластов иногда достигает 38 м (палеоген о. Барбадос). Значительно более широкое развитие (по сравнению с «нормальными» радиоляритами) имеют радиоляриевые глины – породы, где панцири радиолярий обильно разбавлены терригенным материалом.

Что касается спонголитов, то они когда‑то считались очень редкими, а сейчас пласты морских спонголитов мощностью до 10–15 м известны в меловых и палеогеновых отложениях Украины, Кавказа и Центральной Европы, палеозое Приуралья, Северо‑Востока СССР и других районов. Найдены и пресноводные спонголиты, мощность которых достигает 6–10 м. Современные спонголиты известны в Баренцевом море. Спонголиты представляют собой однородные мелкозернистые породы, состоящие из спикул донных животных, так называемых «кремниевых» губок. Спикулами называют элементы, из которых построен скелет губок. При их жизни скелет связан воедино органическим веществом, а после отмирания губок он распадается на отдельные спикулы. Длина спикул может достигать 2–3 мм, поперечное сечение измеряется сотыми долями миллиметра, а форма – очень разнообразна: от простой (игловидной) до изогнутой и звездчатой[69].

Нет сомнений, что все рассмотренные типы кремнистых пород, безусловно, сложены биогенным кремнеземом (опалом). Происхождение других кремнистых пород – трепелов, опок, яшм – вызывает дискуссии. Органические остатки в них довольно редки, и многие литологи считают эти породы хемогенными. Существует, однако, мнение, что опоки и трепелы образовались из диатомитов и спонголитов, а яшмы – из радиоляритов, утративших свою первичную структуру в ходе процессов диагенеза и катагенеза. Еще в конце прошлого века академик Феодосий Николаевич Чернышев, именем которого назван Геологоразведочный музей в Ленинграде, обнаружил в яшмах Южного Урала остатки обильной фауны радиолярий. «Наши яшмы представляют, несомненно, глубоководный шлам, – писал Чернышев в 1889 г., – причем кремнезем панцирей радиолярий и дал главнейший материал для скоплений кварца, рассеянных по всей массе породы». В первые десятилетия нашего века идею о преобладающем биогенном происхождении кремнистых пород высказывал Я. В. Самойлов. А недавнее исследование, выполненное в Институте литосферы АН СССР Валентиной Сергеевной Вишневской, показало, что породы, сложенные скелетными остатками кремневых организмов, составляют более 90% всех изученных ею кремнистых пород верхней юры – нижнего мела восточной части Малого Кавказа. На долю достоверно абиогенных пород, сформировавшихся вблизи подводных гидротерм из пересыщенных растворов, приходится менее 1% кремнистых толщ этого региона.

Кремнистые осадки образуются в биосфере в результате концентрационной функции живого вещества. И в современную геологическую эпоху, и в геологическом прошлом (начиная с кембрия) накопление биогенного кремнезема происходило главным образом в морских экосистемах. При этом если первоначально оно осуществлялось донной пленкой жизни (кремневые губки) и зоопланктоном (радиолярии), то начиная с конца мезозоя основная роль в кремненакоплении переходит к фитопланктону (диатомеям). Озерное кремненакопление началось только в эоцене с появлением пресноводных форм диатомей и губок и имеет подчиненное значение.

Рассказ о кремнистых породах закончим словами Вернадского: «Хотя в истории кремния роль организмов не так ярка, как в истории кальция, но и здесь без нее история данного химического элемента не может быть нами понята»[70].

Каустобиолиты – третья группа осадочных пород, характеризующаяся значительными концентрациями биогенного вещества. Термин «каустобиолиты» образован от трех греческих слов: «каустос» – горючий, «биос» – жизнь и «литос» – камень. Каустобиолитами являются торфы, сапропели, угли, горючие сланцы и нефть – современные осадки и горные породы, сложенные главным образом биогенным органическим веществом. «Органическое вещество, проникающее все вещество доступной изучению земной коры, все – биогенного происхождения… Медленными геологическими процессами эти органические вещества, остатки тел и метаболизма организмов из биосферы попадают в стратисферу, в метаморфическую оболочку», – писал Вернадский[71]. Наиболее интенсивное накопление органического вещества в современной биосфере происходит в болотах и некоторых озерах. Особняком стоит аккумуляция необиогенной органики в океанах.

Обыденные понятия не всегда легко поддаются определению. Так, непросто определить, что такое болото. Существует и такое определение: «Болото можно охарактеризовать или как озеро, но со связанной водой, или как сушу, содержащую обычно 90% воды и лишь 10% сухого вещества». Действительно, одна часть сухого торфа способна удержать 15–25 частей воды! Оптимальными для торфонакопления условиями характеризуются громадные пространства территории нашей страны с умеренным гумидным климатом. Советскому Союзу принадлежит 60% мировых запасов торфа.

Климатические условия являются для болотообразования «пусковым механизмом». В процессе развития торфяника роль климатических факторов уменьшается. Болото постепенно становится экосистемой, в значительной мере развивающейся по своим внутренним законам и сравнительно мало зависящей от внешней среды. Подчеркивая специфичность условий образования каустобиолитов, известный советский геолог К. Г. Войновский‑Кригер (1894–1979) писал: «Накопление растительной массы, очевидно, подчинено не таким закономерностям, как накопление песка и алеврита: кроме геоморфологического фактора, здесь участвует и, может быть, играет основную роль биологический фактор». А наибольшие шансы перейти в ископаемое состояние имеют приморские и прибрежно‑озерные торфяники в зонах прогибания земной коры.

Другим типом экосистем, где происходит накопление необиогенного органического вещества, являются континентальные водоемы. Здесь в противоположность торфяникам накапливаются главным образом не остатки высших растений, а «сапропель» (по‑гречески это значит «гнилой ил»): скопление остатков фито‑ и зоопланктона, донных и свободноплавающих организмов и экскрементов животных.

Наконец, биогенное органическое вещество накапливается и в морских экосистемах, главным образом в мелководных лагунах. Основным фактором, который контролирует накопление необиогенного вещества в Мировом океане, является циркумконтинентальная зональность. По данным известного советского геохимика, лауреата премии им. В. И. Вернадского Евгения Александровича Романкевича, в периферических районах океана накапливается 87% всего органического вещества океана, в краевой части ложа – 10%, а в центральных областях – только 3%.

 

Рис. 14. Схема формирования каустобиолитов и карбонатных пород в биосфере: 1 – организмы – сапропелеобразователи; 2 – карбонатные организмы

 

Так происходит накопление органического вещества в современной биосфере. Тем же путем происходило накопление биогенной органики и в геологическом прошлом (рис. 14). «Образование каменных углей имеет связь с болотами, с большими скоплениями растений, свойственными странам с сырым климатом, в устьях и дельтах больших рек, в равнинах их бассейнов, на берегах континентов и островов, в низинах областей приливов и отливов. Это все большие сгущения жизни, где масса органической материи, находящейся в состоянии медленного разложения, огромна. Возможно, что это самые большие сгущения жизни, нам вообще известные на суше», – писал Вернадский[72].

Ископаемые угли известны с девона – с того времени, когда в биосфере возникли леса. Черные, на первый взгляд невзрачные, ископаемые угли под микроскопом в шлифах чаруют гаммой оранжево‑красных тонов. Сложены они большей частью углефицированными растительными тканями (их называют фитералами: суффикс тот же, что и в слове «минерал», а корень «фито» по‑гречески – растение). В последнее время разработаны методы их диагностики: определяют исходный орган растения, его систематическую принадлежность и способ превращения. По этим данным можно составить представление о растительности, послужившей исходным материалом для формирования угля. Состав углей в ходе геологической истории существенно менялся. В карбоновых углях много спор; в позднекарбоновых углях впервые появляются массивные стволы древесных растений (раньше древесные растения были преимущественно трубчатыми, как сейчас бамбук, или же обладали рыхлой центральной частью – как камыш); в мезозое встречаются угли, спрессованные из листьев голосеменных или из иголочек смолы; для палеогена и неогена характерны лигниты – остатки хвойных с макроскопически различимой структурой древесины и т. д.

Биогенное вещество, образованное гетеротрофами, в углях встречается довольно редко; главным образом это грибы, в палеогеновых и неогеновых углях наиболее распространенные. Найдены также остатки бактерий, членистоногих, позвоночных. Самые удивительные находки сделаны на двух буроугольных месторождениях Центральной Европы: Гейзельталь (палеоген) в ГДР и Турув (неоген) в Польше. Здесь найдены остатки богатой и разнообразной фауны позвоночных (вспомним цитированные выше слова Вернадского о «самых больших сгущениях жизни»): рыб, земноводных, пресмыкающихся (крокодилов, ящериц, змей), птиц, наконец, млекопитающих: тапиров, лошадей, сумчатых крыс, летучих мышей, полуобезьян. А в угле одного из небольших месторождений Италии известный западногерманский углепетрограф М. Тайхмюллер описала останки молодой особи «почти человека» – человекообразной обезьяны близкого нам рода. Малыш утонул в болоте…

Если ископаемые угли соответствуют древним торфам, то горючие сланцы образовались из сапропелей, накапливающихся иногда в озерных, а чаще – в морских экосистемах. Классик литологии, академик Николай Михайлович Страхов (1900–1978) еще в 30‑е годы выделил следующие типы горючих сланцев: а) пелагические планктогенные горючие сланцы; б) пелагические бентогенные горючие сланцы; в) горючие сланцы заливного и предустьевого типов; г) горючие сланцы рифового типа. Легко заметить, что эти типы горючих сланцев сформированы различными концентрациями жизни, выделяемыми Вернадским: планктонной и донной пленками и прибрежным и рифовым сгущениями жизни. Биогенный материал горючих сланцев интенсивно перерабатывался донными организмами, и поэтому распознавание органических остатков в горючих сланцах иногда затруднительно. Тем не менее советский палеоботаник Михаил Дмитриевич Залесский (1877–1946), выполнивший классические исследования исходного материала горючих сланцев, установил, что их органическое вещество представлено главным образом остатками фитопланктона. Позднее было показано, что существуют и «полугорючие» сланцы, где в составе органического вещества преобладают остатки зообентоса (диктионемовые сланцы ордовика) и зоопланктона (доманиковые сланцы девона). В значительной мере биогенной является и неорганическая составляющая горючих и «полугорючих» сланцев: здесь обильно представлены панцири диатомовых водорослей, спикулы кремневых губок, остатки радиолярий и разнообразных организмов с карбонатным скелетом.

Вопрос о генезисе твердых горючих ископаемых решается сравнительно просто, поскольку известны их современные аналоги. Сложнее дело обстоит с нефтью. Еще два‑три десятилетия назад вопрос о ее генезисе вызывал ожесточенные дискуссии. Теперь, благодаря работам школы геологов‑нефтяников, до недавнего времени возглавлявшейся членом‑корреспондентом АН СССР Николаем Брониславовичем Вассоевичем (1902–1981), происхождение нефти из биогенного органического вещества мало у кого вызывает сомнения.

Школой Н. Б. Вассоевича создана теория нефтеобразования, которая получила название «осадочно‑миграционной». Нефть согласно этой теории – «детище литогенеза». Исходным материалом для нефти служат остатки организмов планктонной пленки жизни. «Рождение» нефти как жидкой фазы углеводородов, выделяющейся из рассеянного органического вещества, происходит в земной коре в пределах так называемой «главной зоны нефтеобразования», расположенной на глубине от 2 до 6 км ниже земной поверхности, где господствуют температуры от 60 до 160°С (именно в этом смысле нефть и является «детищем литогенеза» и именно поэтому неизвестны ее современные аналоги).

Доказательством того, что нефть действительно образовалась из биогенного органического вещества, является изотопный состав входящего в нее углерода. Кроме того, в нефти найдены «биомолекулы» – соединения, аналоги которых имеются только в живом и биогенном веществе.

Суммарные запасы каустобиолитов измеряются цифрой n. 10¹³ т. Однако, по подсчетам Н. Б. Вассоевича, это составляет только 0,36% всего органического углерода, содержащегося в осадочных породах. Биогенная органика наравне с кремнеземом, а возможно, и карбонатами представлена в метабиосфере главным образом в дисперсной форме.

Итак, палеобиогенная органика метабиосферы образовалась на суше благодаря деятельности наземной пленки жизни, а в водных экосистемах – главным образом за счет планктонной пленки. Формирование каустобиолитов осуществляется при определяющем воздействии энергетической функции живого вещества. Именно это обстоятельство позволяет нам, сжигая каустобиолиты, использовать энергию солнечного луча миллионнолетней давности. Не зря каустобиолиты называют солнечными консервами.

В качестве характерной особенности каустобиолитов Вернадский подчеркивал эволюцию их состава и свойств. «Они (каустобиолиты. – А. Л.) являют индивидуальность и неповторяемость в геологическом времени и представляют собой историческое явление, что выражается в их чрезвычайном химическом разнообразии и просто объясняется тем, что для каждого геологического момента организмы, тела которых они представляют, были неповторяемы, резко химически различны, так же, как различны те микробы, которые вызвали их образование и тела которых входят в их состав… В каустобиолитах мы видим ясное проявление эволюционного процесса»[73].

Не во всех осадочных породах биогенное вещество представлено такими высокими концентрациями, как в карбонатных, кремнистых породах и каустобиолитах. Беднее биогенным веществом фосфатные, железистые и марганцевые породы.

К фосфатным обычно относят породы, содержащие не менее 10% окиси фосфора. Основными минералами, содержащими фосфор, являются тонкодисперсные минералы группы апатита. Полезными ископаемыми – фосфоритами – являются фосфатные породы с 12–40% окиси фосфора. Их выделяют несколько типов: пластовые, желваковые и ракушечные фосфориты, костяные брекчии и гуано. 95% всех запасов фосфоритов приурочено к морским отложениям.

Мощность пластовых фосфоритов достигает 15–17 м. По внешнему виду они мало характерны. Иногда они белые, похожие на мел, чаще же темные, почти черные. Отсутствие у фосфоритов четких макроскопических признаков иногда вводит геологов в заблуждение. Так, в 30‑е годы в Казахстане (Каратау) фосфориты поначалу принимались за бокситы. А одно из сибирских месторождений было открыто не в поле, а на верхнем этаже «Дворца геологии», в Центральном геологоразведочном музее им. Ф. Н. Чернышева. Здесь в 1949 г. Наталья Александровна Красильникова, известный специалист по фосфоритам, просматривая музейные коллекции, обнаружила интересный образец. По этикетке, составленной четверть века назад, он числился песчаником, а оказался – высококачественным фосфоритом! Наверно, такие ошибки бывали и раньше – ведь название «апатит» образовано от греческого слова «апатао», что значит «обманываю»…

Желваковые фосфориты представляют собой скопление конкреций. Насыщенность ими породы различна; встречаются также куски костей и фосфатизированных органических остатков: древесин, раковин моллюсков и т. д. Иногда присутствуют и фосфатизированные копролиты.

Ракушечные фосфориты встречаются главным образом в отложениях ордовика. Это песчаники или конгломераты, переполненные раковинами мелких беззамковых брахиопод. Характерным примером являются так называемые оболовые песчаники Эстонии и Ленинградской области мощностью до 11 м, включающие в себя остатки Obolus и Schmidtia.

Довольно редким типом фосфоритов являются костяные брекчии – пористые породы желто‑бурых тонов, состоящие из обломков скелетов рыб или пещерных позвоночных. Наконец, завершает список типов фосфоритов гуано – огромные скопления (мощностью до 35 м) экскрементов морских птиц (на островах и океанских побережьях) или летучих мышей (в пещерах). На островах Чинча, расположенных у берегов Латинской Америки, ежегодно накапливается слой гуано мощностью 8 см.

Таковы наиболее характерные типы фосфоритов. Происхождение их обсуждается уже много лет. Трудность проблемы заключается в том, что в фосфоритах редко сохраняются остатки сформировавших их организмов (костяные брекчии и оболовые песчаники представляют собой редкое исключение). Вместе с тем имеются убедительные доказательства того, что в круговороте фосфора живое вещество играет важную роль (рис. 15).

 

Рис. 15. Схема биогеохимического цикла фосфора (по Дювиньо, 1974): 1 – накопление фосфора высшими растениями; 2 – разложение необиогенного органического вещества; 3 – экскременты; 4 – эрозия; 5 – поступление в океан; 6 – вулканический апатит; 7 – осаждение на небольшой глубине; 8 – осаждение на значительных глубинах; 9 – переход в ископаемое состояние; 10 – вовлечение в биотический круговорот диатомовыми водорослями

 

Американский ученый Д. Мак‑Коннел насчитал 76 фосфорсодержащих минералов, образующихся, скорее всего, в результате деятельности живого вещества. Кости позвоночных содержат до 60% фосфата кальция. Еще больше его в раковинах беззамковых брахиопод (помимо Obolus и Schmidtia, к ним относится и ныне живущая Lingula). В планктоне в целом двуокиси фосфора содержится в 1000 раз больше, чем в морской воде. Богаты фосфором также чешуя и скелеты рыб. До 50% фосфата кальция содержат панцири ракообразных.

Концентрируется окись фосфора и в экскрементах. Так, в экскрементах морских животных содержание окиси фосфора в 3 раза выше, чем во вмещающих донных осадках. Важной «уликой» участия живого вещества в формировании фосфоритов является и высокий процент органики (до 36%) во многих фосфоритах. Залежи оболовых фосфоритов из‑за высокого содержания органики имеют настолько темный цвет, что похожи на угольные пласты.

В конце XIX – начале XX в. была выдвинута гипотеза об образовании фосфоритов в результате массовой гибели организмов (Дж. Меррей, Р. Ренар и Л. Кайе, А. Д. Архангельский). Весомым аргументом в пользу этой гипотезы являются костяные брекчии. В современных морях на некоторых участках морское дно покрыто слоем мертвых рыб и других животных по 2 м толщиной. Гипотеза Дж. Меррея долгое время подвергалась критике, однако сейчас показано, что в зонах апвеллинга массовые заморы рыбы происходят систематически с интервалом в несколько лет. Они‑то и могли привести к накоплению костяных брекчий.

Активным сторонником и пропагандистом идеи биогенного происхождения фосфоритов был Я. В. Самойлов. «Все месторождения фосфоритов, за самым небольшим исключением, органического происхождения, заключенный в них фосфор прошел через тело животного», – писал он. Действительно, копролиты часто встречаются в фосфоритах. Наиболее распространены мелкие копролиты, имеющие 0,2–1,0 мм в диаметре, но изредка попадаются и фосфатизированные копролиты крупных животных, например ихтиозавров.

Много нового в познание генезиса фосфоритов внесло исследование известным геохимиком, доктором геолого‑минералогических наук Глебом Николаевичем Батуриным современных фосфоритовых конкреций, обнаруженных в конце 60‑х – начале 70‑х годов на шельфах Юго‑Западной Африки, Чили и Перу. Оказалось, что современное фосфоритообразование в океанах локализовано главным образом в зонах апвеллингов (впервые догадку об этом высказал в 30‑е годы ученик Вернадского геохимик А. В. Казаков). Довольно четко при этом прослеживается зависимость интенсивности фосфатонакопления от биологической продуктивности. Основным первичным концентратором фосфора из морской воды является фитопланктон, а в осадок фосфор попадает главным образом в виде фекальных пеллет зоопланктона. Осадки в ходе диагенеза дегидратируются и постепенно преобразуются в плотные фосфатные зерна и желваки. Это явление, впервые описанное Г. Н. Батуриным, в 1984 г. было признано открытием и получило название «эффект Батурина»[74].

Подобный путь фосфоритообразования, видимо, не является специфическим только для современной эпохи. Однако среди древних фосфоритов распространены и другие типы, несопоставимые с современными.

Важнейшей эпохой древнего фосфоритонакопления была позднепротерозойско‑раннекембрийская. По мнению советских геологов А. Л. Яншина, А. В. Ильина, Э. А. Еганова и австралийских геологов П. Дж. Кука и Дж. Г. Шерголда, обстановки и условия фосфатонакопления того времени значительно отличались от современных. Содержание фосфора в морской воде было значительно выше, чем ныне. Среди живых организмов, обладающих скелетом, процент фосфатных организмов тогда был выше, чем когда‑либо. Фосфатонакопление происходило на шельфах в пределах эвфотической зоны (об этом свидетельствуют остатки водорослей в фосфоритоносной толще) и, видимо, не было связано с апвеллингом.

При формировании фосфатных пород (в частности, фосфоритов) наиболее ярко проявляется концентрационная функция живого вещества. И если при сжигании горючих ископаемых человечество использует энергию, накопленную живым веществом миллионы лет назад, то, удобряя фосфоритами поля, оно возвращает в биотический круговорот фосфор обитателей древних морей. Транспортная функция живого вещества – перемещение необиогенного вещества из моря на континент – проявляется при накоплении гуано.

Следующими группами осадочных пород являются железистые и марганцевые. Поскольку при их формировании живое вещество выполняет сходные функции, мы рассмотрим их совместно.

Железистые осадочные породы залегают в виде пластов, линз или гнезд. В докембрийской части метабиосферы широко распространены своеобразные метаморфические породы – железистые кварциты, или джеспилиты. Они представляют собой яснослоистые породы, в которых чередуются тонкие прослойки, в различной степени обогащенные железом и кремнеземом. Возраст джеспилитов около 2 млрд. лет.

Образование осадочных железистых и марганцевых руд фанерозоя происходило в морской или озерно‑болотной обстановке. «Вероятно, нет ни одного металла, в образовании больших скоплений которого жизнь играла бы такую роль, как для марганца, – сказал Вернадский в своем выступлении на Конференции по вопросам генезиса руд железа, марганца и алюминия в апреле 1935 г.[75] – Для кальция и железа точно так же биогенные образования отвечают наибольшим их природным массам, но для них наряду с концентрациями такого происхождения известны не меньшие скопления, связанные с магматическими процессами, совершенно независимые от биосферы. Ничего подобного неизвестно для марганца».

Марганцевыми обычно называют породы с содержанием окиси марганца больше 10%. Как и железистые породы, они залегают в форме пластов мощностью до 20 м и пластообразных или линзовидных залежей. Основные минералы марганцевых пород – окислы и гидроокислы марганца. Один из этих минералов назван в честь Владимира Ивановича вернадитом.

Вопрос о роли жизни в формировании железистых и марганцевых пород волнует геологов уже больше 100 лет. И может быть, ни в каком другом вопросе науки об осадочных породах борьба мнений не принимала такие острые, подчас драматические формы.

К. Г. Эренберг (это имя мы уже упоминали) еще в 1836 г. выявил в так называемых болотных (или озерных) железных рудах микробиогенные структуры. Бактерии, концентрирующие железо, были открыты в конце прошлого века. Великий русский микробиолог С. Н. Виноградский предложил для них название «железобактерии».

В январе 1947 г. на сессии Отделения геолого‑географических наук АН СССР выступил с докладом член‑корреспондент АН СССР Александр Григорьевич Вологдин (1896–1971). Вологдин рассказал, что, следуя совету академика В. Л. Комарова поискать в горных породах остатки древних бактерий или следы их деятельности, оп предпринял микроскопическое исследование широкого круга геологических объектов. В противоположность ранее предпринимавшимся попыткам Г. Молиша, Я. В. Самойлова и В. С. Буткевича Вологдину посчастливилось найти оруднелые остатки железобактерий в железистых и марганцевых породах.

Доклад А. Г. Вологдина вызвал суровую критику собравшихся. Докладчика упрекали в бездоказательности основных положений, в излишнем увлечении микроскопированием, в неубедительности фотографий микроорганизмов… И лишь четверть века спустя эта работа получила иную оценку.

«Гипотеза Вологдина была отвергнута геологами, как совершенно необоснованная, что отчасти можно объяснить неподготовленностью геологической аудитории к восприятию высказанных идей. Главной же причиной была, как нам кажется, нечеткость представленных автором микрофотографий и недостаточная изученность в то время флоры железобактерий. Многие из известных теперь представителей этой группы в 40‑х годах еще не были описаны, и поэтому обнаруженные автором микроподобные структуры не имели достаточно сходных в морфологическом отношении живых аналогов». Эти слова, сказанные в 1973 г., принадлежат известному микробиологу, доктору биологических наук Т. В. Аристовской.

Достигнуть значительного прогресса в области изучения железобактерий микробиологам удалось при исследованиях современного железомарганцевого рудообразования в лабораториях природы. Одной из таких природных лабораторий явились озера северо‑запада нашей страны. Озерные руды представляют собой конкреции, содержащие до 80% окислов железа и марганца. По размеру конкреций выделяют различные виды руд: пороховую, градовидную, гороховидную, монетную, тарелочную, лепешечную, щитовидную и др.

В 1926 г. при исследовании озерных руд Карелии было сделано выдающееся открытие. Оно принадлежит Борису Васильевичу Перфильеву (1891–1969), впоследствии профессору, лауреату Ленинской и Государственной премий.

В озерных рудах Б. В. Перфильеву удалось обнаружить несомненные бактериальные структуры, а в донных осадках – микрозональность, обусловленную различной интенсивностью деятельности железобактерий. Борис Васильевич высказал предположение, что и в прошлые геологические эпохи механизм накопления железа также был бактериальным.

Открытие Б. В. Перфильева послужило толчком для развития исследований по бактериогенному рудообразованию. Были описаны новые роды и виды железобактерий, принимающие участие в этом процессе. В 1936 г. Б. В. Перфильев описал новый род бактерий, который, по современным данным, играет основную роль в концентрации марганца и железа в донных осадках. Борис Васильевич именовал его «Metallogenium» – «рождающий металл». А другой исследователь, В. О. Калиненко в 1949 г. назвал один из новых видов железобактерий Leptothrix Wernadskyi.

В результате кропотливых работ микробиологов было установлено, что образование железомарганцевых конкреций в озерах и болотах происходит в два этапа. Сначала окисные соединения этих металлов восстанавливаются в донных осадках сульфатредуцирующими и другими бактериями, и восстановленные соединения железа и марганца поступают из ила в воду. На втором этапе происходит обратный процесс – железобактерии окисляют растворенные в придонной воде закисные соединения железа и марганца с образованием ферригидрита, вернадита и других минералов. Установлено, что образование вернадита возможно лишь при очень быстром окислении двухвалентного марганца до четырехвалентного – настолько быстрого, что осуществляться оно может только с участием живого вещества. При этом бактериогенное окисление железа и марганца происходит при столь низких их концентрациях в растворах, что хемогенное осаждение элементов исключается.

Другим естественным полигоном, где проводили исследования микробиологи, были области железомарганцевого конкрециообразования Мирового океана. На океанском дне на глубине от 4 до 6,5 км эти конкреции иногда образуют сплошной покров, напоминающий булыжную мостовую. Площадь, ими покрытая, составляет около 10% дна Мирового океана. Марганца в конкрециях около 25%, железа – около 15%; остальные 60% приходятся на долю кислорода, никеля, кобальта, меди и других 35 элементов таблицы Менделеева. Наравне с торфом, конкреционными фосфоритами и озерными железомарганцевыми рудами и в противоположность всем древним ископаемым это – возобновляемый источник сырья. Ежегодный прирост запасов железомарганцевых конкреций составляет миллионы тонн.

Океанские конкреции иногда считают абиогенными, однако исследования показали, что живое вещество играет важную роль в их формировании. Железо в водной толще интенсивно потребляется фитопланктоном. Осаждение железа и марганца в значительной мере осуществляется фильтрующими организмами планктонной и донной пленок жизни. Дальнейшее преобразование соединений этих элементов на дне морей и океанов производится бактериями, многочисленные чехлы которых были найдены в конкрециях.

На основании опыта этих исследований, накопленного за последние десятилетия, Т. В. Аристовская произвела ревизию выводов А. Г. Вологдина. Для изучения ею были выбраны образцы нескольких железистых минералов: лимонита, гетита и магнетита. Исследование производилось микроскопически в проходящем свете после специальной подготовки препаратов. Что же увидела Татьяна Вячеславовна?

Гетит и лимонит оказались полностью состоящими из железистых отложений, повторяющих очертания клеток замурованных в них железобактерий. Сравнивая микроскопическую структуру минеральных масс с формами роста железобактерий, можно было обнаружить черты сходства между остатками микроорганизмов, слагающих минералы, и фрагментами колоний некоторых современных бактерий. Магнетит же в противоположность гетиту и лимониту показал полное отсутствие бактериальной структуры.

Т. В. Аристовская изучала только железистые породы. Марганцевые руды палеогена месторождений Чиатуры и Тетрицкаро были исследованы ранее московским геологом, доктором геолого‑минералогических наук Лазарем Ефимовичем Штеренбергом. В препаратах из руд, обработанных щавелевой кислотой, Л. Е. Штеренберг также описал биогенные структуры, сходные с колониями уже известного нам рода Metallogenium.

Интенсивное исследование докембрийских железных руд различных районов СССР в настоящее время производится в Институте геологических наук АН УССР Владимиром Ивановичем Лазуренко. По его данным, количество найденных чехлов железобактерий в докембрийских рудах исчисляется тысячами. Рудные прослои в полосчатых рудах иногда оказываются нацело сложенными остатками железобактерий.

После этих работ А. Г. Вологдина, Т. В. Аристовской, Л. Е. Штеренберга и В. И. Лазуренко можно считать доказанным биогенное происхождение не только современных железомарганцевых руд, но и их древних аналогов, включая докембрийские джеспилиты. При этом показано, что образование биогенного вещества железистых и марганцевых руд происходит несколько иначе, чем карбонатных, кремнистых и фосфатных пород: решающую роль здесь играет не планктонная, а донная пленка жизни. Однако по условиям формирования они сходны: во всех случаях накопление биогенного вещества происходит в водных экосистемах – в континентальных водоемах или в море; определяющую роль на стадии седиментогенеза и диагенеза играет концентрационная функция живого вещества.

Вопрос о роли жизни в формировании аллитов и солей остается более дискуссионным.

Аллитами, или глиноземистыми породами, называют горные породы, богатые свободным окислом алюминия (глиноземом). К их числу относится алюминиевое сырье – бокситы, горная порода, состоящая в основном из минералов гидроокиси алюминия. Как и фосфориты, бокситы очень разнообразны по своему внешнему виду. Известны бокситы черного, белого, желтого, красного и вишневого цветов, пористые и плотные, глинистые и песчаные. На первом курсе вуза на практических занятиях по общей геологии студентам в составе учебной коллекции иногда подсовывают битый кирпич – и неофиты от геологии дружно определяют его как боксит. Когда‑то такой грех случился и со мной…

Название «бокситы» связано отнюдь не с популярным видом спорта, а с местечком Бо на юге Франции, где бокситы впервые были найдены в 1821 г. Согласно господствующей точке зрения бокситы представляют собой ископаемую кору выветривания пород алюмосиликатного состава или продукты ее переотложения. Первые сведения о том, что расщепление алюмосиликатов может осуществляться биогенно за счет деятельности диатомовых водорослей, были получены экспериментально английскими учеными Дж. Мерреем и Р. Ирвином еще в конце прошлого века. Впоследствии В. И. Вернадский[76] и его ученики А. П. Виноградов и Е. А. Бойченко повторили эти эксперименты. Их результаты не оставляли места для сомнений: диатомовые водоросли действительно расщепляют алюмосиликаты и используют кремнезем для построения своих панцирей; глинозем же остается в водной среде в виде коллоидного раствора. Еще в самом начале нашего века В. И. Вернадский сделал вывод о большом, порообразующем значении этого процесса[77].

Бокситы, как известно, содержат значительное количество окиси железа. Поэтому в 1903 г. Т. Холландом было высказано предположение, что процесс формирования бокситов может быть связан с деятельностью железобактерий. Однако это было только предположением, не подтвержденным фактическим материалом – до тех пор, пока А. Г. Вологдин не обратил внимание на то, что остатки железобактерий, помимо железистых пород, имеют широкое распространение и в аллитах, где они составляют до 40–45% объема породы.

Прошло еще несколько десятилетий, и во Всесоюзном геологическом институте им. А. П. Карпинского стали проводиться эксперименты по биогенному разложению вулканических пород бактериями. На основании этих опытов Л. Е. Крамаренко и О. Ф. Сафонова сделали вывод: в присутствии микроорганизмов полное превращение габбро‑лабрадорита в глинозем в аэробной среде происходит за один год, а в анаэробной – за 7 лет. В анаэробной среде отложения глинозема без участия микроорганизмов вообще не происходит. Итак, один из возможных путей образования бокситов – разложение абиогенного вещества непосредственно микроорганизмами.

Однако выветривание первичных пород живое вещество регулирует и опосредствованно – продуктами своего опада (необиогенным органическим веществом). Исследования почвоведов показали, что в современном выветривании в зоне муссонного климата органическое вещество гниющей подстилки тропического леса играет огромную роль. На этом основании известный советский геолог, вице‑президент АН СССР, академик Александр Леонидович Яншин делает вывод, что «главная эпоха бокситообразования, эпоха разрушения горных пород, при котором кремнезем выносится, а глинозем остается в коре выветривания, образуя крупные месторождения алюминиевых руд – бокситов, могла наступить только после появления покрытосеменной растительности, примерно 100 млн. лет назад. С появлением покрытосеменных и образованием формации тропического леса почва в низких широтах стала получать кислоты, которых раньше в ней не было. Поэтому поиски бокситов в более древних корах выветривания, очевидно, будут малорезультативными».

Так учение в роли жизни в геологических процессах помогает геологам искать рудные залежи в отложениях определенного возраста.

Помимо деструктивной, при формировании бокситов проявляется и концентрационная функция живого вещества: известно, что некоторые растения накапливают алюминий (например, зола плаунов содержит его до 30%). Геологический аспект этой проблемы первым осознал академик Лев Семенович Берг (1876–1950), человек, чью специальность определить нелегко. Он был географом и ихтиологом, биологом‑теоретиком и историком науки. Геологом Л. С. Берга обычно не считают, но среди его работ есть и такие: «О предполагаемой периодичности в образовании осадочных пород (1944), «Жизнь и почвообразование на докембрийских материках» (1944), «О происхождении уральских бокситов» (1945), «Почвы и водные осадочные породы» (1945), «О происхождении железных руд типа криворожских» (1947), «Солнечная активность в геологическом прошлом» (1947)… Этими работами Л. С. Берг вписал свое имя и в анналы геологической науки.

Лев Семенович предполагал, что бокситы могли образоваться путем минерализации и переотложения остатков высших растений, содержащих значительное количество глинозема. Отложение бокситов, по мнению Берга, происходило на суше, в болотах или в мелких заболоченных пресноводных водоемах. Эти соображения у геологов долго не находили понимания.

Неожиданная поддержка пришла со стороны микробиологов.

Алюминий, как известно, образует в теле растений комплексные алюмоорганические соединения. Т. В. Аристовская и Л. В. Зыкина экспериментально изучили разложение соединений такого рода под действием железобактерии Metallogenium и установили, что в этом случае происходит осаждение гидроокиси алюминия. «Рождающая металл» бактерия оказалась способной производить руды не только железа и марганца, но и алюминия. С полным основанием авторы заключили: «Мы полагаем, что обнаруженные нами явления могут послужить ключом к разгадке бокситообразования».

Для проверки этой гипотезы Т. В. Аристовская изучила образцы современных и древних бокситов. Из современных латеритных бокситов Гавайских островов была выделена культура Metallogenium, развивающаяся в симбиозе с пенициллиновым грибком. Изученные образцы древних бокситов жизнеспособных микробных клеток не содержали, однако в массовых количествах в них были обнаружены фоссилизированные клетки, морфологически сходные с бактериальными.

Эти факты могут служить серьезными аргументами возможности биогенного образования бокситов. Ярлык «хемогенная порода» с бокситов, видимо, придется снимать.

К чисто хемогенным образованиям обычно относят соли – осадочные породы, состоящие из легко растворимых в воде минералов. Бесспорно, что процесс выпаривания насыщенных растворов и кристаллизации солей – этот эффектный процесс, который мы помним со школьных лет, – происходит абиогенно. Однако откуда берутся соли в природном растворе?

В аридных районах, где происходит соленакопление, растения характеризуются высоким содержанием золы (до 40–55%) и необычным ее составом. Содержание натрия в золе иногда составляет 65%, хлора – до 48, SO₄²⁻ – до 36, магния – до 4,5%. Сбрасывая листву, растения засоляют почву. При разложении отмершей органики NaCl, Na₂SO₄, MgCl₂ выщелачиваются, мигрируют с водами поверхностного и подземного стока и собираются в бессточных впадинах или в Мировом океане. По подсчетам В. А. Ковды (1944), 16 млн. т солей (половина всего солевого привноса) в Аральское море поступает ежегодно из необиогенного вещества. Жизнь сбрасывает туда ненужный ей избыток солей – хлоридов и сульфатов. Эти соли выпадают абиогенно из пересыщенных растворов в соленых озерах или в отшнурованных от моря лагунах. Таким же путем образуются и отложения соды – с той лишь разницей, что натрий в этом случае в процессе миграции связывается с углекислотой воздуха. Что же касается калия, то он в процессе миграции быстро перехватывается живым веществом. Поэтому при наличии развитого растительного покрова крупные месторождения калийных солей таким путем формироваться не могут. Приуроченность крупнейшего в Союзе месторождения калийных солей – Непского – к кембрийским отложениям обусловлено, по мнению А. Л. Яншина, именно отсутствием в то время наземной растительности.

Мы рассмотрели последовательно восемь групп осадочных пород и везде находили в той или иной форме проявления деятельности живого вещества. Из всех существующих групп остались только две – обломочные и глинистые. Эти группы, как известно, образуются в результате выветривания и переотложения первичных вулканических, а также осадочных пород. Какую роль играет в этих процессах живое вещество, мы рассмотрели в предыдущей главе.

Могут ли обломочные и глинистые породы образоваться при отсутствии живого вещества? Вряд ли. Для глин это практически исключено: они слишком дисперсны, чтобы какой‑либо другой механизм, помимо живого вещества, мог обеспечить столь мелкий размер слагающих их частиц («Мы не имеем на земле более могучего дробителя материи, чем живое вещество» – эти слова Вернадского хорошо известны). Они слишком дисперсны и для того, чтобы выпадать в осадок без участия живого вещества: накопление глинистых пород в биосфере происходит путем биоседиментации. При этом каждая глинистая частица неоднократно проходила через «кишечную тюрьму» многоклеточных животных. В поэтической форме эту особенность глинистых пород выразил еще Омар Хайям:

 

Я к гончару зашел: он за комком комок

Клал глину влажную на круглый свой станок.

Лепил он горлышки и ручки для сосудов

Из царских черепов и из пастушьих ног.

 

Что касается обломочных пород, то возможно, что какая‑то их часть и могла образоваться абиогенно – однако, видимо, лишь наиболее грубообломочные породы.

Итак, осадочная оболочка Земли сложена горными породами, в формировании которых в той или иной форме участвовало живое вещество. Часть горных пород сложена остатками когда‑то живших на Земле организмов. Это карбонатные, кремнистые породы и каустобиолиты, а частично – и фосфатные породы. Продуктами метаболизма живых организмов образованы другие горные породы – железистые и марганцевые. Наконец, для третьих роль живого вещества осуществлялась главным образом в форме деструктивной функции на стадии гипергенеза. Таковы аллиты, соли, обломочные и глинистые породы.

Однако влияние жизни на формирование земной коры не ограничивается только осадочной оболочкой. Вернадский писал: «Если количество живого вещества теряется перед косной и биокосной массами биосферы, то биогенные породы (т. е. созданные живым веществом) составляют огромную часть ее массы, идут далеко за пределы биосферы. Учитывая явление метаморфизма, они превращаются, теряя всякие следы жизни, в гранитную оболочку, выходят из биосферы. Гранитная оболочка земли есть область былых биосфер»[78].

Идея В. И. Вернадского о гранитной оболочке как области былых биосфер его современникам казалась парадоксальной. Лишь постепенно осваивалась она геологической наукой. В 60‑е годы, опираясь на идеи В. И. Вернадского, известный норвежский петрограф и геохимик Т. Ф. В. Барт (1899–1971) приходит к выводу, что «все породы, которые мы видим сегодня, когда‑то были осадками… Породы видоизменялись плутонизмом, метаморфизмом, метасоматизмом, они были по крайней мере часто переплавлены и находились в форме магм и лав, но когда‑то в прошлом они образовались из осадков». Осадки же, как мы уже установили, на протяжении всей геологической истории Земли формировались при активном участии живого вещества в условиях биосферы.

Концепция новой глобальной тектоники, появившаяся в последние десятилетия, показала возможный механизм формирования гранитного слоя земной коры из осадочных пород. Согласно этим представлениям земная кора океанов, подобно ленте конвейера, движется от океанических хребтов к материкам. На эту ленту и отлагаются осадки, которые, постепенно поддвигаясь под континенты, подвергаются там процессам метаморфических преобразований. В результате этих процессов следы деятельности живого вещества в метаморфических породах утрачиваются. Требуется «снятие метаморфизма», чтобы расшифровать первично‑осадочную природу древнейших метаморфических пород. Больших успехов в этом отношении достигли геологи школы академика А. В. Сидоренко (1917–1982).

Если почвенный покров Земли формируется деятельностью современного нам (в геологическом смысле) живого вещества, то метабиосф