В породах раннего протерозоя, имеющих возраст 2,22–2,06 млрд лет, геологи фиксируют резкий рост содержания изотопа углерода 13С. Эта аномалия, которую назвали событием Ломагунди, есть в осадочных породах по всей Земле. В целом она совпадает по времени с так называемой кислородной революцией, когда в атмосфере Земли резко выросло содержание кислорода.
Традиционно считается, что после окончания события Ломагунди, когда изотопное отношение13C/12C восстановилось, уровень кислорода упал и оставался низким на протяжении миллиарда лет, вплоть до неопротерозоя. Однако недавнее исследование показывает, что шунгиты — черные сланцы заонежской свиты в Карелии возрастом 1,98 млрд лет — содержат высокие концентрации молибдена, урана и рения. Эти металлы являются индикаторами окислительной среды, а значит океаны оставались насыщенными кислородом еще многие миллионы лет после окончания кислородной революции и события Ломагунди.
В природе углерод присутствует в виде двух стабильных изотопов: 12C и 13C. На первый приходится 98,93% всего углерода, а на второй — 1,07%. В большинстве пород это соотношение сохраняется, но бывают отклонения. Для количественной оценки таких отклонений используется изотопный коэффициент δ13С показывающий, насколько изотопная подпись углерода (отношение 13C/12C) в породах отличается от этого отношения в стандартном образце. Обычно эти отклонения не очень большие и носят локальный характер. Но был в истории Земли период, для которого во всех морских осадочных породах фиксируются повышенные значения 13C. Это случилось в палеопротерозое, 2,3–2,1 млрд лет назад.
Предполагается, что этот всплеск содержания тяжелого изотопа углерода в осадочных породах, получивший название «событие Ломагунди» (Lomagundi Carbon Isotope Excursion), был связан с бурным развитием в этот период цианобактерий. Известно, что легкий изотоп углерода 12С обладает преимуществом при вхождении в состав живых организмов, поэтому в период, когда на планете началось формирование большого количества организмов, легкий углерод выводился из морской воды, а оседавшие на дно осадки были относительно обогащены тяжелым изотопом 13C (подробнее о событии Ломагунди см. в статье Кислородная революция и событие Ломагунди связаны с тектоническими процессами в раннем протерозое, «Элементы», 27.12.2019).
Неудивительно, что событие Ломагунди в целом совпадает по времени с так называемой кислородной революцией — резким ростом содержания кислорода в атмосфере Земли в начале протерозоя (см. «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014).
Считается, что формирование огромного количества первичной биомассы сдвинуло изотопную подпись углерода, а затем, после завершения кислородной революции, баланс восстановился и больше уже никогда не нарушался. Однако традиционное объяснение корреляции кривых парциального давления кислорода в атмосфере и изотопного коэффициента 13С в протерозое плохо согласуется с фактом отсутствия среди раннепротерозойских пород осадочных отложений с большим количеством органического углерода, а также с тем, что геохимические циклы углерода и кислорода подчиняются разным закономерностям.
Чтобы разобраться, какой была среда в океане непосредственно после окончания события Ломагунди, международная группа ученых во главе с Куртом Конхаузером (Kurt Konhauser) из Университета Альберты в Канаде и Калле Кирсимяэ (Kalle Kirsimäe) из Тартуского университета в Эстонии изучила богатые углеродом первично осадочные породы заонежской свиты в Карелии на северо-западе России, возраст которой составляет 1,98 млрд лет. То есть, по данным абсолютного датирования, выполненного уран-свинцовым методом, она образовалась через 80 млн лет после окончания события Ломагунди.
Это подтверждается и изотопными анализами углерода. В породах заонежской свиты δ13С примерно равен 0‰ (нормальное значение), а в подстилающей туломозерской свите значение этого изотопного коэффициента — повышенное (более 8‰), как и положено породам, образовавшимся в период события Ломагунди.
Всего ученые исследовали 210 метров керна осадочных отложений палеопротерозоя, охватывающих период несколько десятков миллионов лет. Эти отложения, относящиеся к заонежской свите, представлены аргиллитами и доломитамис прослоями шунгитов — пород типа черных сланцев, формировавшихся, как правило, в обстановке резкого снижения уровня кислорода (подробнее о черных сланцах см. Верхний слой океана в позднем архее местами уже был обогащен кислородом.
Общее содержание органического углерода Сorg в породах заонежской свиты составляет 14,5–27,4% — примерно столько же, сколько в современных морских отложениях. Но особое внимание авторов привлекли аномально высокие для черных сланцев концентрации в шунгитах металлов, являющихся индикаторами окислительно-восстановительной обстановки осадконакопления — молибдена (до 1009 мкг/г), урана (до 238 мкг/г) и рения (до 516 нг/г).
Первичные источники металлов-индикаторов в морских осадочных отложениях — минералы наземных пород, такие как пирит или уранинит, из которых металлы высвобождаются в процессе выветривания. При разрушении этих пород из-за выветривания металлы поступали в океан вместе с речным стоком и оставались в морской воде в растворенном виде до тех пор, пока не попадали в восстановительную среду и осаждались.
Основываясь на том факте, что из всех палеопротерозойских морских пород металлы-индикаторы концентрируются только в шунгитах, авторы предполагают, что в основном толща океанской воды 2,0–1,9 млрд лет назад — в то время, когда закончились и событие Ломагунди, и кислородная революция, — была все еще насыщена кислородом практически на уровне современных океанов. Исключение составляли лишь локальные бескислородные карманы, где формировались шунгиты и где шло осаждение Mo, U и Re.
Необычно высокими в шунгитах оказались и значения изотопного отношения 238U (отклонение изотопной подписи 238U/235U в породе от подобного отношения в стандартном образце), которое традиционно служит редокс-индикатором среды Мирового океана. Значения этого коэффициента в изученных породах, лежащие в интервале от −0,03‰ до 0,79‰ указывают на то, что в период накопления осадков заонежской свиты толща воды была насыщена кислородом.
Значения изотопного коэффициента 238U имеют обратную корреляцию как с уровнем кислотности среды, так и с биологической продуктивностью, отражающейся в объемах накопленной массы органического углерода. Например, в современном Черном море, где биологическая продуктивность очень низкая, значение 238U очень высокое и равно примерно 0,8‰ (M. B. Andersen et al., 2014.A modern framework for the interpretation of 238U/235U in studies of ancient ocean redox). Так как шунгитовые сланцы заонежской свиты богаты органическим углеродом (то есть в период их накопления биологическая продуктивность была высокой), остается только одно объяснение высоких значений 238U: кислородная среда океана.
Ранее ни в одном исследовании не сообщалось о таких высоких показателях содержания металлов-индикаторов и значении δ238U в обогащенных органическим углеродом протерозойских черных сланцах. Значения такого уровня фиксировались только в фанерозойских породах, являясь свидетельством глубокой оксигенации (насыщения кислородом) океана, возникающей вследствие его взаимодействия с атмосферой (C. T. Reinhard et al., 2013. Proterozoic ocean redox and biogeochemical stasis) (рис. 2).
Содержание органического углерода в шунгитах определялось на анализаторе LECO CS 444 путем сжигания образца в индуктивной печи при подаче кислорода. Концентрации металлов были получены методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP–MS), а значения δ238U — методом многоколлекторной масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (MC–ICP–MS).
Результаты исследования ставят под сомнение общепринятое мнение о том, что после кислородного всплеска в начале протерозоя на Земле наступил «бескислородный» период, продолжавшийся около миллиарда лет, вплоть донеопротерозоя. Авторы считают, что и после окончания события Ломагунди в атмосфере оставалось достаточно кислорода, и продолжалась атмосферная оксигенация океана, воды которого были насыщены кислородом до середины палеопротерозоя, хотя и отмечают, что это могло касаться не всего Мирового океана, а только локального бассейна, в котором накапливались отложения заонежской свиты.
Тем не менее, ученые отмечают, что сохранение как минимум до середины палеопротерозоя оксигенированных бассейнов могло иметь решающее значение для эволюции жизни на Земле. Палеопротерозой — это время появления первыхэукариот — предшественников всей сложной жизни, для развития которой необходим высокий уровень кислорода в окружающей среде.
Данное исследование показывает, что кислородные условия в палеопротерозое сохранялись значительно дольше, чем считалось ранее, а значит, у первых эукариот было значительно больше времени для появления и ранней эволюции.