Природа раннего палеозоя
В структуре раннего палеозоя выделяют кембрийский, ордовикский и силурийский периоды. Проблематичен здесь вендский период – переходный период между рифеем и кембрием. До 1952 г. считалось, что в это время был длительный перерыв. «Венд» – название от древних племен вендов или венедов, обитавших в районе Прибалтики. По наличию в отложениях высокоорганизованных животных и растений вендский период следует отнести к палеозою, т. к. в рифее не наблюдаются такие формы организации жизни. Кроме того, в венде начинается трансгрессия морей, достигшая максимума в кембрии, поэтому вендские отложения несогласно залегают на рифейских и постепенно переходят в кембрийские.
Впервые венд был выделен Соколовым Б. С. Он имеет мощность от 200–500 до 2000 м. Фауна венда впервые была описана М. Глесспером из кварцитов Паунд (Австралия) под названием эдиакарская. Это были мягкотелые бесскелетные многоклеточные животные, представители трех типов: 1) стрекающие, 2) черви, 3) членистоногие. В дальнейшем фауна подобного типа была обнаружена на берегу Белого моря, на р. Оленек, на Ньюфаундленде, в Англии, Швеции, в Африке. Здесь же выявлены и макроостатки растений – вендотенидов и фитопланктон.
Разрез венда начинается эпохой материковых оледенений и образованием тиллитов (лапландское-варангерское оледенение). Оно имело планетарное значение, как и последовавшее за ним потепление, которое вызвало огромную трансгрессию морей.
Палинспастические (палеомагнитные) реконструкции дают следующие закономерности распределения отложений и климатической зональности. В Южном полушарии находились Европа (Оршанская впадина) и Северная Африка, где распространены тиллиты, а в Северном полушарии – Сибирь и Австралия, где также найдены тиллиты. По распространению тиллитов, акваморен, мариногляциальных образований и отложений, связанных с ледниковыми осадками, оконтуриваются северная и южная области с нивальным или близким к нему климатом. Это было покровное оледенение на суше и на море. Оно было кратковременным.
Между областями с нивальным климатом располагались участки суши с тропическим и экваториальным климатом – Антарктида, Китай, Индостан, Восточная Сибирь, Аравия, Восточная и Юго-Восточная Азия. В перечисленных регионах в раннем венде формировались высокомагнезиальные карбонаты, в мелководных областях - похожие на рифы органогенные постройки. Везде были глинистые толщи с каолинитом (Al4(OH)8 [Si4O10]).
Переходными являлись области с умеренным климатом, где отлагались терригенные толщи – песчаники.
Причины оледенений разные: снижение уровня СО2 в атмосфере, поднятие суши, изменение интенсивности солнечной радиации, гравитационного и магнитного полей.
Во второй половине венда происходит таяние ледников и очень обширная трансгрессия моря. Изменились ландшафтно-климатические условия. Началось накопление карбонатно-терригенных и карбонатно-эвапоритовых отложений, свидетельствующее о повышении температуры воздуха до 35–45 ºС. О высокой температуре воздуха говорят биогермные рифоподобные массивы и данные изотопной палеотермометрии. Многие исследователи полагают, что в это время появился в атмосфере свободный кислород (О2) объемом 0,2 % от состава атмосферы. Это точка Пастера, с которой начинается существование животных, дышащих кислородом. Однако точка Пастера была достигнута, вероятно, еще в рифее (»1500 млн лет), когда возникли эукариотные организмы с кислородным метаболизмом и органами дыхания.
В условиях жаркого климата при наличии питания развивалась высокоорганизованная фауна и флора. Животные не имели скелета и хорошо сохранились в ископаемом состоянии. Это свидетельствует о том, что биоценотические связи были несложными – пищевые цепи короткие, а животные редуценты (диструкторы) отсутствовали вообще, т. к. осадки сравнительно слабо биологически переработаны. В них сохранились нетронутыми многие животные и растения. Эдиакарско-беломорская фауна характеризовалась гигантизмом. Встречаются отпечатки медузоид диаметром более 0,5 м, плоские черви дикенсонии и колониальные полипы чарнииды достигали 1,0 м в длину. Гигантизм – тупиковая ветвь в эволюции, поэтому многие животные венда не имели прямых потомков в кембрии. Более мелкие бесскелетные формы могли дать вспышку скелетных беспозвоночных в начале кембрия, т. к. в конце венда появились мелкие формы с хитиновидным или минеральным скелетом. Видообразование в группах было низким.
Растительный мир представлен был вендотенидами, которые устилали слоями большие пространства в виде циновок. Фитопланктон обладал сфероидальными и вытянутыми формами. Обнаружены актиномицеты и грибы. Очень богат и разнообразен был мелкий фитопланктон.
Кембрийский периодназван римским наименованием Уэльса – Cambria англичанином А. Седжвиком в 1935 г. Нижняя граница проводится по появлению скелетных организмов – мелких хиолитид (моллюски), беззамковых брахиопод, губок, археоциат, гастропод и трилобитов.
В кембрии продолжилось формирование Гондваны. Материки, смыкаясь между собой, образовали складчатые и вулканические поднятия и предгорные прогибы, которые заполнялись молласами. Благодаря байкальскому орогенезу в конце рифея к Гондване с севера присоединилась большая суша – Перигондванская платформа (Южная и Центральная Европа, Турция, Аравийский полуостров, Иран, юг Афганистана). Преобладала денудация и только по окраинам – юг Африки, Австралия, наблюдалась трансгрессия морей и накопление осадков.
Северная группа континентов испытывала процесс спрединга и образования палеокеанов. Протоатлантический океан (океан Япетус) отделил Северную Америку и Гренландию от Европы (Лаврентию от Балтики – Фенносарматии). Палеоазиатский океан отделил Восточную Европу от Восточной Сибири и последнюю от Китайской платформы. Палеотетис разделил южную и северную группу материков. Материки располагались в основном в районе экватора или в тропических широтах. Гондвана простиралась по обе стороны экватора, но в основном в Южном полушарии. Северная Америка находилась на экваторе, Восточная Европа и Сибирь – в Южном полушарии в умеренном и тропических поясах соответственно, Китайская платформа располагалась в средних широтах Северного полушария. Географическое местоположение способствовало господству теплого климата и полному исчезновению вендского покровного оледенения. В кембрии формируется тропический тип климата в двух вариантах – тропический влажный (гумидный) и тропический аридный (сухой) по типу современной циркуляции атмосферы в тропиках. Лишь только юг Гондваны (северо-запад Африки и северо-восток Южной Америки), которая располагалась вблизи Южного полюса, имел условия более прохладные.
Жаркий аридный климат размещался двумя поясами в Южном и Северном полушариях. В пределах этих поясов накапливались эвапоритовые и сульфатно-карбонатные формации – гипсы, каменные соли, доломиты, красноцветные песчаники, сланцы. В песчано-глинистых отложениях преобладали пролювий и эоловые фации, где много карбонатных и гипсовых конкреций, а на поверхностях напластований – трещины усыхания. Формируются фосфориты.
В гумидных тропических условиях на экваторе наблюдалось повсеместное развитие оолитовых и органогенных известняков, а также большое число крупных биогермных массивов – археоциатово-водорослевых рифов. Присутствуют коры выветривания каолинитово-гидрослюдистого типа (Al4(OH)8 [Si4O10]) и толщи кварцевых песков и кварцитов.
В конце кембрия прекращается накопление галогенных осадков, сокращается объем доломитов, резко убывает рифообразование и увеличивается поступление терригенного материала. Все это свидетельствует о более гумидном климате, о возросшей денудации.
Органический мир кембрия уникален появлением скелетных организмов и разнообразием животного мира морей и океанов. На суше, как и в докембрии, существовали примитивные одноклеточные водоросли и бактерии. Главную роль в водных палеоценозах играли археоциаты – тип животных, близкий к губкам. Археоциаты жили только в кембрии. Это были прикрепленные бентосные животные мелководных теплых морей. Вместе с водорослями они образовывали рифовые постройки. Широко распространены были в раннем кембрии, а к концу – вымерли. Были представлены одностенными и двухстенными, одиночными и колониальными формами.
Второй группой животных кембрия стали трилобиты – членистоногие, близкие ракообразным. Это морские животные, которые передвигались по дну и зарывались в ил. Их расцвет приходится на период усиления терригенных отложений в составе морских осадков. Происходит сдвиг в составе фауны мелководья: археоциаты–рифообразователи уступают место трилобитам–«илокопателям». Некоторые из трилобитов были планктонными формами, но при этом имели длинные шипы. В раннем кембрии обитали представители рода Olenellus, в среднем – Pagetia, а в позднем – Agnostus и Olenus. С трилобитами обитали острокоды – типичные ракообразные.
В фауне кембрия развивались брахиоподы – плеченогие. Большинство из них беззамковые – Obolus, Kutorgina, мелкие с хитиново-фосфатной или известковистой раковиной. Все формы бентосные с разновеликими створками раковин.
В фауне было много стрекающих животных – медуз, найдены первые примитивные иглокожие, а также много одноклеточных животных – фораминиферы, радиолярии и примитивные многоклеточные животные – губки.
Растения были представлены цианеями, зелеными водорослями и багрянками.
Металлическими полезными ископаемыми венд и кембрий бедны. В целом рудные полезные ископаемые сравнительно редки, а размеры месторождений невелики.
Ранний кембрий – одна из крупнейших эпох накопления фосфоритов и солей в истории Земли. Фосфоритоносные бассейны (Ca5(PO4)3(F, OH, Cl)) Каратау (Казахстан), Юньнань (Китай), на севере Вьетнама образовались в кембрие. Соли кембрия по масштабам сопоставимы с солеродными эпохами девона и перьми – Лено-Вилюйский бассейн и бассейн Пакистана.
Ордовикский периодустановлен Ч. Лэпвортом в 1879 г., а официально признан геологическим Конгрессом в 1960 г. Относился к нижнему силуру. Продолжительность периода около 67 млн лет. Начало периода определяют в 495, 500 и 505 млн лет, а конец – 443, 435, 438. Назван период по племени ордовиков, населявших в древности Уэльс.
В ордовике суперконтинент Гондвана стал смещаться к югу и разворачиваться вокруг своей оси. К концу ордовика Гондвана располагалась в основном уже в южной околополярной области и Южный полюс находился в Северной Африке и на территории Перигондванской платформы (нынешняя Франция, Шотландия). Большая часть Гондваны была сушей или незначительно покрывалась мелководными морями. В связи с этим Гондвана была областью денудации, формировались коры выветривания, грубообломочные отложения, терригенные осадки в континентальных морях.
Континенты северной группы – Северная Америка, Восточная Европа, Восточная Сибирь, Корейско-Китайский, Казахстанский – продолжали расходиться между собой – процесс спрединга. При этом противоположные части континентов испытывали субдукцию и формирование окраинных вулканических дуг – на Палеопацифике это Кордильеры, в Палеоазиатском океане – Урал, в Палеотетисе – Тян-Шань, Алтайско-Саянская система. Формируются геосинклинали. Значительная часть материков была занята глубокими морями. Осадки в зависимости от активности геосинклиналей представлены терригенными фациями, но до 80 % объема осадков – доломиты, известняки, глины, граптолитовые сланцы, т. е. идет спокойное развитие с накоплением отложений мощностью 3–6 км.
В ордовике климат испытывал колебания. Продолжается циркуляция воздушных масс от экватора к тропикам и формирование экваториального и тропического типов климата. Движение северных континентов шло вдоль экватора, поэтому климат здесь был теплым и по мере удаления блоков суши, становился более гумидным (влажным) – талассократический эффект.
Гондвана, продвигаясь на юг, формировала контрастность климата – от тропического до умеренного с одновременным понижением температур, возникновением в полярных районах ледниковых шапок и развитием обширного покровного оледенения.
В пределах тропиков формировался влажно-тропический климат и аридно-тропический. В этих условиях формировались латеритные и каолиновые коры выветривания, мощные толщи интенсивного карбонатонакопления, сульфато-карбонатные и соленосные осадки, рифовые постройки. В морях обитала теплолюбивая фауна, которая начала обосабливаться в отдельные фаунистические области – на севере Канадско-Сибирская, а на юге – Казахстано-Аппалачская. Палеозоогеографические области имели своих эндемиков – трилобитов, наутилусовидных моллюсков, граптолитов.
По обе стороны от гумидного тропического климата существовал аридный климат – в пределах 30 °с. и ю. широт. Отложения становятся доломитовыми, отмечается высокое содержание гипсов и солей. Это были районы северо-запада Канады, Восточная Сибирь на севере и Южный Китай, Индокитай, Прибалтика и юг Скандинавии – на юге.
В гумидных тропиках откладывались оолитовые железные руды Скандинавии, Бретани, Нормандии, а также известняки и каолинитовые глины.
В холодном климате Гондваны сформировались тиллиты, водно-ледниковые пески и захороненные ледниковые долины с хорошо отполированными днищами. Оледенение в Сахаре и в Бразилии было материковым, а в Южной Африке и на Аравийском полуострове – горно-долинным.
Похолодание в верхнем ордовике значительно сузило тропическую зону (за счет плотности вод океанов), снизилось увлажнение и уровень океанов. Это сказалось на отложениях – сократились площади карбонатонакопления, обеднились фаунистические комплексы, расширилось терригенное осадконакопление, а в перигляциальной зоне появилось много аркозовых (кварц, полевой шпат, слюды) песчаников.
Самым интересным событием в палеогеографии ордовика являются находки остатков спор растений, что свидетельствует о существовании наземных растений на прибрежных сильно заболоченных низменностях.
Символом животного мира в морских бассейнах ордовика стали граптолиты. Это тип полухордовых животных, которые вели планктонный образ жизни или прикреплялись к водорослям. Имели ветвистое строение (древовидное) с общей осью для всех особей, поэтому напоминали перья птиц, пилообразную иглу, концентрические звездочки. В ископаемом состоянии встречаются в темных битуминизированных глинистых сланцах.
Продолжали существовать более организованные трилобиты. Они могли сворачиваться в клубочек, как ежики. Многие за счет хвостового отдела научились плавать. Преобладали переднещечные трилобиты и слепые – двухсегментные маленькие животные – агностиды.
Развивались животные рифообразователи – четырехлучевые кораллы (ругозы), табуляты, водоросли, мшанки, морские ежи. Существовали брахиоподы беззамковые с хитиново-фосфатной раковиной и замковые с известковой раковиной. Появились хищники – головоногие (Cephalopodae) моллюски-наутилоиды, которые вели активный образ жизни. Они имели прямую или слегка изогнутую раковину длиной 2–3 м. В морях много было одноклеточных и многоклеточных организмов – фораминифер, радиолярий, остракод, червей, бесчелюстных рыбообразных организмов.
Полезные ископаемые ордовика небогаты. Это в основном битуминизированные отложения. Нефть в Канзасе и Оклахоме (США), горючие сланцы Эстонии имеют ордовикское происхождение. С тропическими условиями связаны оолитовые железные руды осадочного происхождения в Скандинавии, Аргентине и на Ньюфаундленде. В аридных условиях образовались фосфориты Сибири и Восточной Европы, бокситы Китая и Казахстана, а также осадочный уран Швеции. Магматизма было мало в ордовике, поэтому месторождений этого типа несколько. Это никель и кобальт в Норвегии, полиметаллы Салаирского кряжа и золото Казахстана.
Силурийский периодвыделен в 1835 г. Р. Мурчисоном в Уэльсе и назван по названию древнего кельтского племени силуров. Только в 1960 г. силурийская система была утверждена в современном объеме. Это очень короткий период – около 30 млн лет. Начало периода определено датами 435, 438 млн лет, а окончание – 405, 408, 410 млн лет назад.
В раннем силуре Гондвана все еще находится в Южном полушарии в его высоких широтах. Но оледенение в позднем ордовике создало условия повышения концентрации СО2 в водах океана из-за образования льдов. СО2 стал поступать в атмосферу, где его увеличение стало повышать температуру воздуха и вызвало таяние льдов. Уровень океана стал повышаться, началась большая трансгрессия моря в силуре на всех континентах, за исключением Северной Америки. В эпиконтинентальных морях была нормальная соленость, т. к. они широко сообщались с океанами. В пределах морей формировались тонкотерригенные и карбонатные осадки. Часто граптолитовые глинистые сланцы сменялись известняками и карбонатизированными тиллитами. Мощность отложений достигала 2000–5000 м. В геосинклинальных зонах накапливались глинистые и кремнисто-глинистые осадки в сочетании с вулканогенными отложениями.В Палеоазиатском океане (Западная Сибирь) продолжался процесс спрединга, а на востоке Палеотетиса начались поднятия (Казахстан, Алтае-Саянская система) и накопление грубообломочного материала, молласов и терригенных отложений мощностью до 10 км. Все подвижные пояса сохраняли глубоководные зоны и островные дуги с известково-щелочным вулканизмом.
В позднем силуре наблюдается энергичное сближение Северной Америки и Восточной Европы. Исчезает Протоатлантика (океан Япетуса). Происходит столкновение Гренландии и Скандинавии, Шотландии и микроконтинента Арморика. В результате этого начинается становление Британских и Скандинавских каледонид, получивших название от древнеримского названия Шотландии – Каледония. Британско-Скандинавские каледониды вместе с Восточной Гренландией и Шпицбергеном составили единый крупный континент – Лавруссию (Еврамерику), Северную Америку и Восточную Европу. Орогенез проявился в Центральном Казахстане и консолидировал его в устойчивую сушу. К Сибирскому континенту были причленены Тува, Баргузино-Витимский регион, Западный Саян и Алтай, Центральная Монголия. Проявились каледониды на юго-востоке Китайской платформы, на юге Кордильер, на востоке Австралии. На остальной площади подвижных поясов продолжалось развитие вулканических дуг – в Аппалачах, на Урале, в южном Тянь-Шане, в Южной Монголии, в Австралии, на севере Кордильер. В тылу этих дуг развивались глубоководные моря. Спрединг продолжался в Палеоазиатском океане, в Палеотетисе, в Палеопацифике.
Северные континенты были втянуты в поднятия и здесь повсеместно наблюдалась регрессия морей. Гондвана сохраняла свою монолитность и испытывала слабое поднятие. Морские условия чередовались в ней с континентальными. В процессе развития регрессии и в Гондване, и на северных континентах связь с открытым океаном терялась и полузамкнутые бассейны с повышенной соленостью становились ареной накопления эвапоритов. Мощные толщи солей, сульфатов и доломитов были сформированы в Мичиганском бассейне, Гудзоновом, Сомерсетском (Канадский Арктический архипелаг), Печорском, Тунгусском, Таймырском и др. На территориях вне моря формировались красноцветные гипсоносные и карбонатные коры выветривания. В морях развивались рифы.
Климатическая зональность в силуре была простой. Климат был изотермным, слабо территориально дифференцированным. В начале силура с ордовика сохранилась холодная высокоширотная зона с образованием тиллитов и акваморен. Но с таянием ледников и трансгрессией морей климат становится океаническим (морским), более однородным. А с проявлением каледонского орогенеза и увеличением доли суши появляются более увлажненные и более аридные климаты.
Экваториальный климат занимал центральные районы Северной Америки, Урала, Центрального Казахстана. Это был влажный и теплый климат. В морях формировались органогенные и оолитовые известняки и располагались огромные рифовые постройки.
К северу и к югу от экватора формировался тропический климат – теплый и относительно сухой. В морях накапливались экстракарбонатные (с высоким содержанием магния) отложения. На суше формировались терригенные толщи с карбонатно-сульфатными и соленосными отложениями. В морях развивался коралово-брахиоподовый комплекс фауны, который отличался территориально. Сформировались три биогеографические области – Лавруссийская, Восточно-Африканская и Сибирская. Наиболее богата представителями фауны была экваториальная зона. К северу и югу комплекс животных становился беднее.
Животный и растительный мир силура более богат, чем в начале палеозоя. Более разнообразной становится фауна и флора морей. Однако самым достопримечательным явлением стало постепенное заселение суши высшими растениями. Это было связано с образованием достаточной мощности озонового слоя (О3) и проникновением через него не более 50% коротковолновой солнечной радиации.
В морях господствовали граптолиты однорядные и двухрядные. Однорядные, как более примитивные, постепенно вымирают. Много рифообразующих кишечнополостных животных (в основном кораллы – строматопораты, табуляты, четырехлучевые двузонные кораллы). Головоногие моллюски представлены бактритидами – предками аммонитов. Они имели свернутую в один оборот раковину с более усложненным рисунком перегородок. Большое количество брахиопод – атрипиды, спирефириды, ринхонелиды и первые шипастые продуктиды. Иглокожие были все прикрепленные к грунту (морские лилии). Много остатков конодонтов. Продолжают существовать трилобиты, ракоскорпионы, более приспособленные, чем трилобиты к морской жизни. Но толща воды была свободной. И в пресных водах появились бесчелюстные позвоночные – биркения, а потом и настоящие рыбы – ламаркия. Продолжали развиваться различные водоросли: зеленые, бурые, красные. На суше появились мхи, грибы, риниофиты, а в конце периода – плауны (Lepidophyton).
Полезные ископаемые в основном связаны с каледонскими интрузиями – золото в Казахстане и Кузбасе, хромиты на Урале, асбест на о.Ньюфаундленд и в Канаде. Осадочные ископаемые – каменные соли в Северной Америке и оолитовые железные руды в Африке.