Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого

Лапо Андрей Витальевич

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] .

74

Наука в СССР, 1985, №2, с. 109—111.

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.