Архей геологиялық эон: Жер тарихының бастауы

Кіріспе

Геологиялық эон, 4031–2500 миллион жыл бұрын

Архей эоны (/ipa//ɑr/'/k//iː//ə//n/ arKEEən, сондай-ақ Архей немесе Архæан деп те жазылады), ескі дереккөздерде кейде Археозой деп аталады, – Жер тарихындағы төрт геологиялық эонның екіншісі, оған Хадей эоны предшествовать етеді және одан кейін Протерозой келеді. Архей (миллион жыл бұрын) уақыт кезеңін көрсетеді. Кейінгі ауыр бомбалау Архей эонының басымен бірдей кезеңге тоңдес келеді деген гипотеза бар. Хурондық мұз басу эонның соңында болды. Архей кезеңіндегі Жер көбінесе сулы әлем болды: континенттік қыртыс болды, бірақ оның көп бөлігі бүгінгі мұхиттардан тереңірек мұхиттың астында жатты. Сирек кездесетін кристаллдарды есептемегенде, бүгінгі ең көне континенттік қыртыс Архейге дейін жетеді. Архейдің геологиялық егжей-тегжейлілігінің көп бөлігі кейінгі геологиялық процестердің нәтижесінде жойылған. Жер атмосферасының құрамы да бүгінгідей болған жоқ: пребиотикалық атмосфера метанға бай, ал еркін оттегі аз болған тотығуға ұшырамайтын орта болды. Ең ертедегі тіршілік, көбінесе строматолиттер деп аталатын жайылым сулардағы микробтық төсектері арқылы бейнеленген, Архейде пайда болды және эон бойында қарапайым прокариоттар (археялар мен бактериялар) күйінде қалып қойды. Ең ертедегі фотосинтез процестері, әсіресе ертедегі цианобактериялардың процестері, Архейдің ортасы мен соңында пайда болды және Архейден кейін мұхит пен атмосферадағы химиялық өзгерістерге әкелді.

Этимологиясы және сыныптамадағы өзгерістер

Архей сөзі грек тіліндегі arkhē (αρχή) сөзінен туындаған, яғни «бастау, шығу» деген мағынаны білдіреді. Кембрийге дейінгі эонда тіршілік болмаған (азойлық) деп есептелген; алайда, азойлық дәуірге жататын деп саналған шөгінділерде қазбалар табылды. Хадей эоны анықталғанға дейін Архей Жердің ерте тарихын, шамамен 4,540 миллион жыл бұрын қалыптасуынан бастап 2,5 миллиард жылға дейін қамтыды. Архей эонының басталуы мен аяқталуы стратиграфияға емес, хронометриялық түрде анықталады. Эонның төменгі шегі, яғни 4,031±3 миллион жыл бұрынғы басталу нүктесі Стратиграфия жөніндегі халықаралық комиссиямен ресми түрде мойындалған. Архей тау жыныстары Гренландияда, Сібірде, Канада қалқанында, Монтанада, Вайомингте (Вайоминг кратонының ашық бөліктерінде), Миннесотада (Миннесота өзені аңғарында), Балтық қалқанында, Родоп массивінде, Шотландияда, Үндістанда, Бразилияда, Батыс Австралияда және Оңтүстік Африкада кездеседі. Архей қыртысының сақталған кристалдық қалдықтарында граниттік тау жыныстары басым. Оларға ірі балқыма қабаттары, граниттің көлемді плутондық массалары, диорит, қабатталған интрузиялар, анортозиттер және монзониттер, сондай-ақ санукитоидтар жатады. Архей тау жыныстары көбінесе күшті метаморфизмге ұшыраған терең су шөгінділерінен, мысалы, сұр тастардан, саз тастардан, жанартау шөгінділерінен және жолақты темір кендерінен тұрады. Вулканизмнің белсенділігі қазіргіден әлдеқайда жоғары болған, көптеген лава ағындары болған, оның ішінде коматит сияқты ерекше түрлері де кездескен. Карбонатты тау жыныстары сирек, бұл мұхиттардың протозойға қарағанда еріген көмірқышқыл газының әсерінен қышқыл болғанын көрсетеді. Жасыл тас белдеулері Архейге тән формациялар болып табылады, олар метаморфизмделген мафикалық магмалық және шөгінді тау жыныстарының кезектесіп орналасқан қабаттарынан, соның ішінде Архейдің фелсикалық жанартаулық тау жыныстарынан тұрады. Метаморфизмделген магмалық тау жыныстары жанартаулық арал доғаларынан пайда болған, ал метаморфизмделген шөгінділер көршілес арал доғаларынан эрозияға ұшыраған және алдыңғы арка алабында жиналған терең теңіз шөгінділерін көрсетеді. Метаморфизмделген тау жыныстарының екі түрін де қамтитын жасыл тас белдеулері протоконтиненттер арасындағы тігістерді білдіреді. Тектоникалық плиталардың қозғалысы, ықтимал, Хадейде қарқынды басталған, бірақ Архейде баяулаған. Плиталардың қозғалысының баяулауы, мүмкін, мантияның судың булануынан пайда болған тұтқырлығының артуына байланысты болған. Тек Архейдің соңында ғана континенттер мұхиттан көтерілген болуы мүмкін. Архейдің соңында континенттердің пайда болуы континенттік үгілудің басталуына әкелді, ол теңіз суын изотоптық жеңіл оттегімен байыту арқылы оттегі изотоптарының жазбасында із қалдырды. Архей қыртысының қайта өңделуі мен метаморфизмі салдарынан нақты континенттерге қатысты кең геологиялық дәлелдер жетіспейді. Бір гипотеза бойынша, қазіргі Үндістан, Батыс Австралия және Оңтүстік Африкадағы тау жыныстары 3,1 миллиард жыл бұрын Ур деп аталатын континентті құраған. Бірінші гипотезаға қайшы келетін тағы бір гипотеза бойынша, Батыс Австралия мен Оңтүстік Африкадан шыққан тау жыныстары 3,6 миллиард жыл бұрын Ваальбара деп аталатын континентте жиналған. Архей тау жыныстары Жердің қазіргі континенттік қыртысының тек 8% -ын құрайды; қалған Архей континенттері қайта өңделген. Жақсы сақталған шөгінді алаптар, жанартаулық доғалар, континенттік жарылыстар, континенттердің соқтығысуы және бірнеше немесе бір суперконтиненттің құрастырылуы мен жойылуын көрсететін кең ауқымды орогендік оқиғалардың дәлелдері бар. Жолақты темір кендерінен, шерт төсектерінен, химиялық шөгінділерден және жастық базальттарынан алынған мәліметтер сұйық судың кең таралғанын және терең мұхит алабының бұрыннан бар екенін көрсетеді. Астероидтар Архейдің басында жиі соқтығысқан. Сфераль қабаттарының мәліметтері соқтығыстар кейінгі Архейге дейін жалғасқанын көрсетеді, орташа есеппен әр 15 миллион жыл сайын диаметрі үлкен соқтығысқан дене. Бұл Чиксулуб соқтығысқан денесінің шамамен мөлшерімен тең. Бұл соқтығыстар маңызды оттегі сіңіргіші болуы мүмкін және атмосфералық оттегі деңгейінің күрт өзгеруіне әкелуі мүмкін.

The word Archean is derived from the Greek word arkhē (αρχή), meaning 'beginning, origin'. The Pre Cambrian eon had been believed to be without life (azoic); however, fossils were found in deposits that were judged to belong to the Azoic age. Before the Hadean Eon was recognized, the Archean spanned Earth's early history from its formation about 4,540 million years ago until 2,500 million years ago. Instead of being based on stratigraphy, the beginning and end of the Archean Eon are defined chronometrically. The eon's lower boundary or starting point of 4,031±3 million years ago is officially recognized by the International Commission on Stratigraphy,

Although a few mineral grains are known to be Hadean, the oldest rock formations exposed on the surface of the Earth are Archean. Archean rocks are found in Greenland, Siberia, the Canadian Shield, Montana, Wyoming (exposed parts of the Wyoming Craton), Minnesota (Minnesota River Valley), the Baltic Shield, the Rhodope Massif, Scotland, India, Brazil, western Australia, and southern Africa. Granitic rocks predominate throughout the crystalline remnants of the surviving Archean crust. These include great melt sheets and voluminous plutonic masses of granite, diorite, layered intrusions, anorthosites and monzonites known as sanukitoids. Archean rocks are often heavily metamorphized deep water sediments, such as graywackes, mudstones, volcanic sediments, and banded iron formations. Volcanic activity was considerably higher than today, with numerous lava eruptions, including unusual types such as komatiite. Carbonate rocks are rare, indicating that the oceans were more acidic, due to dissolved carbon dioxide, than during the Proterozoic. Greenstone belts are typical Archean formations, consisting of alternating units of metamorphosed mafic igneous and sedimentary rocks, including Archean felsic volcanic rocks. The metamorphosed igneous rocks were derived from volcanic island arcs, while the metamorphosed sediments represent deep sea sediments eroded from the neighboring island arcs and deposited in a forearc basin. Greenstone belts, which include both types of metamorphosed rock, represent sutures between the protocontinents. Plate tectonics likely started vigorously in the Hadean, but slowed down in the Archean. The slowing of plate tectonics was probably due to an increase in the viscosity of the mantle due to outgassing of its water. Only at the end of the Archean did the continents likely emerge from the ocean. The emergence of continents towards the end of the Archaean initiated continental weathering that left its mark on the oxygen isotope record by enriching seawater with isotopically light oxygen. Due to recycling and metamorphosis of the Archean crust, there is a lack of extensive geological evidence for specific continents. One hypothesis is that rocks that are now in India, western Australia, and southern Africa formed a continent called Ur as of 3,100 Ma. Another hypothesis, which conflicts with the first, is that rocks from western Australia and southern Africa were assembled in a continent called Vaalbara as far back as 3,600 Ma. Archean rock makes up only about 8% of Earth's present day continental crust; the rest of the Archean continents have been recycled. There are well preserved sedimentary basins, and evidence of volcanic arcs, intracontinental rifts, continent continent collisions and widespread globe spanning orogenic events suggesting the assembly and destruction of one and perhaps several supercontinents. Evidence from banded iron formations, chert beds, chemical sediments and pillow basalts demonstrates that liquid water was prevalent and deep oceanic basins already existed. Asteroid impacts were frequent in the early Archean. Evidence from spherule layers suggests that impacts continued into the later Archean, at an average rate of about one impactor with a diameter greater than every 15 million years. This is about the size of the Chicxulub impactor. These impacts would have been an important oxygen sink and would have caused drastic fluctuations of atmospheric oxygen levels.

Қоршаған орта

Архей атмосферасында еркін оттегіге орай мүлдем болмаған деп есептеледі; оттегі деңгейі қазіргі атмосфералық деңгейдің 0,001% -дан аспады, ал кейбір талдаулар қазіргі деңгейдің 0,00001% -ға дейін төмен екенін көрсетеді. Дегенмен, осы эоннан 2,980–2,960 млн жыл бұрын, 2,700 млн жыл бұрын және 2,501 млн жыл бұрын оттегі концентрациясының уақытша жоғарылау эпизодтары белгілі. 2,700 және 2,501 млн жыл бұрынғы оттегінің арту импульстары кейбір ғалымдар тарапынан Ұлы Оттегілену Оқиғасының басталу нүктесі ретінде қарастырылды, ол палеопротерозойда басталды деп саналады. Бұдан әрі, мезоархей кезеңінде жағалауға жақын, азаматтық теңіз орталарында салыстырмалы түрде жоғары оттегі деңгейіне ие оазистер болған. Мұхит негізінен тотығуға ұшырамайтын және тотыққан және тотықпаған қабаттар арасындағы күшті тотығу-тотықсыздану градиентімен су қабаты болмайтын, кейінірек тотыққан мұхиттарда кездесетін редоксклинінің болмауымен сипатталды. Екінші жағынан, еркін оттегінің жетіспеуіне қарамастан, органикалық көміртегінің шөгіндіге түсу жылдамдығы қазіргідей болған сияқты. Өте төмен оттегі деңгейіне байланысты, Архей мұхитында сульфат сирек кездесетін, ал сульфидтер негізінен органикалық сульфитті тотықсыздандыру арқылы немесе тотықсызданған күкіртті қосылыстардың минералдануы арқылы түзілген. Архей мұхиты қазіргі мұхитқа қарағанда ауыр оттегі изотоптарымен байыған, бірақ континенттік үгілудің күшеюі нәтижесінде эонның соңғы бөлігінде δ18O мәндері қазіргі мұхиттардың деңгейіне дейін төмендеді. Астрономдардың пікірінше, Күн қазіргі жарықтығының 75–80% -ын құраған, бірақ Жердегі температура Жердің пайда болуынан кейін 500 миллион жыл өткен соң ғана қазіргі деңгейге жақын болған (жас Күн парадоксы). Сұйық судың болуы шөгінді протолиттердің метаморфизмі нәтижесінде пайда болған, жоғары деформацияланған гнейстердің болуымен дәлелденеді. Орташа температуралар Жер тарихындағыдан гөрі жоғары мөлшердегі парниктік газдардың болуын көрсетеді. Архейлік Жерде кең ауқымды абиотикалық денитрификация жүзеге асырылып, парниктік газ азот оксидін атмосфераға шығарды. Сонымен қатар, Жердің альбедосы сол кездегі жер және бұлт жамылғысының аздығына байланысты төмен болуы мүмкін.

The Archean atmosphere is thought to have almost completely lacked free oxygen; oxygen levels were less than 0.001% of their present atmospheric level, with some analyses suggesting they were as low as 0.00001% of modern levels. However, transient episodes of heightened oxygen concentrations are known from this eon around 2,980–2,960 Ma, 2,700 Ma, and 2,501 Ma. The pulses of increased oxygenation at 2,700 and 2,501 Ma have both been considered by some as potential start points of the Great Oxygenation Event, which most scholars consider to have begun in the Palaeoproterozoic. Furthermore, oases of relatively high oxygen levels existed in some nearshore shallow marine settings by the Mesoarchean. The ocean was broadly reducing and lacked any persistent redoxcline, a water layer between oxygenated and anoxic layers with a strong redox gradient, which would become a feature in later, more oxic oceans. Despite the lack of free oxygen, the rate of organic carbon burial appears to have been roughly the same as in the present. Due to extremely low oxygen levels, sulphate was rare in the Archean ocean, and sulphides were produced primarily through reduction of organically sourced sulphite or through mineralisation of compounds containing reduced sulphur. The Archean ocean was enriched in heavier oxygen isotopes relative to the modern ocean, though δ18O values decreased to levels comparable to those of modern oceans over the course of the later part of the eon as a result of increased continental weathering. Astronomers think that the Sun had about 75–80 percent of its present luminosity, yet temperatures on Earth appear to have been near modern levels only 500 million years after Earth's formation (the faint young Sun paradox). The presence of liquid water is evidenced by certain highly deformed gneisses produced by metamorphism of sedimentary protoliths. The moderate temperatures may reflect the presence of greater amounts of greenhouse gases than later in the Earth's history. Extensive abiotic denitrification took place on the Archean Earth, pumping the greenhouse gas nitrous oxide into the atmosphere. Alternatively, Earth's albedo may have been lower at the time, due to less land area and cloud cover.