Архейский эон: начало жизни на Земле.

Введение

Геологический эон, 4031–2500 миллионов лет назад

Архейский эон (/ipa//ɑr/'/k//iː//ə//n/ arKEEən, также пишется Архей или Археан), в более старых источниках иногда называемый Археозоем, является вторым из четырех геологических эонов в истории Земли, предшествующим эону Гадея и последующим за Протерозоем. Архей охватывает период времени от 4031 до 2500 миллионов лет назад. Считается, что Поздняя Тяжелая Бомбардировка перекрывалась с началом Архейского эона. Гуронское оледенение произошло в конце эона. Земля в Архейский эон была преимущественно водным миром: существовала континентальная кора, но большая её часть находилась под океаном, глубже, чем современные океаны. За исключением редких сохранившихся кристаллов, самые древние образцы континентальной коры датируются Архейским эоном. Большая часть геологических деталей Архейского эона была уничтожена последующей геологической активностью. Атмосфера Земли также значительно отличалась по составу от современной: пребиотическая атмосфера была восстановительной, богатой метаном и не содержала свободного кислорода. Самые ранние известные формы жизни, в основном представленные мелководными микробными матами, называемыми строматолитами, возникли в Архейском эоне и оставались простыми прокариотами (археями и бактериями) на протяжении всего эона. Первые фотосинтетические процессы, особенно осуществляемые ранними цианобактериями, появились в середине/конце Архейского эона и привели к необратимым химическим изменениям в океане и атмосфере после Архейского эона.

Этимология и изменения в классификации

Слово "архей" происходит от греческого слова "архэ" (αρχή), что означает "начало, происхождение". Прекамбрийский эон ранее считался лишенным жизни (азойским); однако окаменелости были обнаружены в отложениях, которые были отнесены к азоикскому возрасту. До признания эона Гадея, архей охватывал раннюю историю Земли, начиная с её формирования около 4540 миллионов лет назад и заканчивая 2500 миллионами лет назад. Начало и конец архейского эона определяются хронометрически, а не на основе стратиграфии. Нижняя граница эона, или начальная точка 4031 ± 3 миллиона лет назад, официально признана Международной комиссией по стратиграфии.

Хотя известно, что отдельные минеральные зерна относятся к гадейскому периоду, самые древние горные породы, обнаженные на поверхности Земли, являются архейскими. Архейские породы встречаются в Гренландии, Сибири, Канадском щите, Монтане, Вайоминге (в обнаженных частях кратона Вайоминга), Миннесоте (долина реки Миннесота), Балтийском щите, Родопском массиве, Шотландии, Индии, Бразилии, Западной Австралии и Южной Африке. Гранитные породы преобладают во всех сохранившихся кристаллических останках архейской коры. К ним относятся обширные плавленые листы и крупные плутонические массивы гранита, диорита, слоистые интрузии, анортозиты и монзониты, известные как санукитоиды. Архейские породы часто сильно метаморфизованы и состоят из глубоководных отложений, таких как грейвакки, аргиллиты, вулканические осадки и полосатые железные формации. Вулканическая активность была значительно выше, чем сегодня, с многочисленными извержениями лавы, включая необычные типы, такие как коматиты. Карбонатные породы редки, что указывает на более высокую кислотность океанов из-за растворенного углекислого газа, чем в протерозойский эон. Зеленокаменные пояса – типичные архейские образования, состоящие из чередующихся слоев метаморфизованных магматических и осадочных пород, включая архейские фельзические вулканические породы. Метаморфизованные магматические породы образовались из вулканических островных дуг, а метаморфизованные осадочные породы представляют собой глубоководные отложения, эродированные с соседних островных дуг и отложенные в преддуговом бассейне. Зеленокаменные пояса, включающие оба типа метаморфизованных пород, представляют собой швы между протоконтинентами. Тектоника плит, вероятно, активно развивалась в гадейском периоде, но замедлилась в архейском. Замедление тектоники плит, вероятно, было связано с увеличением вязкости мантии из-за дегазации и выделения воды. Лишь в конце архейского эона континенты, вероятно, поднялись из океана. Появление континентов к концу архейского периода инициировало континентальное выветривание, которое оставило свой след в записи изотопов кислорода, обогатив морскую воду изотопически легким кислородом. Из-за переработки и метаморфоза архейской коры существует недостаток обширных геологических свидетельств конкретных континентов. Одна из гипотез предполагает, что породы, которые сейчас находятся в Индии, Западной Австралии и Южной Африке, образовали континент под названием Ур около 3100 миллионов лет назад. Другая гипотеза, противоречащая первой, утверждает, что породы из Западной Австралии и Южной Африки были объединены в континент Ваалбара еще 3600 миллионов лет назад. Архейские породы составляют лишь около 8% современной континентальной коры Земли; остальная часть архейских континентов была переработана. Существуют хорошо сохранившиеся осадочные бассейны и свидетельства вулканических дуг, внутриконтинентальных рифтов, столкновений континентов и широко распространенных глобальных орогенных событий, указывающие на сборку и разрушение одного или нескольких суперконтинентов. Доказательства, полученные из полосатых железных формаций, чертов, химических осадков и подушечных базальтов, свидетельствуют о том, что жидкая вода была широко распространена и существовали глубоководные океанические бассейны. Столкновения с астероидами были частыми в раннем архейском периоде. Данные из слоев сферических частиц указывают на то, что удары продолжались и в позднем архейском периоде со средней частотой около одного ударника диаметром более чем каждые 15 миллионов лет. Это примерно размер ударника Чиксулуба. Эти удары могли быть важным поглотителем кислорода и вызывать резкие колебания уровня кислорода в атмосфере.

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.

Окружающая среда

Считается, что в архейской атмосфере почти полностью отсутствовал свободный кислород; содержание кислорода было менее 0,001% от современного атмосферного уровня, при этом некоторые анализы указывают на то, что оно могло достигать 0,00001% от нынешнего уровня. Однако, временные эпизоды повышенных концентраций кислорода зафиксированы в этот эон примерно 2980–2960 млн лет назад, 2700 млн лет назад и 2501 млн лет назад. Импульсы увеличения содержания кислорода 2700 и 2501 млн лет назад некоторыми исследователями рассматриваются как потенциальные отправные точки Великого кислородного события, которое большинство ученых относят к началу палеопротерозоя. Кроме того, в мезоархее существовали оазисы с относительно высоким уровнем кислорода в некоторых прибрежных мелководных морских средах. Океан в целом был восстановительной среды и не имел устойчивого редоклина – слоя воды между обогащенными кислородом и аноксичными слоями с резким градиентом окислительно-восстановительного потенциала, который станет характерной чертой более поздних, богатых кислородом океанов. Несмотря на отсутствие свободного кислорода, скорость захоронения органического углерода, по-видимому, была сопоставима с современной. Из-за крайне низкого содержания кислорода сульфат был редкостью в архейском океане, а сульфиды образовывались главным образом в результате восстановления сульфита органического происхождения или минерализации соединений, содержащих восстановленную серу. Архейский океан был обогащен более тяжелыми изотопами кислорода по сравнению с современным океаном, хотя значения δ18O снизились до уровней, сравнимых с современными океанами, к концу эона в результате усиления континентального выветривания. Астрономы полагают, что светимость Солнца составляла около 75–80% от современной, однако температура на Земле, по-видимому, была близка к современным значениям всего через 500 миллионов лет после ее формирования (парадокс слабого молодого Солнца). О наличии жидкой воды свидетельствуют определенные сильно деформированные гнейсы, образовавшиеся в результате метаморфизма осадочных протолитов. Умеренные температуры могли быть обусловлены более высоким содержанием парниковых газов, чем в более поздние периоды истории Земли. На архейской Земле происходила масштабная абиотическая денитрификация, в результате которой в атмосферу поступал парниковый газ – оксид азота. В качестве альтернативы, альбедо Земли в то время могло быть ниже из-за меньшей площади суши и облачного покрова.

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.