Стадию геологического развития Земли, охватывающую интервал времени от 3,5 млрд. лет до 1,8 млрд. лет (архей, ранний протерозой), называют иногда раннегеосинклинальной, или протогеосинклинальной.

Термические процессы в недрах Земли не прекратили свое интенсивное проявление с завершением лунной и нуклеарной стадий развития. В архейскую эру продолжался еще сравнительно интенсивный разогрев земных недр. Однако в отличие от ранних стадий, когда тепловой поток беспрепятственно уходил в околоземное пространство, теперь он задерживается мощной земной корой континентального типа. Происходило своеобразное накопление тепла в недрах, что, вероятно, повышало температуру и могло приводить к частичному расплавлению пород мантии.

Увеличение температуры вызывало общее разуплотнение вещества Земли. Эклогит, например, мог переходить в базальты, увеличивая при этом свой объем на 12—15%. Разуплотнение и фазовые переходы мантийного вещества приводили, очевидно, к увеличению общего объема Земли. Этому, однако, препятствовала земная кора. Противоборство расширяющихся недр и жесткой коры продолжалось до некоего критического момента. И вдруг земная кора «лопается» во многих местах и расползается, давая возможность вырваться из недр избытку вещества. Ломке первоначальной коры могли способствовать и другие силы, например ротационные.

Растрескивание и раздвижение первичной земной коры приводили к образованию линейных зон, обладающих большой подвижностью,— протогеосинклиналей, в которых протекали активные вулканические процессы с излиянием лав в основном базальтового состава. Вулканы занимали центральные части зон и были приурочены к первичным трещинам. Между вулканической цепью и раздвигающимися в разные стороны разорванными краями континентальной коры возникали океаны, в них происходили интенсивные процессы накопления осадков, компенсирующие прогибание коры. Материал поступал со стороны вулканических гор (формировались эффузивные магматические породы и продукты их эрозии), а также с континентальных массивов или островов материкового типа.

Размеры, очертания и положение океанов, заполнявших протогеосинкли-нальные прогибы, конечно, не совпадали с современными. Они так же, как и вся земная кора, прошли долгий и сложный путь эволюции, не раз изменяя конфигурацию. Предполагается, что 2,5 млрд. лет назад объем гидросферы уже составлял не менее 55 % современной.

Протогеосинклинали архея отличались от последующих геосинклиналей. Они не разделялись относительно стабильными платформенными массивами, не было дифференцировано их внутреннее строение, нечетко выделялись глубинные разломы. В то далекое время большая часть земной коры испытывала геосинклинальный режим развития. Возникшие геосинклинали почти полностью разрушили и переработали первичную континентальную кору. Мощные стихии сотрясали поверхность планеты. Извержения вулканов, огненные лавовые потоки, двигающиеся к подножию гор со скоростью современных автомобилей, пары воды, воздымающиеся при соприкосновении лавы с водами морей и океанов, землетрясения, ломающие кору, как яичную скорлупу, придавали лику Земли грозный вид.

Описанная картина геологического развития Земли в архее и раннем протерозое подтверждается материалами изучения древних пород Скандинавского и Кольского полуостровов, Сибири, Америки, Африки, Азии и Австралии. Для них характерны следующие особенности: исключительное развитие метаморфических и магматических пород; огромная мощность осадков, измеряемая десятками километров; сильная дислоцированность, т. е. смятость отложений в складки. Все эти черты говорят о типично геосинклинальных условиях развития, а поскольку отложения, характерные для геосинклинальных областей, встречены повсеместно, то можно утверждать, что такой режим развития земной коры преобладал в архее и раннем протерозое.

Глобальные катастрофы — созидатели структур литосферы. Активные тектонические процессы архейского и раннепротерозойского времени приводили к выносу из недр Земли огромного количества вещества и энергии. По сути дела накопление мощнейших толщ осадочных и магматических пород явилось результатом эффузивных процессов, поставлявших на поверхность глубинное вещество.

Периоды накопления осадочных и магматических отложений длились многие десятки, даже сотни миллионов лет. Одновременно с выносом глубинного вещества из недр планеты уходила и энергия. Отсутствие континентальной коры в геосинклиналях приводило здесь к повышенной теплоотдаче. Геосинклинали выполняли роль своеобразных окон, сквозь которые «проветривались» недра Земли.

Планета остывала. Можно предположить, что охлаждение недр приводило к некоторому уменьшению объема вещества. Наиболее ощутимо это происходило, вероятно, в областях первоначально большего разогрева, т. е. в геосинклиналях, так как здесь наиболее интенсивно удалялось тепло с поверхности Земли. Уменьшение объема вещества недр неизбежно приводило к тому, что пластины коры, раздвинутые в стороны в период активного разогрева, начинают двигаться к исходным рубежам. Этому препятствовали осадочные и магматические толщи, заполнившие геосинклинальные прогибы. Одновременно начинают преобладать восходящие вертикальные движения. Происходила инверсия тектонического режима в геосинклиналях. Накопленные сравнительно пластичные толщи осадочных пород коробятся, сминаются в складки, «выпирают» из прогибов. Возникшие складки, подобно вееру, распадаются в разные стороны от осевых частей геосинклиналей, образуя горные хребты.

В эпохи максимума тектонической активности магматическая деятельность не прекращалась. Однако состав вулканических лав изменился: базальты сменились андезитами, риолитами, порфиритами — эффузивными породами с повышенным содержанием кремнезема. Магматические породы, которые содержат окиси кремния более 65%. называют кислыми. Появление кислых пород в эпохи складчатости можно объяснить тем, что в магматические процессы были вовлечены накопившиеся осадочные толщи, обогащенные кремнеземом.

В геологической истории Земли эпохи складчатости играли очень важную роль. В. Е. Хаин рассматривает их как революционные эпохи, выделяя в противовес им эволюционные эпохи — периоды прогибания геосинклиналей и накопления осадочных толщ. В революционные эпохи происходит коренное преобразование лика Земли; океаны резко сокращают свои размеры, растут горы, изменяется состав вулканических лав, извержения вулканов приобретают катастрофический взрывной характер, образуются новые глубинные разломы, дробящие земную кору и усложняющие ее строение. И все это в течение каких-нибудь нескольких миллионов лет, т. е. за период в 10—20 раз короче, чем любая эволюционная эпоха. В связи с этим такие революционные моменты в жизни Земли называют эпохами диастрофизма — эпохами, когда происходят глобальные катастрофы.

Проявление эпох диастрофизма носит периодический характер. В истории архея и раннего протерозоя выделяют несколько таких эпох. Они проявлялись на земном шаре не одновременно, но некоторые из них обладали достаточной синхронностью и оставили четкие следы, по которым геологи смогли установить их спустя несколько миллиардов лет.

Одна из первых эпох диастрофизма выделяется учеными А. И. Тугариновым и Г. В. Войткевичем в самом начале архея (3500±100 млн. лет). Она была установлена по наличию древних кислых магматических пород. Эта эпоха, получившая название белозерской, не привела к существенному изменению тектонического режима в развитии Земли.

В конце архейской эры завершается следующая крупная эпоха диастрофизма — кеноранская или беломорская (2600±100 млн. лет). Интенсивные сминающие горизонтальные и восходящие вертикальные движения земной коры привели к сильному метаморфизму накопленных ранее осадочных отложений: породы существенно уплотнились, смялись в складки. Возникшие метаморфические породы (гнейсы, кварциты, слюдистые сланцы и др.) были пронизаны кислыми магматическими образованиями типа гранитов. Все это привело к тому, что в некоторых местах земного шара сформировались жесткие массивы, которые в дальнейшем уже развиваются как платформы. Последующие тектонические процессы сократили их размеры, но в ряде районов первые платформы (прото-платформы, по Е. В. Павловскому) еще сохранились. Среди таких районов можно назвать север Канады, некоторые области Кольского и Скандинавского полуостровов, Центральной Сибири, Африки, Австралии, Южной Америки.

Одной из важнейших эпох диастрофизма раннегеосинклинальной стадии явилась карельская эпоха, завершившаяся в конце раннего протерозоя (1800±100 млн. лет). В результате сформировались первые «настоящие» платформы, получившие название древних, или эпикарельских, платформ (кратоны). Они спаяли воедино разрозненные остатки протоплатформ, образовав ядра будущих континентов. Карельская (или карельско-свеко-феннская) эпоха диастрофизма привела к принципиальной смене в тектоническом режиме развития Земли: геосинклинальный режим сменился на дифференцированный режим геосинклиналей и платформ. С появлением и ростом платформ — устойчивых областей литосферы — сократились очаги вулканизма, которые теперь уже концентрируются только в геосинклинальных поясах, опоясывающих крупные устойчивые массивы древних платформ. В связи с этим сокращается и количество материала, поступавшего на поверхность планеты из ее недр, произошло замедление роста литосферы. Важным результатом раннегеосинклинальной стадии развития Земли явился вынос из мантии значительных количеств радиоактивных элементов (урана, тория, калия), которые концентрируются уже в гранито-гнейсовом слое коры. Это привело к снижению общего теплового потока, понижению уровня астеносферы, что способствовало консолидации коры в целом.

Рис. 7. Схема современного положения эпикарельских структур. 1 — платформы: 1 — Северо-Американская, 2 — Восточно-Европей-ская, 3 —Сибирская, 4 — Баренцевоморская, 5 — Гиперборейская, 6 — Южно-Американская, 7 — Африкано-Аравийская, 8 — Индийская, 9 — Восточно-Ази-атская, или Китайская, 10 — Австралийская, 11 — Антарктическая; 2 — поло-жение некоторых протоплатформ; 3 — геосинклинальные троги, располагав-шиеся внутри древних платформ

Таким образом, гло-бальные катастрофы в исто-рии Земли выполняют ино-гда своеобразную роль сози-дателей новых структур литосферы, а именно — платформ.

Возникновением древ-них платформ заканчивается раннегеосинклинальная ста-дия, и с позднего протерозоя начинается новая, геосин-клинально-платформенная стадия развития Земли, про-должающаяся до настояще-го времени. Размеры и очертания эпикарельских платформ в дальнейшем бы-ли изменены последующи-ми процессами тектогенеза. Некоторые из них оказались расчлененными на отдельные глыбы, так называемые «срединные массивы», и частично переработаны. Но в основном древние платформы сохранились без изменения и составляют основу нынешних континентов. Современное их положение показано на рис. 7.

Солоноватые океаны и атмосфера без кислорода. Молодость нашей планеты поражает не только чрезвычайно активными тектоническими движениями, грандиозностью геологических преобразований. Неповторимость того времени проявилась также в специфике гидросферы и атмосферы.

Непривычную обстановку застали бы мы на Земле 3,5—3 млрд. лет назад. Первое, что бросилось бы в глаза, — это обширные океанические пространства, разделенные архипелагами островов. Тут и там над архейскими океанами возвышались конусы вулканических гор. Привычные континенты — крупные массивы суши — нам вряд ли удалось бы обнаружить. Они появляются только в самом конце архея, после проявления кеноранской эпохи диастрофизма, и разрастаются уже в протерозое. Крупные размеры континенты приобретают лишь в позднем протерозое, после образования древних платформ, объединившихся в Лавразию и Гондвану. Это были голые, гористые пустыни с довольно разветвленными речными артериями.

Рис. 8. Реконструированное поло-жение континентов и океанов пе-ред началом позднего протерозоя. Штриховкой показаны древние эпи-карельские платформы, объединяю-щиеся в два суперконтинента: Лав-разию (I) и Гондвану (II).

Необычно быстро в то далекое время проис-ходила смена суток. Как считает австралийский ученый Б. Хаит на основании изучения известковых скелетов коралловых полипов, многие сотни миллионов лет назад скорость вращения Земли вокруг оси была намного больше современной. Соответственно укорачивалась продолжительность суток до 9 часов, а земной год длился около 900 суток. Замедление вращения земного шара явилось следствием влияния лунных приливно-отливных сил. В архее Луна располагалась значительно ближе к нашей планете, и ее притяжение оказывало сильное воздействие на Землю. В краткие ночные часы того времени огромная Луна занимала половину небосвода, озаряя ярким серебристым светом безжизненную сушу и воду.

Вода архейских океанов была, вероятно, слабо солоноватая. По мнению академика Н. М. Страхова, концентрация солей в них не превышала 2,5 %, тогда как соленость современных океанических вод в среднем составляет 3,5 %. В химическом составе вод преобладали такие соединения, как SiO₂, Fe, Mn, HCO₃^-, CO₂, выносимые из гранитного слоя коры. Отсутствие океанической растительности и организмов, усваивавших кремнезем (таких, например, как современные диатомовые водоросли, радиолярии, губки), приводило к накоплению его в морской воде и осаждению. Поэтому в древних толщах много кремнистых пород типа кварцита.

Необычной была и атмосфера. В архее и в первой половине протерозоя она была практически бескислородной. Заметное количество кислорода появилось позже, в конце протерозоя, как результат фотосинтеза растений, тогда же преобладали углекислота, водород, аммиак, содержались также азот, сероводород, редкие газы. Атмосфера обладала восстановительным характером и гораздо меньшей плотностью, чем современная.

Естественно возникает вопрос: на основании чего можно делать такие выводы? Оказывается, что, изучая реликтовые газы в минеральных включениях кварцевых пород, образовавшихся в океанах архея и протерозоя, можно установить содержание газов в морской воде и состав атмосферы того времени. Такие исследования проведены учеными Сибирского отделения АН СССР. Ю. П. Казанский, например, доказал, что в обломках кварцитов архейского возраста концентрация углекислоты равна 44,2 %, а кислорода 5,5 %. В породах протерозоя эти значения соответственно равны 34,5 и 13,7%, в палеозойских породах 7,6 и 18,0%. В современной же морской воде углекислоты содержится 3,2 %, кислорода 34,1 %. Отсюда следует, что от архея до наших дней в гидросфере и атмосфере происходит неуклонное увеличение кислорода и уменьшение углекислоты. Считается, что рост доли кислорода в атмосфере происходил неравномерно. Так, например, резкое повышение произошло в девоне — карбоне (350—300 млн. лет назад). Затем содержание кислорода уменьшилось, и в триасе (примерно 200 млн. лет назад) его было в три раза меньше современного. В середине мезозойской эры (около 150 млн. лет назад) произошло новое повышение массы кислорода, достигшей современного значения.

Специфика гидросферы и атмосферы архея и раннего протерозоя определила и своеобразный комплекс осадков и полезных ископаемых того времени: широкое развитие получили кремнистые породы (кварциты и джеспилиты). Джеспилиты, представляющие собой железистые кварциты, встречаются в колоссальном изобилии в древних толщах, но практически отсутствуют в позднем протерозое, в палеозойских и более молодых отложениях. Часто джеспилиты образуют высококачественные железные руды. Месторождения железа такого типа известны в районах Курской магнитной аномалии (КМА), Кривого Рога, в Северной Америке, в Африке. Содержание железа достигает при этом 62 %. О масштабах железонакопления архея и раннего протерозоя можно судить по установленным запасам железных руд: запасы древних руд оцениваются в 3 000 млрд. т, тогда как запасы железных руд последующих эр не превышают 135 млрд. т.

Среди осадочных пород раннего протерозоя сравнительно широко развиты известняки и доломиты, образованию которых способствовало широкое распространение в атмосфере и гидросфере СО₂ и НСО₃^-.

Интересно, что в древних толщах отсутствуют каменная соль, ангидриды, гипс, фосфориты. Причины этого полностью не выяснены. Остается добавить, что все осадочные породы архея и раннего протерозоя обломочного или химического происхождения.

Несмотря на большие масштабы развития осадочных отложений в древних океанах (имеются в виду и те метаморфические породы, которые образовались из осадочных), они составляют лишь 40 % от общего объема пород архея (по данным А. И. Тугаринова). В середине протерозоя их удельный вес уже достиг 80%. К позднему протерозою интенсивность магматических процессов резко уменьшилась, о чем можно судить по сокращению объема магматических пород с 60 до 20 %.

Климат архея. Начиная с архейской эры, когда уже возникли гидросфера и атмосфера, ведущую роль в распределении тепла на поверхности планеты играет энергия Солнца. Если это так, то на Земле уже в архейскую эру должна была бы существовать климатическая зональность, поскольку количество солнечного тепла зависит от широты местности.

Наличие климатических зон в архее может быть подтверждено некоторыми, хотя и единичными, фактами. К ним относятся, в частности, находки древних метаморфизованных ледниковых отложений — тиллитов. Остатки их установлены, например, в Северной Америке, в Центральной и Южной Африке, в Южной Австралии, в Сибири. Центр древних оледенений определить пока не удается. Для Северной Америки известно, что следы ледников и пути их движения прослеживаются в широтном направлении почти на 1850 км к северу от 42° с. ш. Установлено также, что мощность тиллитов раннего протерозоя достигает 160—180 м. Толща состоит из переслаивающихся тиллитовых горизонтов и глинистых сланцев, накопление которых происходило уже в озерных или речных условиях. Следовательно, эпохи оледенения чередовались с межледниковыми эпохами, когда размеры ледника сокращались и на его месте возникали озера ледникового происхождения.

По мнению Н. М. Страхова, древнее оледенение носило горный характер. Таких ледников, какие мы видим сейчас в Антарктиде площадью до 13 млн. км², в архейскую и протерозойскую эры, вероятно, не было, так как не было еще обширных континентальных массивов. Скорее всего, ледники покрывали вершины отдельных гор или горных массивов и языками спускались к подножиям.

Наряду с ледниковыми отложениями в древних толщах встречаются и метаморфизованные органические остатки, очевидно, растительного происхождения (скорее всего, водоросли) — это различные графитовые сланцы, включения графита в другие породы. Косвенно развитие примитивной растительности в древних океанах указывает на сравнительно теплый климат, существовавший в отдельных зонах земного шара. Возможно, что теплый климатический пояс располагался по побережью океана Тетис. На основании этих скудных данных можно сделать вывод лишь о наличии климатической зональности, существовавшей на Земле 2—3 млрд. лет назад. Как проходили климатические пояса и какие именно пояса существовали — об этом пока ничего не известно.

В последнее время распространяются утверждения о необычайно высоких температурных условиях в древней атмосфере и гидросфере нашей планеты. В частности, доказывается, что примерно 3,8 млрд. лет назад температура океанических вод достигала 100°С; 3 млрд. лет назад температура атмосферы и гидросферы на Земле в среднем составляла уже 70 °С. Почти два миллиарда лет понадобилось, чтобы она понизилась до 30 °С. Как видим, палеогеография архея еще во многом противоречива и очень далека до своей окончательной расшифровки.

Самые первые организмы. Породы архея и раннего протерозоя дошли до нас в сильно измененном состоянии. Высокие давления и температуры преобразовали первоначальный облик породы, уничтожив всякие следы древней жизни. Поэтому изучение древнейшего животного и растительного мира связано с огромными трудностями. Однако за последние 15—20 лет с помощью современных приборов удалось кое-что прояснить и в облике самых первых организмов на Земле.

Изучая с помощью электронного микроскопа, химических и изотопных анализов сланцы свиты Онвервахт, возраст которых превышает 3,2 млрд. лет, ученые Аризонского университета обнаружили в них тысячи мельчайших образований сферической, нитеобразной и скорлуповидной формы. Размеры частиц не превышали 0,01 мм. Исследования проводились в специально оборудованной лаборатории, исключавшей возможность загрязнения образцов посторонними организмами. Найденные образования представляют собой окаменевшие остатки одноклеточных морских водорослей. Однако другие исследователи критически относятся к этим выводам, полагая, что эти образования могут иметь небиологическое происхождение. В еще более древних породах Западной Австралии (разрез Пилбара, возраст 3,5 млрд. лет) обнаружены строматолиты — особые формы структур, связанные с деятельностью синезеленых водорослей.

Из растений в архее и раннем протерозое активно развиваются синезеленые водоросли. Остатки этих водорослей в виде шаровидных, грибовидных и столбообразных известковых тел, характеризующихся тонкой концентрической слоистостью (строматолиты), часто находят в породах протерозоя. Считают, что первыми представителями органической жизни на Земле были именно синезеленые водоросли. В Московском Государственном университете были поставлены опыты, показавшие, что синезеленые водоросли могут существовать в условиях, «противопоказанных» другим растениям и животным. В герметически запаянном стеклянном шаре эти водоросли жили более 16 лет! Все другие обитатели подобных стеклянных шаров быстро погибли, некоторые бактерии «держались» 12 лет. Это доказывает, что синезеленые водоросли могут развиваться даже в бескислородной среде. Благодаря жизнедеятельности синезеленых водорослей на нашей планете начала формироваться кислородная среда.

По мнению А. С. Монина и О. Г. Сорохтина, существовал еще один источник кислорода на Земле — это распад окислов железа, протекавший в недрах нашей планеты при ее гравитационной дифференциации. Часть кислорода при этом высвобождалась и также пополняла атмосферу, меняя ее химический состав.