Считавшиеся протерозойскими ходы в австралийских кварцитах были прорыты всего 50 миллионов лет назад

Рис. 1. Ходы неизвестных животных в кварцитах группы Маунт-Баррен на юго-западе Австралии. Фото с сайта eurekalert.org

Примерно пятьдесят лет назад геологи обнаружили в породах протерозойского возраста на юго-западе Австралии структуры, напоминающие ходы роющих животных, — больше всего по строению они походили на норы ракообразных. В момент образования 1,7 млрд лет назад эти породы представляли собой песчаники, которые затем — 1,2 млрд назад — в результате метаморфического преобразования превратились в прочные кварциты, и после этого вряд ли какое-то живое существо могло прогрызть в них норы. Находка поставила ученых в тупик, а возникновение ходов животного происхождения в сверхпрочных породах, затвердевших за 600 млн лет до появления на Земле сложных организмов, долго оставалось загадкой. Статья, опубликованная недавно в журнале PNAS, предлагает довольно простое ее решение. Ученые считают, что ходы действительно проделали животные, но не в протерозое, а значительно позже — всего 50 млн лет назад (в эоцене), — когда в результате наступления моря перекрывающие кварциты породы были размыты, а сами они, оказавшись выведенными на поверхность, потеряли свою прочность в результате выветривания и воздействия морской воды и превратились в рыхлые песчаники, в которых и рыли свои норы ракообразные. Затем море отступило, поры между песчинками заполнил силикатный цемент, произошла литификация отложений, и породы снова приобрели облик типичных кварцитов.

Первым загадочные ходы в палеопротерозойских метаморфических кварцитах юго-западной Австралии описал в своей диссертации 1977 года геолог Рональд Том (Ronald Thom) из Имперского колледжа Лондона. Консультировавшие Тома палеонтологи отнесли ходы к ихнотаксону Skolithos, для которого характерны вертикальные ветвящиеся ходы, образуемые морскими организмами в прибрежных песках и песчаниках. Норы сколитоса встречаются в осадочных породах по всему миру. Учитывая то, что самые древние их них имеют раннекембрийский возраст, палеонтологи сначала предположили, что породы датированы неправильно, но все данные, приведенные в диссертации, указывали на то, что метакварциты со следами роющих животных органично встроены в последовательность раннепротерозойских осадочных пород возрастом 1,7 млрд лет, которые примерно 1,2 млрд лет назад подверглись метаморфизму и были превращены в твердые кварциты.

Группа геологов и палеонтологов из Швеции, Австралии, Китая и США под руководством Брюса Раннегара (Bruce Runnegar) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) изучили полевые взаимоотношения, петрографическую структуру и геохронологию палеопротерозойских метаосадочные пород группы Маунт-Баррен (Mount Barren Group) на юго-западе Австралии, содержащих ходы животных (рис. 1), и пришли к интересным выводам. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Результаты подтвердили, что возраст пород составляет 1,79–1,69 млрд лет, а ходы действительно проделаны животными, скорее всего членистоногими, однако обломочный материал, заполняющий норы, намного моложе матрицы метаморфических пород, в которых они встречаются.

Диаметр горизонтальных ходов составляет от 5 до 10 мм, вертикальных — до 20 мм. По мнению авторов, ходы образовались всего 50 млн лет назад, когда во время так называемой эоценовой трансгрессии кварциты были размыты и превратились в рыхлые песчаники, в которые и могли зарываться животные. Затем море отступило, песчаники снова затвердели, а поровое пространство между песчинками в процессе силификации — привноса грунтовыми водами кремнекислоты — было заполнено кварцевым цементом. Благодаря тому, что зерна породообразующих минералов в основной своей массе не были смещены во время выветривания, породы сохранили свою первоначальную метаморфическую структуру и после затвердевания опять приобрели облик типичных метакварцитов.

В разрезе метаморфизованных палеопротерозойских пород группы Маунт-Баррен кварциты, относящиеся к серии Кандип (Kundip Quartzite), занимают промежуточное положение между отделяющими их от архейского основания конгломератами формации Стир (Steere Formation) и перекрывающими сланцами серии Кибулуп (Kybulup Schist).

Для определения возраста пород авторы использовали уран-свинцовый метод радиоизотопного датирования. Возраст обломочных цирконов в конгломератах формации Стир составил более 1,8 млрд лет, в кварцитах серии Кандип самые древние цирконы показали возраст 1,79 млрд лет, а в верхнем слое, отделяющем их от сланцев серии Кибулуп, для диагенетического ксенотима, образовавшегося на стадии преобразования рыхлого осадка в осадочную породу, была получена датировка 1,69 млрд лет. Силлы интрузивных пород, внедрившиеся в кварциты, имеют возраст около 1,73 млрд лет. По совокупности этих данных авторы делают вывод, что осадконакопление первичного материала серии Кандип происходило в период от 1,79 до 1,69 млрд лет (рис. 2).

Рис. 2. Геологическое положение группы Маунт-Баррен (Mount Barren Group). Условные обозначения на карте слева (сверху вниз): бежевый цвет — позднеэоценовая формация Паллинуп; серый — протерозойские гнейсы и мигматиты; зеленый — магматические силлы формации Ковердуп; фисташковый — группа Маунт-Баррен; розовый — граниты и гнейсы архейского основания. На врезках — результаты геохронологических анализов. Разрезы: слева — группа Маунт-Баррен; справа — формация Паллинуп. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

В среднем протерозое породы группы Маунт-Баррен подверглись метаморфизму зеленосланцевой и амфиболитовой фаций (температуры около 650°C, давление около 8 кбар), а также деформациям. В результате нижняя часть группы, первоначально представленная песчаниками, превратилась в кварциты, а верхняя, сложенная глинистыми минералами, — в сланцы. По возрасту урансодержащих минералов сланцев — монацита и ксенотима, ориентированных в том же направлении, что и другие породообразующие минералы (кианит, ставролит и гранат), — авторы определили, что процессы регионального метаморфизма имели место 1,22–1,19 млрд лет назад.

В начале эоцена породы были частично размыты в результате морской трансгрессии, а затем, в течение всего эоцена, находились на дне моря, где теплая соленая вода постепенно разрушала приповерхностный слой кварцитов. При этом, в результате химического выветривания прежде всего растворялся цемент, заполняющий поры между зернами кварца, из которого состояли первичные песчаники, и за счет этого порода теряла прочность, хотя сами песчинки оставались на месте. Сверху породы группы Маунт-Баррен перекрывают осадочные породы позднеэоценовой формации Паллинуп, представленной песчаниками и аргиллитами с большим количеством обломков кораллов и спикул губок, иногда составляющих основную массу пород. Такие породы называют спикулитами или спонголитами.

Началось все с того, что авторы заметили, что в породах формации Паллинуп также имеются ходы роющих животных, которые образовались, когда осадочная толща была еще рыхлой, то есть в позднем эоцене, а затем, в олигоценовое время, когда территория испытала подъем, отложения литифицировались. Палеонтологи идентифицировали их как следы роющих ракообразных из отряда Thalassinidea. Ходы оказались удивительно похожими на «норы» в кварцитах серии Кандип, которые палеонтологи условно отнесли к ихнотаксонам Thalassinoides, Ophiomorpha, Teichichnus и Taenidium.

Петрографический анализ показал, что кварцевые зерна материала, заполняющего ходы в кварцитах, расположены беспорядочно, в отличие от метаморфической матрицы основной породы, в которой все минералы ориентированы в одном направлении в соответствии с силами, действовавшими во время регионального метаморфизма, а пористость этого материала намного выше, чем в первичной породе (рис. 3).

Рис. 3. А — микроскопический снимок, на котором видна разница в расположении зерен кварца в материале, заполняющем «нору» (центральная часть фото) и в окружающей ее матрице метаморфической породы. По диагональной белой линии совмещены два снимка с разными параметрами поляризованного света. В–G — увеличенные фрагменты структуры материала, заполняющего ходы (В, D, F) и матрицы кварцита (С, E, G). Снимки сделаны с помощью поляризационного микроскопа (В, С), сканирующего электронного микроскопа с дифракцией отраженных электронов (D, E), методом катодолюминесценции (F, G). Видно, что пористость материала ходов намного выше, чем вмещающей матрицы. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

При последующем выветривании более пористый материал «нор» разрушался сильнее, открывая в кварцитах следы ходов, которые видят геологи (рис. 4).

Рис. 4. Ходы в кварцитах на разных этапах разрушения в процессе выветривания заполняющего их материала. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

Непосредственно определить время образования ходов в кварцитах исследователям не удалось. Возраст цирконов, отобранных из материала «нор», полученный уран-свинцовым методом, составил 530 млн лет. Это значит, что в составе этого материала находятся зерна минералов, образовавшихся при разрушении магматических пород, возраст которых больше 530 млн лет (рис. 5).

Рис. 5. Гистограмма значений абсолютного возраста (в млн лет), полученных уран-свинцовым методом: А —цирконы (красные кривые) и аутигенный ксенотим (зеленый) из кварцитов серии Кандип; В — цирконы из вмещающих кварциты более древних пород; С — цирконы из материала «нор»; D — цирконы из эоценовых отложений. Циркон — минерал магматических пород, при разрушении которых он сохраняется в осадочных отложениях, поэтому он всегда старше осадочных пород, в которых находится. В отличие от него, аутигенный ксенотим образуется на месте, в процессе диагенеза — преобразования рыхлого осадочного материала в твердые осадочные породы, и его возраст совпадает с возрастом самой породы. Изображение из обсуждаемой статьи в PNAS

По мнению авторов, это значение — 530 млн лет — может быть принято за нижнюю границу вероятного времени образования ходов, но наиболее вероятное — 50 млн лет назад, когда кварциты серии Кандип находились на дне мелководного морского бассейна, расположенного в тропической зоне, и их прочность была нарушена в результате воздействия теплой воды и химического выветривания.

Глядя на разрез палеопротерозойской группы Маунт-Баррен возникают закономерные вопросы — а как же преодолели эоценовые ракообразные толщу сланцев серии Кибулуп, перекрывающих кварциты, и почему в ней нет аналогичных ходов? Авторы предполагают, что ходы образовались именно в тех местах, где покров сланцев был полностью размыт и кварциты выходили на поверхность, так как палеонтологи говорят, что такого типа «норы» ракообразные могли проделывать только непосредственно в приповерхностном слое отложений. Что касается «нор» в сланцах, которые при выветривании превратились в глинистые илы, может быть, они и были, но после затвердевания илистого осадка они затянулись и от них не осталось и следа.

Источник: Stefan Bengtson, Birger Rasmussen, Jian-Wei Zi, Ian R. Fletcher, James G. Gehling, Bruce Runnegar. Eocene animal trace fossils in 1.7-billion-year-old metaquartzites // PNAS. 2021. DOI: 10.1073/pnas.2105707118.

Владислав Стрекопытов