Древнейшие фоссилизированные микроорганизмы Фенноскандинавского щита

Обнаружение остатков ископаемых бактерий в палеоархейских, начиная с 3.5 млрд лет, зеленокаменных комплексах Земли является уникальным достижением современной геологии. Древнейшие на сегодняшний день остатки микробиоты обнаружены в кремнистых породах, метаморфизованных в зеленосланцевой фации из вулканогенных разрезов зеленокаменных поясов Западной Австралии (серия Варравуна, 3.49 — 3.31 млрд лет) и Южной Африки (серии Онвервахт, 3.50—3.26 млрд лет и Фиг Три, 3.26—3.23 млрд лет). Подробнее об этих находках и об обосновании возраста вмещающих пород можно узнать в обзоре [11] и атласе [1]. Следует отметить, что все найденные древнейшие микрофоссилии связаны с микробиальными постройками (строматолитами и др.). Большинство специалистов трактует палеоар-хейские микрофоссилии как остатки коккоидных и нитчатых бактерий, обладавших хемолитотрофным метаболизмом и не нуждавшихся в солнечном свете и кислороде. За последние 15 лет многочисленные минеральные псевдоморфозы по микроорганизмам были обнаружены в метеоритах, относящихся к классу углистых хондритов [1, 14]. Несмотря на продолжающие ся дебаты по обоснованию биологической природы древнейших микро-фоссилий [1, 4, 12], эти находки позволяют существенно расширить временные рамки, в которых обнаружены следы архейской жизни.

На территории Фенносканди-навского щита самыми древними находками являются сфероморфные акритархи и фрагменты нитчатых микроорганизмов, выделенные методом мацерации (химического растворения кремнезёма плавиковой кислотой) из метаосадочных пород мезоархейско-го возраста (2.85—2.86 млрд лет) районов р. Семчь и оз. Совдозеро в Центральной Карелии [12]. В настоящее время эти находки подтверждены данными электронной микроскопии и дополнены новыми разновидностями микрофоссилий, обнаруженными в осадочных породах возрастом 2.80— 2.70 млрд лет в Хизоварской структуре (Парандово-Тикшозерский зеленокаменный пояс) на севере Карелии [1].

В этой работе приводятся результаты палеонтологического изучения древнейших (3.0—2.9 млрд лет) на Фенноскандинавском щите осадочных породных ассоциаций Ведлозер-скоегозерского зеленокаменного пояса (Хаутаваарская структура), Цент ральной Карелии, представленных хемогенными силицитами (рис. 1, а).

Мезоархейский Ведлозерско-Сегозерский зеленокаменный пояс представляет собой сохранившийся реликт аккреционной системы, сложенный несколькими стратотектоническими ассоциациями, образованными в контрастных геодинамиче-ских обстановках, сходных с современными конвергентными зонами перехода океан-континент [7]. Древнейшие комплексы зеленокаменного пояса представлены вулканитами ко-матиит-базальтового состава с прослоями глубоководных кремнистых и углеродистых осадков [10], интерпретируемыми как фрагмент океанического плато, а также базальт-андезит-дацитовой ассоциацией, определяемой как островодужный комплекс [6].

Мафитовый комплекс Хаутаваар-ской структуры в современном эрозионном срезе выделен стратифицированной лавово-пирокластической толщей высокомагнезиальных пород ко-матиит-базальтовой ассоциации мощностью около 2.5 км [8]. Осадочные породы — силициты, туффиты, графити-стые алевролиты широко распространены в разрезе в виде цемента в подушечных лавах коматиитов, базальтов и отдельных маломощных (до 3 м) про-

Рис. 1. Упрощенная схема геологического строения палеоархейского Ведлозерского блока и положения зеленокаменных структур в его обрамлении: а черным цветом показаны мезоархейские зеленокаменные структуры, темно-серым архейские комплексы Ведлозерского блока, светло-серым перекрывающие палеопротерозойские породные ассоциации. Район работ (Хаутаваарская структура) обозначен кругом; б — стратиграфическая схема мезоархейской коматиит-базальтовой ассоциации Хаута-ваарской структуры (от остального разреза отделена тектоническими зонами)

слоев туффитов и силицитов между массивными лавовыми потоками (рис. 1, б). Время формирования коматиит-базальтовой ассоциации по данным SmNd метода (по породе в целом) составляет 2921 ± 55 млн лет [7].

Изучаемые нами мезоархейские силициты представляют собой афанитовые кремнистые и алюмокремнис-тые породы хемогенной природы, маркирующие в разрезе мафитовой ассоциации перерывы в вулканической деятельности [8]. Силициты характеризуются массивной, тонкослоистой, реже конкреционной текстурой, имеют серый, зеленовато-серый, розоватый или черный цвет, обусловленный присутствием в осадочных породах хлорита, окислов железа и тонкодисперсного графитистого вещества. В минеральном составе силицитов преобладает волокнистый халцедон (частично перекристаллизованный в ходе регионального метаморфизма в кварц), слагающий породу на 75—80 %. В виде примесей присутствуют серицит, альбит, калиевый полевой шпат, биотит, мусковит. В качестве акцессорных минералов выявлено небольшое количество зерен терригенного циркона (чаще осколков, имеющих слабо окатанные, корродированные формы), а также редкие минеральные агрегаты ниобатов группы фергюсонита-самарскита. Исследуемые породы метаморфизованы в условиях хлорит-серицитовой субфации зеленосланцевой фации регионального метаморфизма [3].

Химический состав 15 проб силицитов определен методом «мокрой»

химии в Институте геологии КарНЦ РАН (г. Петрозаводск). Содержание петрогенных элементов (мас. %) в кремнистых породах варьируются в следующих пределах: SiO₂ — 75.20—86.23, TiO₂ — 0.03—0.28, Al₂O₃ — 8.10—11.41, Fe₂O₃ — 0.14—1.52, FeO — 0.10—0.36, MnO — 0.01—0.05, MgO — 0.21—0.57, СаO — 0.14—0.98, Na 2 O — 0.50—2.10, K₂O — 3.15—4.47, H₂O — 0.06—0.22, п.п.п 0.30—1.72.

Оценка времени формирования осадочных прослоев и соответственно коматиитового разреза проведена на основе прецизионного изучения цирконов из слабоизмененного слоя силицитов (залегающего в пачке с тонким переслаиванием мафитовых туффитов и силицитов) в средней части коматиитового разреза Хаутаваар-ской структуры (рис. 1, б). Из слоя силицитов была отобрана проба весом 10 кг, из которой удалось выделить около 20 зерен циркона, имеющих торпедовидный, копьевидный, гиацинтовый и изометричный облик. Цвет зерен варьируется от розоватого, желтоватого до сероватого. Размер зерен колеблется от 0.35 х 0.10 до 0.15 х 0.11 мм. Микрозондовое исследование циркона показало наличие в них микровключений ильменита, апатита, олигоклаза и фрагментарно сохраненное обрастание циркона каймами плагиоклаза (лабрадор-андезин). Для большинства зерен характерна магматическая зональность и хорошая сохранность ядерных частей кристаллов. Именно такие кристаллы были изучены на прецизионном вторичноионном микрозонде высокого разре шения SHRIMP-II в Центре изотопных исследований ВСЕГЕИ. В результате датирования шести зерен цирконов установлено, что Th/U-отноше-ние для данных зерен варьируется в пределах 0.42—1.32, их изохронный возраст составляет 2917.2 ± 8.7 млн лет (рис. 2). Таким образом, полученные временные значения могут рассматриваться как возможное древнее ограничение времени формирования высокомагнезиальной ассоциации Хаутаваарской структуры, что хорошо согласуется с другими геологическими и геохронологическими данными [7, 9].

Для палеонтологического исследования был выполнен отбор проб из тех же выходов силицитов, по которым ранее осуществлялось геохронологическое датирование (рис. 1, б). В работе использованы штуфы породы, не имеющие контакта с дневной поверхностью, без корок выветривания, трещиноватости и любых проявлений вторичных процессов (ожелезнения, карбонатизации и т. д.). Глубина отбора проб от дневной поверхности варьировалась от 15 до 20 см. Электронно-микроскопически анализировались сколы силицитов площадью от 2 до 4 кв. см, приготовленные непосредственно перед исследованием. В стерильных лабораторных условиях образцы со свежими сколами промывались последовательно в воде (15 минут с ультразвуковой обработкой) и позже в спирте для исключения поверхностного загрязнения. В общей сложности было подготовлено 10 проб с различными плоскостными сечениями (как вкрест напластованию, так и параллельно).

Исследования образцов проводились на сканирующем электронном микроскопе VEGA IILSH (Tescan) с энергодисперсионным микроанализатором INCA Energy 350 (Oxford instruments), с использованием BSE и SE детекторов при HV=20 кВ в Институте геологии КарНЦ РАН (г. Петрозаводск).

В результате электронно-микроскопического исследования было установлено присутствие в мезоархейских кремнистых осадочных породах нескольких разновидностей фоссилизи-рованных микроорганизмов (рис. 3, а—е). Наибольшее количество находок связано с обнаружением фрагментов нитевидных трубчатых микрофосси-лий длиной от 30 до 600 мкм, диаметром от 5 до 20 мкм и толщиной стенок 0.5—1 мкм. Кроме того, выявлены

0.66

0.62 ■■

Точки: 3.1,4.1, 5.1, 6.1, 7.1, 8.1 Пересечения:

СКВО = 0.15

0.58

0.54

0.50

2600,

0.46

14          16

2°7рь/235и

3_1 (2905+20 млн лет)

4_1 (2929±29 млн лет)

5_1 (2907+7 млн лет)

7 1 (2917±7 млн лет)                       .

-                    8_1 (2919±9 млн лет)

6_1 (2934±12 млн лет)

Рис. 2. Диаграмма цирконов с конкордией из слоя силицитов (залегающего в пачке с тонким переслаиванием мафитовых туффитов и силицитов) в средней части коматиитового разрезаХаутаваарской структуры. Морфология зерен цирконов и положение точек датирования на вторично-ионном микрозонде высокого разрешения SHRIMP-II. В скобках, рядом с номером точек, приведены значения 207Pb/206Pb возраста цирконов

многочисленные деформированные (скрученные, сплющенные, разорванные) фрагменты отдельных чехлов (рис. 3, д—е). В единичных случаях обнаружены нижние части колоний нитевидных трубчатых микрофоссилий (собранных в пучки), представляющих в поперечном сечении округлые агрегаты размером до 60 х 100 мкм, крепящиеся к породе пленкообразным бактериальным агрегатом (рис. 3, г). Вероятнее всего, данные находки являются фоссилизированными (замещёнными кремнезёмом) чехлами хе-молитотрофных микроорганизмов (рис. 3, ав), обитавших в глубоководных обстановках в зоне гидротермальной активности, связанной с ультраосновным (коматиит-базальтовым) подводным вулканизмом.

Выявленные в мезоархейских сили-цитах биоформы морфологически подобны нитевидным микроорганиз

100 мкм мам, установленным в корах выветривания палеопротерозойского (~2.4 млрд лет, район оз. Паанаярви, Северная Карелия) и архейского возрастов (~2.8 млрд лет, район оз. Воронье, Лехтинская структура, Северная Карелия), а также бактериальным формам, найденным в углистом хондритовом метеорите Мурчисон (CM2) [1].

Геологические данные, полученные в результате предыдущих исследований Ведлозерско-Сегозерского зеленокаменного пояса [510] позволяют нам провести интерпретацию условий формирования кремнистых породных серий. На основе детального петрологического и изотопно-геохимического изучения коматиит-ба-зальтовой ассоциации Хаутаваарской структуры (содержащей прослои силицитов) установлена принадлежность коматиитов к Al-недеплетиро-ванному типу Мунро (аналогичных комплексу Мунро Тауншип, Канада [13]), формировавшихся в плюмовом режиме [7,13]. Широкое распространение в ассоциации с коматиитами мощных (1500—1800 м) толщ толеитовых подушечных лав, содержащих между потоками прослои туфов и глубоководных осадочных пород — силицитов, графитистых алевролитов с горизонтами железистых кварцитов, позволяет предполагать образование коматиит-базальтового комплекса в океанических обстановках внеосевого вулканизма (удаленного от спре-динговых центров), подобных современным океаническим плато [7, 10].

Формирование силицитов, происходившее в перерывах между фазами вулканической активности, было обусловлено химическим осаждением кремнезема из метастабильных коллоидных растворов, связанных с деятельностью гидротермальных систем в придонных областях.

Вполне вероятно, что флюидные растворы глубинной циркуляции в архейских бассейнах, подобно современным морским гидротермальным системам, характеризовались повышенной температурой и, наряду с кремнеземом, были обогащены СО2 и СН4 [2], делая среду потенциально благоприятной для развития термофильных хемо-литотрофных микроорганизмов.

В результате исследования древнейших силицитов Фенноскандинав-ского щита впервые установлено, что на данной территории 3.0—2.9 млрд лет назад существовали специфические сообщества микроорганизмов, представленные трубчатыми нитевидными бактериальными формами, имеющими органическую оболочку и центральную полость. Размеры построек достигали 100 мкм в диаметре при высоте нитевидных отростков 200—600 мкм. Важно подчеркнуть, что основные оазисы жизни были локализованы в зонах гидротермальной активности, связанной, в данном случае, с подводным коматиитовым вулканизмом. В этих условиях развивались хемолитотрофные микроорганизмы, для метаболизма которых не нужны ни солнечный свет, ни кислород, поскольку все необходимые для хемосинтеза компоненты поставлялись с продуктами поствулканической деятельности.

Исследования ведутся в рамках программы фундаментальных исследований № 28 Президиума РАН «Проблемы происхождения жизни и становления биосферы», проект «Реконструкция

20мкм

1 '20 м км

Рис. 3. Электронно-микроскопические изображения древнейших мезоархейских (3.0— 2.9 млрд лет) фоссилизированных микроорганизмов, выявленных в хемогенных си-лицитах Хаутаваарской структуры Ведлозерско-Сегозерского зеленокаменного пояса: а — длинный окремнённый чехол нитчатого микроорганизма; б — увеличенная деталь стенки чехла с обрастанием мелкими гранулами кремнезёма, образовавшимися на стенке лопнувшего чехла в процессе фоссилизации; в — эффект скручивания трубчатого чехла микроорганизма; г — нижняя часть предполагаемой колоний нитевидных трубчатых микрофосилий, представляющая в поперечном сечении округлые агрегаты, крепящиеся к породе пленкообразным бактериальным агрегатом; деформированные чехлы микроорганизмов: д — скрученный и уплощенный; е — с разорванными стенками на обоих концах трубки

древнейших (3.8—3.0млрд лет) условий становления и последующего развития микробиальных сообществ раннего докембрия на примере восточной части Фенноскандинавского щита» и поддержаны грантом РФФИ 11-05-93959-ЮАР_а.