LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 2
(всего 3)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

По-видимому, Земля не могла образоваться раньше этого времени, которое впервые вычислил в 1937 г. советский ученый Иосиф Евсеевич Старик. Но часть изотопов свинца, присутствующих в земной коре, по всей вероятности, имеет досолнечное происхождение и была унаследована Землей от протопланетного облака. Значит, возраст Земли должен быть несколько меньше.
В 1961 г. американский исследователь Уильям Фаулер и английский математик Фред Хойл, проанализировав данные астрофизики и ядерной физики, пришли к выводу, что последний космический ядерный синтез, повлиявший на состав протосолнечного вещества, мог произойти 4,7+0,1 млрд. лет назад. С определенной условностью этот момент и принимается ныне как предполагаемое время образования Земли.
Параллельно с изучением планетарных закономерностей, определяющих хронологическую последовательность космических событий в ходе формирования Земли, активно проводятся исследования по геохронометрии отложений, слагающих земную кору. Однако определения абсолютного возраста, несмотря на их важное значение, долгое время существовали как бы сами по себе, не будучи четко привязанными к делениям шкалы относительной геохронологии, являющейся фундаментом большинства геологических построений. И хотя с первых же шагов своего развития абсолютная геохронология совершенствовалась и непрестанно повышала точность определений возраста, ее выводы не могли быть использованы геологами в должной мере, и стратиграфия (учение о последовательности земных отложений) продолжала держать эту молодую науку на положении падчерицы.
Увязать цифры абсолютного возраста с данными относительной геохронологии оказалось делом нелегким. Для этого потребовалось несколько десятилетий. И только в 1947 г. английский исследователь Артур Холмс опубликовал первую общую шкалу геологического возраста.
Для того чтобы создать свою шкалу, Холмс взял за основу пять образцов горных пород, геологическое положение которых было достоверно известно и могло быть соотнесено с определенными подразделениями таблицы относительной геохронологии. Установив абсолютный возраст этих отложений, он получил «остов» шкалы абсолютного летоисчисления.
Чтобы восполнить оставшиеся весьма значительные пробелы в сведениях о возрасте остальных периодов, Холмс предположил, что время, необходимое для образования тех или иных отложений, пропорционально их мощности. Чем больше осадков отложилось на протяжении геологического периода, тем дольше он длился. Холмс выбрал наибольшие значения мощностей для каждой геологической системы и распределил временные интервалы по периодам в соответствии с этими величинами.
Так был создан своеобразный календарь, в котором рядом с общепринятыми названиями эр и периодов земной истории были указаны возраст отложений и протяженность каждого отрезка времени, выраженные в единицах абсолютного летосчисления - в годах. Новая шкала необыкновенно быстро получила признание геологов всего мира.
Однако не прошло и десяти лет со дня опубликования работы Холмса, как стало совершенно очевидно, что существующие представления о протяженности геологических периодов должны быть пересмотрены. С учетом новых данных был внесен ряд уточнений и создана геохронологическая шкала, которая существенно отличалась от первоначальной схемы Холмса. Во всем мире ведутся сейчас исследования по определению абсолютного возраста геологических формаций.
Современная геохронологическая шкала охватывает в основном последний этап земной истории, состоящий из трех эр: палеозойской, мезозойской и кайнозойской. Существует несколько вариантов шкал, предложенных различными авторами или коллективами исследователей. Оценка возраста отдельных стратиграфических границ в этих шкалах не всегда совпадает. Наиболее существенными являются расхождения в определении возраста нижней границы кембрия, который устанавливается в пределах 560-600 млн. лет, границы кембрия и ордовика - от 480 до 515 млн. лет, а также нижнего и верхнего рубежей карбона - соответственно 320-370 и 270-300 млн. лет.
В этой главе помещена геохронологическая шкала фане-розоя (табл. 3), наиболее часто используемая в нашей стране. Она базируется на обобщении оценок абсолютного возраста, предложенных в середине 70-х годов Георгием Дмитриевичем Афанасьевым и Сергеем Ивановичем Зыковым.




Таблица 3 Геохронологическая шкала фанерозоя
Исследования более поздних лет принесли много новых точных измерении абсолютного возраста. Но увязка их со шкалой относительного летосчисления далеко не всегда бывает достаточно надежной. И самая большая сложность заключается в том, чтобы найти такие районы, где есть породы и минералы, позволяющие «отцифровать» время формирования слоев, образовавшихся на границах геологических периодов, эпох и веков.
В 1982 г. группа английских и американских ученых: У.Б.Харленд, А.В.Кокс, П.Дж.Ллевеллин, К.А.Дж.Пиктон, А.Дж.Смит и Р.Уолтере - завершила специальное исследование, целью которого было уточнение возрастной датировки границ стратиграфических подразделений. Опубликованные ими оценки возраста получены в результате измерении, выполненных с использованием высокоточной лабораторной техники. Но палеонтологическое обоснование некоторых стратиграфических уровней, для которых даны эти абсолютные датировки, не всегда можно признать бесспорным. Потребуется еще немало времени, чтобы разрешить все дискуссионные вопросы.
Тем не менее совершенно ясно, что для отложений, принадлежащих фанерозойской эонотеме, уже создан подробный календарь абсолютного возраста, отвечающий основным задачам сегодняшних геологических исследований.
Для докембрийского времени такой детальной шкалы еще нет. Для этого огромного этапа земной истории разные исследователи предлагают различные возрастные схемы. Но полного согласия между этими схемами пока еще не достигнуто ни по терминологии, ни по критериям, позволяющим проводить границы между более или менее дробными геологическими подразделениями. Однако уже можно суммировать имеющиеся представления в виде генерализованной схемы. Такова приведенная здесь геохронологическая шкала до-кембрия (табл. 4).
Нижняя граница азойского зона проводится по-разному. Одни исследователи соотносят ее с максимально отдаленным временем, когда могло начаться сгущение протопла-нетного облака, породившего Землю (5,3-5,4 млрд. лет назад); другие-с гипотетическим моментом образования Земли как планеты (4,5-4,7 млрд. лет); третьи считают, что вообще нет необходимости выделять этот зон, поскольку важнейшие события, произошедшие на его протяжении, являются «¦догеологическими». Некоторые зарубежные ученые предлагают для этого зона не очень удачное название - «прискойский» (от латинского слова «прискус» - древнейший, изначальный, патриархальный).
Но так или иначе, азойский эон - это вполне реальный этап истории Солнечной системы, завершившийся консолидацией космического вещества в планетное тело, которое на первой стадии своего существования, по-видимому, было лишено органической жизни.
Установление следующего - архейского, или археозойского, - зона признается всеми учеными. Нижняя его граница может быть условно проведена на уровне 4,0 млрд. лет, поскольку выше этого рубежа появляются сильно метаморфизованные породы, содержащие соединения углерода, что может свидетельствовать о первых проявлениях органической жизни. В пределах археозоя фиксируются две наиболее существенные границы-3500 и 3100 млн. лет, разделяющие ранне-, средне- и позднеархеозойские отложения.



Надо отметить, что термин «археозойский» был предложен раньше, чем «архейский», и согласно правилам стратиграфической номенклатуры имеет преимущество приоритета. Но наименование «архей» прочно укоренилось в геологической литературе для обозначения соответствующей эонотемы и потому может быть сохранено в качестве равноправного синонима.
Верхняя граница архея, согласно рекомендации Межведомственного стратиграфического комитета СССР, принимается на уровне 2600 млн. лет. Вслед за тем начинается протерозойский зон. Входящие в его состав Карелии, рифей и венд разделяются возрастными рубежами 1650 и 680 млн. лет. Кроме того, внутри карелия устанавливаются более дробные подразделения, границы между которыми отвечают 2300 и 1900 млн. лет.
Помимо этих стратиграфических единиц, признаваемых ,Ц геологами большинства стран, в докембрийских отложениях фиксируются границы на уровнях 3300, 2900, 2100, 1300, 1100 млн. лет и некоторые другие, геологическое значение которых не имеет пока однозначного истолкования.

В СТЕНАХ ЛАБОРАТОРИИ
О трассерах, пламенных фотометрах и терпении
Несмотря на простоту принципа оценки абсолютного возраста горных пород, сама процедура определения весьма сложна и требует не только тщательного отбора образцов, подлежащих анализу, но и использования высокоточной техники. Радиологические методы чрезвычайно чувствительны ко всевозможным изменениям минералов и горных пород, происходящим в результате различных процессов, протекающих в земной коре и даже за ее пределами. Поэтому первым залогом того, что полученное в лаборатории значение возраста горной породы будет соответствовать истине, является прежде всего правильный отбор каменного материала.
Пробы для анализа обязательно должны быть взяты с таким расчетом, чтобы результаты могли дополнить друг друга или позволили осуществить взаимную проверку. Поэтому наиболее подходящие участки для взятия проб следует выбирать заранее с учетом всех известных геологических сведений о районе.
Каждый взятый образец должен быть пронумерован и снабжен этикеткой, в которой указываются: фамилия геолога, организация, год сбора, район, конкретное место, где был взят образец, положение точки отбора пробы в геологическом разрезе, название горной породы или минерала, подлежащих анализу. Если в тех слоях, откуда взяты образцы, известны находки ископаемых остатков животных или растений, то к образцу должно быть приложено также палеонтологическое обоснование его возраста. Кроме того, к направляемому в геохронологическую лабораторию материалу прилагается выкопировка с геологической карты, на которой точно отмечаются положение образца на местности и взаимоотношение исследуемых слоев с более древними и более молодыми отложениями.
Небольшие кусочки породы, отколотые от образца, предназначенного для анализа, обрабатываются на шлифовальном станке до тех пор, пока они не превратятся в тонкие прозрачные лепестки. Такой лепесток - его называют шлиф - наклеивается на стекло и подробно изучается под микроскопом. В результате этого изучения уточняется название горной породы, выявляются особенности ее внутреннего строения и устанавливается степень сохранности минералов, содержащих радиогенные элементы. Изготовленные шлифы также направляются в лабораторию, они могут пригодиться при интерпретации результатов анализа.
Следующий вопрос, который встает перед геологом при отборе пробы, заключается в том, какие минералы и породы и в каком количестве должны быть посланы на анализ. Если предполагается использовать аргоновый метод, геолог обычно останавливает свой выбор на слюде, амфиболе или некоторых других минералах (об одном из них пойдет речь позже). Стронциевый метод требует отбирать минералы, содержащие рубидий, т. е. калиевый полевой шпат или слюду. А свинцовый метод хорошо «работает», если в распоряжение аналитиков будут предоставлены урановые, ториевые или так называемые акцессорные минералы (например, ортит, монацит, циркон).
Количество минералов, необходимое для установления абсолютного возраста, зависит от технической оснащенности лаборатории, метода определения и относительного возраста вмещающих пород. Чем древнее отложения, с которыми имеет дело геолог, тем меньше требуется вещества для оценки их возраста. В этом нетрудно убедиться, взглянув на приведенную здесь табл. 5, которую составила известный советский геохронолог Наталия Иосифовна Полевая. При наличии хорошей техники эти количества могут быть уменьшены.
Но очень часто минералы, содержащие радиоактивные изотопы, бывают изменены в результате различных геологических и геохимических процессов. Вследствие этих воздействий радиоактивные элементы и продукты их распада могут быть частично или полностью утрачены горной породой. Поэтому для геохронологических исследований необходимо всегда выбирать «свежие», нетронутые выветриванием или деформациями образцы минералов и пород.
Большие кристаллы слюды иногда можно собрать прямо на естественных обнажениях. Их расщепляют на тонкие листочки и нарезают мелкими ломтиками от 3 до 5 мм. Затем их тщательно перемешивают и разделяют на две части: одну используют для определения аргона, другую после тонкого измельчения - для определения калия.
Но в большинстве магматических, метаморфических и осадочных пород слюды содержится сравнительно немного - от 1 до 10%, и встречается она обычно в виде мельчайших чешуек. В подобных случаях на обнажении берут большую пробу горной породы - до 25 кг. В лаборатории породу дробят до тех пор, пока обломки по размерам не станут равными средним кристаллам слюды (обычно чуть меньше 0,5 мм). Эту измельченную смесь просеивают, провеивают, подвергают обработке тяжелыми жидкостями и воздействию электромагнита, пока не отделится от всех примесей чистая слюда. Таким же способом освобождают из породы амфиболы и полевые шпаты.

Таблица 5 Минимальное количество минералов (г), необходимое для установления абсолютного возраста


Для того чтобы извлечь из породы акцессорные минералы, а также минералы урана, тория, титана и редких земель, бывает, что небольших проб (до нескольких килограммов) оказывается недостаточно. Иногда приходится брать пробы до полутонны. Конечно, не может быть и речи, чтобы вывезти подобную пробу из удаленного района. Поэтому породу, предназначенную для определения абсолютного возраста, дробят на месте и промывают на лотке, пока не останется от массивной глыбы горка тонкого порошка - шлих. Этот порошок и направляют в лабораторию.
Кроме уже упоминавшегося свинцово-изотопного метода существует его вариант, называемый свинцово-изохронным методом. Им можно воспользоваться для оценки возраста не по отдельным минералам, а по всей породе в целом или, как говорят, по валовой пробе породы. Так устанавливают время образования известняков и многих метаморфических пород, например железистых кварцитов. В этом случае для анализа необходимо взять серию проб массой от 3 до 8 кг, причем во избежание ошибок при определении возраста каждая проба должна по возможности представлять собой монолитный образец. Верхний выветрелый слой породы удаляют. А иногда, чтобы получить совершенно «свежие», не затронутые процессом разрушения образцы, бурят специальные скважины или закладывают горные выработки.
Аналогичным путем отбирают пробы магматических пород, валовый состав которых может быть проанализирован рубидий-стронциевым методом, но их масса может быть поменьше - до 5 кг.
При определении абсолютного возраста много неприятностей подстерегает геохронолога уже на самом начальном этапе исследования. Нелегко добиться чистоты минерала, удалить из дробленой массы все вредные примеси, которые могут исказить результаты. Урановые минералы пронизываются тончайшими каналами, заполненными силикатной породой. Надо во что бы то ни стало очистить эти минералы от кварца. Вместе с калиевым полевым шпатом встречается плагиоклаз. Можно ли полностью отделить их друг от друга? А то вдруг объединились калиевые шпаты разного происхождения. Как рассортировать этих коварных родственников?
К услугам лабораторного работника хитроумная методика и различная вспомогательная техника. Но техника пока еще не всегда бывает в силах помочь исследователю. Тогда он включает осветитель, настраивает бинокулярную лупу и, вооружившись иглой, начинает выуживать из лежащей на предметном столике смеси зёрна необходимого минерала. Одно зерно, два, .... сотни... На профессиональном языке это называется методом ручного отбора.
Полученные фракции чистых минералов тщательно исследуют под микроскопом. Наличие зональности, включений посторонних веществ, мельчайших трещин и проростков других минеральных образований может сильно исказить радиологический возраст. Но в обычных шлифах не всегда удается увидеть эти дефекты. Тогда обращаются к современным физико-химическим методам.
Микрозондовый анализ позволит выявить скрытую зональность зерен цирконов и калиевых полевых шпатов, которые под микроскопом выглядели совершенно однородными. Тем самым будут предупреждены от заведомой ошибки свинцово-изотопные и калий-аргоновые определения. Для использования рубидий-стронциевого метода пригодны только такие пробы, где рубидия больше, чем стронция. При этом чем моложе порода, тем выше должно быть отношение рубидия к стронцию. Содержания этих элементов устанавливаются рентгеноспектральным методом. А степень неоднородности вещества и сохранность радиогенных изотопов в кристаллических решетках минералов можно проследить методами инфракрасной спектрометрии, ядерного гамма-резонанса и рентгеноструктурного анализа.
Весь минеральный материал, который не может обеспечить требуемую точность определений возраста, отбраковывается. И только всесторонне изученные, отвечающие необходимым условиям пробы поступают в дальнейшую обработку.
Следующий этап - радиометрическое определение возраста. На этом этапе царят точные методы. Химия, физика и техника вступают здесь в тесное содружество с геологией. Рассчитанное время, строгий эксперимент, четкость действий. Конечные результаты будут зависеть от успехов этой работы. Сложен объект изучения и сложны приборы. Вакуумные установки, пламенные фотометры, ионные коллекторы, термопары... Основное требование, предъявляемое к аппаратуре в геохронологической лаборатории, - точность. Надо избежать загрязнения реактивов, непрерывно следить за нормальным режимом работы установок, не допустить спада давления.
С помощью масс-спектрометра определяется изотопный состав изучаемых элементов. Один из блоков прибора - ионный источник - вызывает появление ионов, характерных для данного образца. Под действием магнитного поля ионный луч разделяется на ряд потоков. Измерив энергию этих потоков, которая пропорциональна содержанию различных изотопов в минерале, геохронолог по соответствующим формулам находит возраст минерала с учетом периода полураспада входящих в его состав радиоактивных элементов.
Результаты анализа могут быть зафиксированы и на фотопленке. Такая регистрирующая установка называется масс-спектрографом.
Памятуя о том, сколь сложно было получить исходный материал для анализа, работники лабораторий стремятся, насколько это возможно, сократить количество минерала, потребное для определений абсолютного возраста. Сохранить при этом точность и достоверность результатов удается с помощью метода изотопного разбавления. Заключается он в следующем.
Некоторое количество вещества, предназначенного для анализа, растворяют и смешивают со строго измеренной дозой элемента-трассера, резко отличающегося по изотопному составу от исследуемого природного образования. Перемешивание продолжают до тех пор, пока не будет получена совершенно однородная смесь. Теперь образец подготовлен к анализу. Какой бы химической обработке ни подвергался раствор в дальнейшем, изотопный состав смеси останется неизменным. Зная, сколько трассера приходится на единицу анализируемого вещества, можно судить и о количестве исходного элемента.
Этот метод позволяет обнаруживать даже самые ничтожные содержания элементов в породе. С его применением количество минерала, необходимое для определения возраста, во много раз уменьшается. Для аргонового метода, например, оно может быть сокращено приблизительно в пять раз.
Часто определение абсолютного возраста ведут параллельно по нескольким парам изотопов. Если данные совпадают или расхождение между результатами не превышает 5%, есть основание считать полученные результаты достоверными. Остается лишь внести поправки на условия проведения опыта, учесть возможность наличия посторонних примесей, которые могли все-таки, несмотря на все предосторожности, примешаться к реагентам, - и на стол геохронолога лягут цифры, выражающие возраст земных слоев в абсолютных единицах - годах.
Используя различные комбинации изотопов, анализируя комплексы минералов, подвергая породы микроскопическому изучению, выявляя степень их сохранности и характер более поздних (наложенных) геохимических процессов, во многих случаях удается с достаточной точностью установить время геологических событий.

НЕОЖИДАННЫЕ ЗАТРУДНЕНИЯ
Об искусстве скрывать число прожитых лет
Все операции по определению абсолютного возраста выполнены правильно. И методика выбрана обоснованно, и технические условия соблюдались неукоснительно. А результат анализа никуда не годится. Не вяжется он ни с представлениями геологов, ни с истинным положением пород в земной коре.
Такая невеселая ситуация возникала не раз. И чем больше анализов получали радиологи, тем яснее становилось, что в теле Земли действуют некие силы, словно поставившие себе целью сбить абсолютную геохронологию с верного пути.
Очень часто под влиянием всевозможных причин отдельные химические элементы, а иногда и целые семейства их покидают решетку материнского минерала. Одни из них рассеиваются в пространстве, другие находят приют во встреченных на пути минералах и, прервав свое путешествие, приживаются в кристаллах нового хозяина, пока геохимические процессы не позовут их снова в дорогу. Это явление получило название миграции элементов.
На место ушедших атомов приходят элементарные частицы других веществ. Иногда горная порода может испытать настоящее нашествие чужеродных элементов. Пришельцы захватывают в свое владение все новые и новые кристаллические решетки и заставляют минералы перерождаться. Стоит породе утратить хоть немного аргона или приобрести добавочный калий, как уменьшится отношение аргон-40/калий-40 и соответственно снизится возраст горной породы.
Если же растущий минерал в силу тех или иных причин захватит избыточный аргон либо утратит некоторое количество калия, отношение этих радиоизотопов увеличивается, что создаст впечатление, будто бы порода старше, нежели в действительности.
Частичная, а что еще хуже полная, потеря минералами радиогенного аргона, скапливавшегося в них на протяжении геологической истории, является наиболее существенной причиной «омоложения» результатов, полученных аргоновым методом. Потеря эта может быть вызвана и кристалло-химическими особенностями самих минералов, и различной устойчивостью их внутренних структур, и всевозможными внешними воздействиями - температуры, давления, природных растворов и других сил.
Для того чтобы узнать условия сохранения аргона в породе, было проведено множество сравнительных анализов. Исследовались общие, или, как их называют, валовые, пробы горных пород. Затем из той же породы брались порознь полевые шпаты и слюды. Для всех этих трех веществ определялся абсолютный возраст. Когда накопилось достаточное количество результатов, стали выявляться некоторые закономерности.
Выяснилось, например, что наибольший возраст обычно показывает слюда, а наименьший - полевой шпат. Для древнейших пород Земли разница в возрасте этих минералов, выделенных из одних и тех же пород, составляет от 300 до 500 млн. лет. Для палеозойских образований она исчисляется десятками миллионов лет, а в новейших отложениях не превышает нескольких миллионов лет. Возраст валовой пробы занимает при этом некоторое среднее положение. Лучше всего сохраняется аргон в минералах, не подвергавшихся за время своего существования перегревам, которые могли бы вызвать изменения кристаллической структуры.
Достаточно нагреть полевой шпат до нескольких сотен градусов Цельсия, чтобы в его внутреннем строении произошли заметные перемены и аргон начал покидать кристаллическую решетку минерала. Но при той же температуре слюды стремятся сохранить свое прежнее строение и преобразуются значительно медленнее. До 1300° С необходимо нагреть светлую слюду мусковит, чтобы она утратила весь радиогенный аргон.
Казалось бесспорным, что аргон лучше всего сохраняется в слюдах. И вдруг - обратная закономерность: в некоторых образцах полевой шпат удерживает атомы радиогенного аргона лучше, чем находящаяся рядом слюда. Оказалось, снова виновата температура. На каждом тепловом рубеже любой минерал может выделить лишь некоторое количество содержащегося в нем аргона. Потом утечка газа прекращается и может возобновиться лишь при очередном нагревании. А вот скорости, с которыми аргон покидает кристаллическую решетку слюд и шпатов, не совпадают. Поэтому и получается иногда такое несоответствие.
Опасность ошибки в результате появления в породе избыточного аргона, захваченного кристаллами минералов во время их роста, значительно меньше. Это явление наблюдается нечасто и к тому же присуще лишь немногим минералам, которые редко используются для определения абсолютного возраста. Иногда ничтожные количества такого аргона обнаруживаются в эффузивных породах и туфах, но и здесь они крайне редки.
Зато в слюдах, взятых из метаморфических пород, радиолога могут ожидать подвохи. В кристаллах слюды сплошь и рядом можно обнаружить некоторое количество избыточного аргона. Его называют реликтовым или унаследованным. Присутствие такого аргона ощутимо удревняет абсолютный возраст. И что самое неприятное - полученный результат не дает возможности даже судить о том времени, когда порода подверглась изменениям.
Глубинные растворы приносят калий, высокая температура нарушает устоявшийся режим горной породы, и, повинуясь их требованиям, «бредут» атомы по своим кристаллическим «кочевьям». Проникает подобный раствор в докембрийские интрузивные образования, и в них начинают расти новые молодые минералы. Минералы такого происхождения не могут указать на истинный возраст горной породы.
Тем не менее такие новообразования представляют для радиолога определенный интерес. Хотя они и не позволяют решить основную задачу, но зато с их помощью можно достаточно точно установить время, когда горная порода подверглась преобразованию. А это очень важно для изучения геологического развития той или иной территории и воссоздания истории активности земных глубин.
А на поверхности породы, открытой действию дождя, ветра и солнца, протекают противоположные процессы - идет разрушение. Здесь кристаллическая структура минералов утрачивает калий. Даже невооруженным глазом можно заметить это необратимое изменение. Теряя калий, выветрелые полевые шпаты покрываются тонкой пленкой глинистых образований. Эта пленка постепенно утолщается, захватывает внутренние области кристаллов и в конце концов вместо прочного полевого шпата в породе остается лишь совершенно лишенная калия белая глина - каолин.
На первых порах соотношение калия и аргона в некоторых минералах сохраняется. Слюды, например, разрушаются последовательно, слой за слоем, и оба элемента покидают их кристаллическую решетку в количестве почти пропорциональном. И хотя аргон утрачивается слюдой все-таки немного быстрее, это не влияет существенно на результаты определения возраста. Но так обстоит дело только в начальной стадии выветривания. Пройдет время, и эти минералы тоже потеряют свою геохронологическую ценность.
Подземные грунтовые воды, насыщенные кальцием, высасывают калий из слюд и полевых шпатов. А еще глубже уже другие воды - выделяющиеся из магмы - вызывают замещение калия натрием.
В слюдах и полевых шпатах в резулы-ате геохимических процессов может изменяться также количество рубидия и стронция. Если рубидий займет в кристаллах слюды место калия (а это нередко происходит при стечении определенных условий), возраст породы неизбежно окажется заниженным. Стронций же при метаморфических преобразованиях, наоборот, переходит из слюды в окружающие ее минералы, в частности в полевые шпаты. Поэтому определение возраста метаморфических образований, сделанное по слюдам, «омолодит» исследуемую породу, а радиологические данные, полученные для полевых шпатов той же породы, напротив, «состарят» ее.
Правда, перемещения рубидия и стронция сравнительно невелики. Теоретически можно утверждать, что даже в небольшом куске породы, несмотря на все изменения, сохраняется первоначальное соотношение стронция-87 и рубидия-87. Казалось бы, следует анализировать не отдельные минералы, а их совокупность - валовую пробу породы.
Но выяснилось, что в валовых пробах обычно присутствует огромное количество обыкновенного - нерадиогенного - стронция, в десятки раз превышающее содержание радиогенного изотопа этого элемента. Дело сразу осложнилось. Если знать изотопный состав обычного стронция, можно было бы внести соответствующие поправки и все-таки выяснить истинный возраст породы. Но, к сожалению, радиологам изотопный состав стронция, как правило, не известен.
Свинцово-изотопный метод, по-видимому, имеет существенные преимущества перед аргоновым и стронциевым. Так, с его помощью возраст минералов может быть исчислен по четырем парам отношений:
свинец-206, свинец-207, свинец-207, свинец-208
уран-238' уран-235' свинец-206' тории-232
Но тому моменту, когда образец попадает в геохронологическую лабораторию, предшествует длившаяся миллионы лет жизнь горной породы. За это время в ней происходит ряд радиоактивных превращений, что может сопровождаться миграцией как материнских и дочерних изотопов, так и любого из промежуточных радиоэлементов. Привнес или вынос хотя бы одного из них может существенно повлиять на результаты определения возраста.
Поэтому, для того чтобы быть уверенным в своих заключениях, геохронолог должен проверить совпадение результатов по всем четырем парам изотопов. Правда, такое совпадение бывает на практике нечасто. Но если одинаковые или близкие данные о возрасте получены по всем четырем изотопным отношениям, радиологическому заключению, по-видимому, можно верить.
Изотопные отношения имеют различную чувствительность к геохимическим процессам. Наиболее чутко отзывается на уменьшение количества свинца отношение его изотопов, обладающих атомной массой 206 и 207.
Свинец-206 мигрирует одновременно и в строгой пропорции со своим собратом, имеющим атомную массу 207. Поэтому для минералов, происходящих из докембрийских пород, для которых отношение этих изотопов определяется с наиболее высокой точностью, цифра, вычисленная по свинцу, является наиболее достоверным показателем возраста. Даже если минерал испытал утрату урана или тория, отношение сви-нец-207/свинец-206 сохраняет свою надежность.
Но при анализе образцов, возраст которых моложе 600 млн. лет, свинцовое отношение измеряется очень неточно, и поэтому приходится отдавать предпочтение другим изотопам. На первое место выступают пары
свинец-206/уран-238, свинец-207/уран-235, свинец-208/тории-232
Объяснить расхождение возрастной датировки бывает иногда трудно еще и потому, что изотопный состав свинца, привнесенного в породу, может оказаться различным. Что же касается потери свинца минералами, то здесь недостаточно ясны не только причины, но и сам ход химических процессов, которые могут протекать совершенно по-разному в зависимости от геологических условий и от того, насколько давно затронули породу геохимические изменения.
Пожалуй, наиболее просто установить возраст интрузив-ных пород. Они образовались в результате кристаллизации магматического расплава, и все их минералы родились, грубо говоря, одновременно. Если эти породы не претерпели за время своего существования каких-либо серьезных изменений (а выявить это, в общем, возможно), возраст их, определенный различными методами, будет приблизительно одинаков.
Но достаточно даже незначительных тепловых воздействий, проникновения магматических растворов или химического замещения в составе породы, как положение резко ухудшается. Аргон покидает кристаллическую решетку слюд и других содержащих калий минералов, меняется соотношение радиоактивных изотопов в акцессорных минералах. В результате породы целых районов оказываются значительно омоложенными по сравнению с их истинным возрастом.
Еще сложнее обстоит дело с породами, измененными нагревом и проникающими растворами. Здесь могут иметь место и привнес новых элементов, и уменьшение количества старых, и миграция составных частей породы. В подобных случаях радиологи пытаются определять возраст разных компонентов породы разными методами: акцессорных минералов - свинцово-изотопным, первичных амфиболов - аргоновым, реликтовых слюд - стронциевым. И хотя иногда результаты этих анализов расходятся, нередко все-таки удается прийти к более или менее определенному заключению.
Калий-аргоновый метод применим для датирования магматических, метаморфических, а в некоторых случаях и осадочных пород. Но поскольку этим методом возраст может определяться по результатам анализа только какого-либо одного минерала, использовать его для анализа валовых проб породы нельзя. Оценка абсолютного возраста может считаться заслуживающей доверия лишь при условии, что радиологические наблюдения по нескольким минералам совпадают. Поэтому чтобы получить надежные выводы, стараются, например, продублировать определения, сделанные по слюде, - результатами по калиевому шпату или амфиболу, а данные по амфиболу в свою очередь подтвердить анализами пироксена или плагиоклаза. Если же это невозможно (а такое случается, когда исследованию подлежат так называемые мономинеральные породы, например амфиболиты), надо проконтролировать полученные результаты другими радиологическими методами.
Но при всех условиях необходимо, чтобы анализируемая порода на протяжении своего существования не испытала ни потерь аргона или калия, ни обогащения этими элементами. Для докембрийских образований вероятность сохранения пород в первозданном состоянии ничтожно мала. Поэтому для древнейших отложений калий-аргоновый метод может применяться лишь в рекогносцировочных целях. Зато при датировании фанерозойских пород им можно пользоваться со значительной уверенностью.
Огромным преимуществом этого метода является его высокая производительность. Многие десятки тысяч анализов, характеризующих соотношение калия и аргона в горных породах, позволяют не только устанавливать возрастную принадлежность отдельных точек геологического разреза, но и создавать модели развития палеотектонических обстановок, магматизма и рудообразования.
Рубидий-стронциевый метод обычно используется для анализа валовых проб магматических и метаморфических пород. Возраст осадочных отложений этим методом не устанавливается. Как и при калий-аргоновом методе, надежность полученных результатов существенно зависит от того, в какой мере сохранила порода изначально присущее ей содержание рубидия и стронция. Но поскольку способность к миграциям у стронция значительно слабее, чем у аргона, этот метод может применяться при изучении не только фанерозойских, но и докембрийских образований.
Свинцово-изотопный метод наиболее пригоден для определения возраста пород, претерпевших длительные (и даже неоднократные) преобразования. Поэтому он особенно удобен при изучении докембрийских пород. С помощью именно этого метода был установлен архейский возраст метаморфических пород Станового хребта (более 3 млрд. лет) и Омодонского массива (3,4 млрд. лет), железистых кварцитов Чарского месторождения в регионе Байкало-Амурской магистрали (2,65 млрд. лет), гнейсов Енисейского кряжа (4,1 млрд. лет) и многих других древнейших образований.
Возможность представить надежное свидетельство достоверности определений сделала свинцово-изотопный метод одним из самых авторитетных в геохронологии. Неоднократно доводилось этому методу играть роль своеобразного арбитра при решении научных споров о возрасте древних отложений. В качестве примера можно привести известный случай, когда свинцово-изотопным методом было установлено время формирования гнейсов Камчатского массива^-1300 млн. лет назад. Возраст этих пород по определениям калий-аргоновым методом считался равным 100-150 млн. лет, а по данным рубидий-стронциевого анализа - 487 млн. лет.
Но на пути широкого применения свинцового метода стоят три препятствия: сложность, трудоемкость и, что едва ли не самое главное, длительность подготовки материала к анализу. Удастся ли найти такие способы, которые помогли бы преодолеть эти объективные трудности?
Исходным материалом для определения геологического возраста служат многие минералы и горные породы из многих регионов земного шара. Но можно ли считать равноценными все полученные результаты? Среди радиологов нет единого мнения о том, какой минерал может наилучшим образом указать возраст земных слоев, сформировавшихся в той или иной обстановке.
Каждый геохронологический метод имеет свои ограничения. Сформулированы ли они полностью? Пока нет. Несмотря на значительные успехи, абсолютная геохронология все еще находится в стадии становления.
Получить истинные значения возраста можно лишь при условии, если экспериментально установленное отношение элементов не нарушалось в течение всего существования горной породы. Так бывает очень редко. Однако путем совместного применения различных геохронологических методов удается в значительной степени приблизиться к истинной датировке древних отложений.
Даже в тех случаях, когда аналитическое исследование бессильно указать время возникновения пород, оно позволяет установить возраст преобразований, под действием которых породы обрели свой нынешний облик. Выявить общие закономерности геохимического поведения элементов, которые могут служить индикаторами возраста, и объяснить причины, вызывающие «возрастные аномалии», - важнейшая задача геохронологии. Задача эта сложная, и решена она пока далеко не в полной мере. Но уже сделаны первые шаги к ее решению.

СОВСЕМ НЕДАВНО
О древнем угле и возрасте археологических находок
Взглянув на таблицу продолжительности геологических периодов фанерозоя, мы увидим, что длительность каждого из них определена с точностью, не превышающей 1 млн. лет. В среднем это, пожалуй, предел детальности, с которой действуют методы, использованные при построении геохронологической шкалы. А как быть, если необходимо выяснить возраст слоев, образовавшихся сравнительно недавно, например, на протяжении последнего миллиона лет? Оказалось, что это возможно. Надо только подобрать для эксперимента пары других исходных и конечных продуктов радиоактивного распада. После интенсивных поисков было выбрано несколько пар таких химических элементов и предложен ряд новых методов определения абсолютного возраста.
В пределах 300 тыс. лет действуют радий-урановый и радий-актиниевый методы. Они удобны для датировки геологических образований в тех случаях, когда требуемая точность не превышает 4-10 тыс. лет.
Но очень часто в геологии и археологии бывает необходимо выяснить возраст так называемых новейших событий, произошедших в последние 10-12 тыс. лет. В этом случае определить возраст можно по содержанию радиоактивного изотопа углерод-14 (14С). Этот сравнительно недолговечный изотоп (его период полураспада около 5730 лет) непрерывно образуется в высоких слоях атмосферы в результате соединения азота со свободными нейтронами, появляющимися под действием космического излучения. Окисляясь, углерод входит в состав углекислого газа; в процессе обмена веществ он усваивается живыми организмами и включается в круговорот углерода, происходящий в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли.
Скорость, с которой идет образование нейтронов в атмосфере, известна. Известно также, что большинство из них расходуется на создание радиоактивного углерода. Значит, можно рассчитать, насколько ежегодно увеличивается количество изотопа углерод-14. Но если какой-либо органический объект (допустим, растение), в составе которого есть радиоактивный углерод, по тем или иным причинам окажется изъятым из углеродного круговорота, количество углерода-14 в его тканях перестанет возрастать. А тот радиоактивный изотоп, который успел накопиться ранее, будет продолжать распадаться.
Проведя соответствующие измерения, можно, например, убедиться, что содержание углерода-14 в обломке древесины, взятом из раскопа палеолитического могильника, будет заметно меньше, чем в стволах деревьев, растущих ныне. Если же установить отношение количества радиоактивного изотопа и содержания других форм углерода (12С и 13С), то с учетом периода полураспада изотопа углерод-14 можно вычислить время, когда было срублено дерево, наиденное в захоронении.
Открытие углеродного метода было большим подспорьем для многих областей науки, поскольку углерод содержится и в костях животных, и в мышцах, и в растительных тканях - словом, в любых органических остатках, с которыми имеют дело исследователи минувших эпох.
С помощью углеродного метода можно определить время исторических событий, возраст древних построек, манускриптов, домашней утвари. Изучив разрез почвы на местах поселений первобытного человека, можно восстановить и проследить во времени историю жизни наших предков. Остатки золы древних кострищ, кости домашних животных и примитивные производственные орудия точно указывают сроки, когда человек покидал обжитые места. Костяные инструменты, наскальные рисунки, наконечники колющего оружия рассказывают о продолжительности стоянок.
Остатки костей, найденные вместе с кремневыми орудиями, позволили установить протяженность каменного века. А обнаруженные в еще более древних слоях скелеты неандертальцев дали возможность судить о начальных этапах эволюции человечества.
Но обо всем этом можно было узнать только по тем слоям, возраст которых не превышал 100 тыс. лет. В более ранних отложениях крайне редко удавалось найти древесный уголь - наилучший материал для радиоуглеродных определений, а если уголь и обнаруживали, то содержание радиоактивного изотопа углерода было в нем настолько низким, что не поддавалось измерению.
Углеродный метод завоевал множество сторонников. Кроме обширных коллекций, составленных при археологических раскопках, изучаются также многочисленные материалы, собранные геологами. Анализируются деревья погибших лесов, образцы торфа, раковины океанических животных. Проводятся и специальные контрольные опыты: определяется возраст деревянных изделий и древнейших погребений, которые уже датированы папирусами и летописями. Все эти исследования показывают, что цифры, полученные в лаборатории, обычно соответствуют истинному времени исторических событий.
Радиоуглеродный метод прочно вошел в практику геохронологических исследований. Первоначально с его помощью удавалось более или менее достоверно датировать только те отложения, возраст которых не превышал 20 тыс. лет. Сегодня же в массовом масштабе проводятся анализы, позволяющие осуществлять датирование в пределах последних 50-60 тыс. лет. А разработанные приемы обогащения проб радиоуглеродом и использование высокоточной техники открывают перед этим методом еще более широкие перспективы и разрешают изучать события, произошедшие до 70 тыс. лет назад. Определился и верхний предел действия метода - около 1000 лет; объекты моложе этого возраста дают слишком большие погрешности.
Для анализа обычно требуется довольно много исходного материала: древесного угля - не менее 10 г, скелетного вещества животных или древесины - несколько десятков граммов, торфа и гумуса - более 100 г. Исследователи работают над тем, чтобы массу анализируемых навесок можно было уменьшить. И есть все основания полагать, что эти старания увенчаются успехом.
Поскольку при использовании радиоуглеродного метода приходится анализировать очень малые количества изотопа, предъявляются высокие требования к отбору образцов, подлежащих изучению. Во избежание загрязнения органикой образцы можно брать только пинцетом или шпателем. Запрещается прикасаться к ним руками, заворачивать в вату или бумагу, пересыпать стружкой и опилками, обрабатывать какими бы то ни было химикатами. Хранить образцы можно только в многослойных мешках или специальных капсулах из неорганических материалов.
Принцип лабораторного изучения образцов достаточно прост: нужно точно измерить бета-активность радиоуглерода. Для этих измерений пользуются счетчиками Гейгера или устройствами, фиксирующими сцинтилляцию - световые вспышки, возникающие при прохождении быстрых заряженных частиц через некоторые вещества. Радиоактивный углерод пробы можно поместить в счетчик в виде твердого, газообразного (например, в виде углекислого газа) или жидкого вещества. В последнее время обычно предпочитают третий из этих способов, используя в качестве сцинтилля-тора бензол. Для защиты счетчика от проникновения внешнего гамма-излучения устанавливают экраны из железа, ртути, свинца или парафина. Чтобы учесть влияние рассеянного космического излучения, вокруг счетчика размещают соответствующие регистрирующие приборы. Остается выделить, усилить и зарегистрировать импульсы от электронов, испускаемых при распаде радиоактивного углерода, а затем сравнить их с результатами, полученными на современном эталонном объекте.
Радиоуглеродный метод открыл широкие возможности для датирования новейших отложений. Результаты работ позволяют не только устанавливать возраст отдельных находок, но и судить о закономерностях изменения географической обстановки, оценивать скорость циркуляции морских течений, прослеживать последовательность появления различных растительных сообществ. Этим методом был определен возраст всех фаз последнего оледенения, установлено время образования речных террас и других форм современного рельефа. Стало возможно узнавать возраст органических остатков. Удалось установить, в частности, время жизни мамонта, найденного в ледниковых отложениях Таймыра; оказалось, что он жил 12 тыс. лет назад.
Рассматриваемый метод позволяет сопоставить между собой отложения, сформировавшиеся в различных климатических зонах. Впервые представилась возможность определять возраст разрозненных фрагментов, принадлежащих скелетам организмов или изделиям древнего производства. В руках исследователей появился ключ к восстановлению истории по следам жизни.
Но результаты оценки возраста радиоуглеродным методом могут быть существенно искажены вследствие процессов гниения, поступления гуминовых кислот из грунтовых вод, а также привноса углерода, содержащегося в современных водах и атмосфере. Для анализа поэтому следует стремиться использовать только такой материал, который не подвергся этим воздействиям. Однако сколь бы тщательно ни подбирались исследуемые образцы, гарантировать отсутствие влияния подобных процессов невозможно.
К тому же пришлось задуматься еще над одной проблемой. Интенсивность излучений, пронизывающих атмосферу, изменяется в зависимости от многих космических причин. Стало быть, количество образующегося радиоактивного изотопа углерода должно колебаться во времени. Необходимо найти способ, который позволял бы это учитывать.
Кроме того, с тех пор как прогресс покрыл Землю густой сетью транспортных дорог и промышленных предприятий, в атмосферу непрерывно выбрасывается огромное количество углерода. Он образуется при сжигании древесного топлива, каменного угля, нефти, торфа, горючих сланцев и продуктов их переработки. Какое влияние оказывает этот источник атмосферного углерода на повышение содержания радиоактивного изотопа? Для того чтобы добиться определения истинного возраста, придется рассчитывать сложные поправки, которые отражали бы изменение состава атмосферы на протяжении последнего тысячелетия.
Эти неясности наряду с некоторыми затруднениями технического характера породили сомнения в точности многих прежних определений, выполненных углеродным методом.
Однако несмотря на все сложности, радиоактивный изотоп углерода продолжает успешно использоваться в геохронологии и нередко помогает специалистам устанавливать возраст интересующих их отложений и событий сравнительно недавнего прошлого.
Трудоемки и сложны методы изотопного датирования. Поэтому не раз возникала мысль: нельзя ли подойти к изучению возраста Земли с каких-либо иных, принципиально отличных позиций?
Пришлось вновь пересмотреть старые, полузабытые гипотезы, заново проанализировать многие геологические события, обобщить сведения, собранные наукой о Земле за последние десятилетия. И вот заговорили о природных явлениях, которые, на первый взгляд, казалось бы, не имеют непосредственного отношения к проблеме абсолютного лето-счисления.

ДРЕВНИЕ КОМПАСЫ
О магнитных свойствах горных пород и шкале геомагнитной полярности
С 50-х годов нынешнего столетия для определения возраста земных слоев стали использовать еще одну группу методов, которая к настоящему времени развилась в новую отрасль геологических знаний - палеомагнитологию.
Известно, что многие минералы и горные породы, содержащие железо и железо-титановые соединения, обладают свойством, известным под названием ферромагнетизм. При устранении намагничивающего поля эти вещества сохраняют некоторую остаточную намагниченность. Процесс намагничивания идет тем легче, чем выше температура, и даже в слабом магнитном поле возникает большая намагниченность, которая закрепляется - «замораживается» - при охлаждении вещества. Такая намагниченность называется термоостаточной. Измеряя при помощи точной аппаратуры магнитные характеристики пород, включающих ферромагнитные частицы, можно установить напряженность магнитного поля Земли, магнитные наклонение и склонение, которые были свойственны исследуемому пункту в то или иное время.
Например, по термоостаточной намагниченности пород, изверженных вулканами, можно судить о напряженности и направлении магнитного поля в период извержения. Сходное явление наблюдается при образовании осадочных пород. Геомагнитное поле воздействует на оседающие на дно водоема частицы горных пород и ориентирует их в соответствии с направлением на магнитные полюсы. При уплотнении осадка ориентировка частиц закрепляется и может служить своеобразным компасом, указывающим положение полюсов Земли в то время, когда происходило отложение осадочной породы.
По-видимому, можно утверждать, что любые горные породы при своем образовании запечатлевают в себе характеристики геомагнитного поля, существовавшего в момент их рождения. Приобретенная породой первичная намагниченность обычно сохраняется на протяжении всей последующей геологической истории и, как правило, может быть обнаружена с помощью комплекса методов исследования палеомагнетизма. При этом принимается, что палеомагнитное поле в каждый период своего существования было подобным полю диполя, помещенного в центр Земли и ориентированного по оси ее вращения.
Палеомагнитные исследования ведутся сейчас во многих странах и охватили территории всех континентов и акватории океанов. Сведения о положении полюсов Земли получены для огромного интервала геологического времени - от протерозоя до современной эпохи. Выполненные работы позволили установить, что на протяжении эволюционного развития планеты геомагнитное поле непрестанно изменяло свою напряженность и направление.
Выяснилось, что кажущиеся миграции полюсов Земли связаны с перемещением в пространстве крупных блоков земной коры - литосферных плит. Для каждого такого блока можно построить свою траекторию кажущегося движения полюса. Истинное же положение полюсов Земли помогают установить математические модели, описывающие картину дрейфа континентов и расширения океанических впадин на протяжении геологической истории. Кроме этих перемещений, связанных с передислокацией масс суши и океанов, фиксируются движения магнитных полюсов, обусловленные довольно быстрыми вариациями самого магнитного поля Земли. Оба типа движения полюсов, налагаясь друг на друга, создают достаточно сложную картину. Однако обычно исследуют среднее геомагнитное поле, в котором вариации нивелируются во времени.
В силу своих свойств ферромагнетики будут одинаково реагировать на воздействие высокой температуры вне зависимости от ее происхождения. Значит, тот же эффект будет получен, если минеральное образование нагрето не естественным природным теплом, а искусственно, например в гончарной печи. Этим фактом заинтересовались археологи. Глина, из которой изготовляют керамические изделия, почти всегда содержит ферромагнитные частицы. Были изучены тысячи образцов гончарной продукции различных времен и народов; на магнитность проверялись черепки горшков и кувшинов, кирпичи и черепица старинных строений. Исследования подтвердили, что на протяжении исторического времени магнитное поле Земли закономерно изменяло свои параметры. И теперь, зная палеомагнитные характеристики археологического объекта, иногда удается судить о его возрасте в пределах десятка последних тысячелетий.


Перемещение континентальных блоков. Реконструкция расположения материков в карбоне (300 млн. лет назад) и в палеогене (30 млн. лет назад).

Для изучения магнитных полей более далекого прошлого потребовались другие методы. Палеомагнитологи установили, что на протяжении развития Земли ее магнитное поле многократно меняло свое направление. В геологических разрезах наблюдается обилие обращений геомагнитной полярности - инверсий. Полярность, совпадающая с современной, называется прямой, а противоположного знака - обратной. Каждый тип полярности обычно сохраняет свой знак на протяжении некоторого, иногда довольно продолжительного, времени. Интервалы разреза, характеризующиеся определенным знаком полярности, называются магнитозонами. Различают зоны прямой намагниченности (их называют N- или n-зонами), обратной намагниченности {R- или r-зоны) и зоны частой смены полярностей {NR- или nr-зоны).
Геомагнитные инверсии, по-видимому, должны были проявляться одновременно на всей территории земного шара. Они без особых сложностей могут быть обнаружены в исследуемых геологических разрезах и прослежены в одновозрастных отложениях различных регионов. Стало быть, если составить палеомагнитную шкалу для какого-либо хорошо изученного района и надежно датировать положения границ, где происходит смена знаков намагниченности, с помощью палеонтологических и физических методов, мы получим своеобразный эталон, с которым можно будет сопоставлять результаты палеомагнитного изучения других территорий. При этом, сравнивая «спектры» смены полярностей, вероятно, удастся соотнести их с определенным участком эталонного разреза и тем самым судить о возрасте сопоставляемых с ним толщ. Такая эталонная шкала получила название палеомагнитной (магнитохронологической, магнитострати-графической).
Принцип построения и использования магнитохронологи-ческих шкал достаточно ясен. При его применении необходимо соблюсти единственное условие: продолжительность отрезков времени, в течение которых сохраняется данный тип геомагнитной полярности, должна быть больше погрешности метода датировки. Казалось бы, новый метод должен был сразу найти широкое применение в стратиграфии. Однако потребовалось более полутора десятилетий, прежде чем удалось получить надежные результаты изотопной возрастной датировки и палеомагнитные шкалы смогли превратиться в действенное оружие геохронологии.
Для воссоздания истории геомагнитных инверсий приходится изучать разнообразные геологические объекты.
С развитием калий-аргонового метода стало возможным получать очень точные определения возраста вулканогенных пород позднего кайнозоя, в первую очередь - основных лав, для которых существуют надежные палеомагнитные данные. Шкала возраста и геомагнитной полярности этих пород, взятых в различных районах земного шара, распространяется сейчас на 7 млн. лет, охватывая четвертичные и верхненеогеновые отложения.
Изучение разрезов донных осадков по материалам опробования, проведенного в глубоководных областях океанов, позволило уточнить палеомагнитную шкалу для позднего кайнозоя и продолжить ее в глубь времен до начала неогена (табл. 6). В дальнейшем, по мере развития подводного бурения, по-видимому, удастся создать такую шкалу для всего кайнозоя и верхней части мезозоя.
Дополнительные сведения о характере проявления магнитных инверсий дает изучение линейных геомагнитных аномалий, наблюдаемых в породах, слагающих дно океана. Известно, что поверхность океанического дна постепенно обновляется в результате поступления свежих масс вещества из недр Земли. Разрастание поверхности дна океана совершается импульсивно, поэтому дно оказывается сложенным чередованием продольно вытянутых геологических тел. Каждое из тел фиксирует свойства магнитного поля, существовавшего в момент образования этого тела, и имеет соответственно прямую или обратную намагниченность. Зная скорость расширения морского дна и имея определения возраста для горных пород, слагающих зоны магнитных аномалий, можно создать так называемую аномалийную шкалу геомагнитной полярности. Эта шкала позволяет проконтролировать данные, полученные по результатам бурения, и проследить историю геомагнитных инверсий по крайней мере до юрского периода.
Поскольку возраст океанического дна сравнительно молодой, для более древних геологических отложений проводится палеомагнитное изучение наиболее полных разрезов осадочных и вулканогенных толщ, развитых на континентах. Полученные в различных областях последовательности зон прямой и обратной намагниченности надстраивают друг друга. Таким путем создаются сводные магнитостратиграфи-ческие шкалы для отдельных регионов, сопоставление которых между собой дает возможность построить общую шкалу геомагнитной полярности для всего земного шара. Преимущество таких шкал заключается в том, что они разрешают восстановить историю геомагнитного поля от нынешнего времени до древнейших этапов развития планеты и позволяют привязать ее к периодам, эпохам и векам общей геохронологической шкалы.
Таблица 6 Палеомагнитная шкала верхнего кайнозоя



Геомагнитные инверсии распределяются по шкале времени неравномерно, образуя различные группировки, сгущения и разрежения зон той или иной полярности, и только на уровне очень больших отрезков геологической истории - эр и эонов - проявление инверсий, вероятно, подчинено сложной ритмической закономерности.
В зависимости от длительности своего существования магнитостратиграфические подразделения получают различные наименования. Отрезки шкалы геомагнитной полярности, интервалы распространения которых приблизительно соответствуют эратемам, называются мегазонами; единицы, отвечающие системам, - гиперзонами; отделам и нескольким ярусам - суперзонами; ярусам или зонам - ортозонами. Кроме того, нередко наблюдаются интервалы разрезов, соответствующие неустойчивому состоянию магнитного поля. Такие интервалы, характеризующиеся сильными отклонениями направлений поля, незавершенностью инверсий, называются аномальными; они часто хорошо фиксируются на больших территориях и могут служить дополнительными признаками, облегчающими сопоставление магнитостратиграфических шкал.
В представленной здесь табл. 7 показана палеомагнитная шкала палеозоя, мезозоя и палеогена территории СССР. Долгим и трудоемким процессом было составление этой шкалы. Нижнепалеозойская ее часть построена.по материалам, полученным при изучении разрезов Сибирской платформы. Характеристика среднего и верхнего палеозоя выявлена в отложениях Восточно-Европейской платформы, Алтае-Саянской области и Тунгусской синеклизы. Мезозойская часть шкалы построена по разрезам Восточной Европы, Кавказа, Средней Азии, Сибири и Северо-Востока СССР, а палеогеновая - по обнажениям, изученным в Нахичеванской АССР, Туркмении и Таджикистане.
Зоны прямой намагниченности показаны в таблице красным цветом, интервалы обратной (отрицательной) намагниченности - синим, зоны переменной полярности заштрихованы синим и красным, неизученные части оставлены незакрашенными.
В палеозое преобладает обратная полярность, на фоне которой фиксируется более 30 зон прямой намагниченности, продолжительность существования каждой из которых составляет от 0,5 до 20 млн. лет. По признакам намагниченности здесь выделено шесть гиперзон, в составе которых различается десять суперзон. В мезозойских и палеогеновых отложениях преобладающая полярность - прямая. В них устанавливается пять гиперзон продолжительностью от 20 до 65 млн. лет.



Значительно более детальная магнитостратиграфическая характеристика, основанная на обширном материале по Украине, Азербайджану, Средней Азии, Западной Сибири и Дальнему Востоку, получена для неогеновых и четвертичных отложений (см. табл. 6). Устанавливаемые здесь магни-тозоны хорошо согласуются со шкалами, принятыми для различных континентов, и многие из них прослеживаются в кайнозойских разрезах всего земного шара.
Аналогичные палеомагнитные шкалы составлены для фа-нерозойских отложений различных стран и материков. Их обобщение и создание общей глобальной магнитостратигра-фической схемы - задача ближайшего будущего.
Наиболее благодатными для изучения палеомагнетизма являются красноцветные осадочные породы, некоторые сероцветные породы, бокситы и уже упоминавшиеся эффузивы основного состава. Усилиями палеомагнитологов круг объектов исследования расширяется.
Магнитостратиграфия успешно используется сейчас для расчленения толщ горных пород и сопоставления фанеро-зойских отложений. На очереди - создание надежных палео-магнитных схем для докембрийских образований.
Палеомагнитные данные помогают геологам контролировать бурение скважин, уточнять возраст рудных месторождений, реконструировать движения земной коры и составлять геологические карты. Палеомагнетизм открыл новые возможности для изучения географической обстановки минувших эпох, дал дополнительные сведения об условиях и продолжительности существования древних организмов и позволил внести ряд уточнений в шкалу геологического времени, построенную на биостратиграфической основе.

ПОЧЕМУ ОНИ ВЫМЕРЛИ?
О потоке космических лучей, гибели ящеров и полной неопределенности
С каждым годом палеонтологи открывают все новые и новые виды ископаемых животных. И все более отчетливо проступает одна из основных закономерностей развития органического мира: все когда-либо существовавшие на планете группы животных возникали, прогрессировали, достигали наивысшего расцвета, а затем довольно быстро приходили в упадок и вымирали, уступая место следующей, более высокоорганизованной группе организмов.
Палеонтологов давно занимает вопрос: почему происходят такие скачкообразные изменения в составе животного мира? Специалисты по различным группам фауны посвятили немало исследований выяснению причин, вызывавших гибель обитателей Земли. Но, пожалуй, наибольшее число гипотез было высказано по поводу вымирания гигантских ящеров-динозавров, произошедшего на границе мелового и палеогенового периодов.
Выяснение причин гибели обширных групп организмов имеет большое научное и практическое значение. Каждый шаг на пути решения вопроса: почему вымирают те или иные животные и растения? - способствует становлению теории эволюции, помогает прогнозировать грядущие глобальные изменения природной обстановки, позволяет реконструировать процессы формирования генетических характеристик живых существ, дает основу для построения моделей развития физиологических функций организмов. А поскольку любой организм неизбежно несет на себе печать той среды, в которой протекала его жизнь, знание этих закономерностей проливает свет на непознанные события геологической истории и обогащает наши представления об условиях формирования многих минеральных богатств планеты.
Динозавры - лишь один, хотя и очень эффектный пример в истории преобразования органического мира. Гигантские пресмыкающиеся, некогда широко расселившиеся по планете, вымерли около 70 млн. лет назад. По геологическим масштабам это сравнительно близкое к нам время, и осадочные отложения сохранили много сведений об этих интересных животных. Почему же на границе мезозойской и кайнозойской эр исполинские ящеры навсегда исчезают с лица Земли?
Высказывалась мысль, что ящеры погибли в результате похолодания. В конце мелового периода из полярных областей земного шара двинулись ледники. Медленно, но неуклонно наступали они, оттесняя животных псе дальше и дальше к югу. Климат сделался суровым. Это похолодание и стало гибельным для динозавров: они были пресмыкающимися, а у пресмыкающихся температура тела непостоянна и полностью зависит от температуры окружающей среды. Холод убил великанов.
Однако это предположение едва ли можно считать верным. Действительно, наступление ледников могло привести к гибели тех или иных животных. Так, совсем недавно - во времена великих четвертичных оледенении - вымерли мамонты, носороги и другие звери, населявшие северные районы нашей страны несколько десятков тысяч лет назад. Но скелеты динозавров в ледниковых отложениях не встречаются. Напротив, чаще всего их находят в таких условиях, где и речи не может быть о гибели животных от суровости климата. Ящеры жили и погибали в теплых и влажных мест-ностях; об этом говорит состав горных пород, в которых встречаются кости этих древних пресмыкающихся.
Можно было бы допустить, что не сами ледники, а связанное с их приходом общее понижение температуры явилось причиной вымирания динозавров. Подобные бедствия нередко случаются и в наши дни. Так, во время сильных морозов зимой 1829/30 г. в Исландии вымерзли все до единого земноводные. С тех пор прошло уже более 150 лет, но на острове до сих пор нет ни одного представителя этого класса.
Таким образом, похолодание способно уничтожить определенную группу животных. Но это может произойти только на обособленных участках суши, скажем, в межгорной котловине или на островах, откуда животные не имеют возможности переселиться или перекочевать в более благоприятные для жизни районы. Поэтому объяснение гибели многочисленных, распространенных по всей Земле групп животных такими причинами выглядит не очень убедительно.
Поистине трудно представить себе природные силы, которые могли бы в чрезвычайно короткий срок одновременно убить всех представителей какой-либо группы животного мира, обитавшей в разных частях света. Ведь погибли не только жители суши. Вместе с ними исчезли и морские формы гигантских пресмыкающихся, и летающие ящеры. Словно какая-то неведомая рука одним взмахом в очередной раз смела с поверхности планеты значительную часть ее населения.
Геологи заметили, что переломные моменты в истории Земли, сопровождающиеся сменой групп животных, почти всегда приурочены к тем периодам, когда в земной коре усиливались процессы горообразования. Поэтому некоторые исследователи считают, что и вымирание динозавров является следствием так называемой ларамийской революции, представляющей собой продолжительный ряд движений земной коры, которым сопутствовали рождение новых горных цепей и усиление извержений вулканов. Эти процессы, по-видимому, могли погубить животный мир отдельных районов. Но едва ли подобные катастрофы отразились бы на жителях всех областей земного шара. Тем более, что ларамийское горообразование не было мгновенным событием, а распространялось по различным материкам постепенно.
Рассматривая пример с ящерами, некоторые ученые предполагают, что в их вымирании решающую роль сыграли млекопитающие и птицы.
Млекопитающие появились еще в мезозойской эре и получили широкое развитие с начала палеогенового периода. Их мозг был устроен значительно сложнее, нежели у пресмыкающихся; кроме того, млекопитающие обладали горячей кровью. Следовательно, они в меньшей степени зависели от изменений климатических условий и легче приспосабливались к новой обстановке, сложившейся на Земле в начале кайнозойской эры. К тому же млекопитающие были более подвижными, чем громоздкие динозавры. Поэтому в борьбе за существование они могли вытеснить неуклюжих и «неразумных» ящеров.
А у летающих ящеров, например птеродактилей, роковую роль могло сыграть несовершенство строения крыльев. По существу, их крыло представляло собой складку кожи, которая поддерживалась единственным непомерно удлиненным пальцем. Такое крыло было слабым и непрочным. Оно явно уступало крыльям птиц - сложно устроенному и весьма надежному летательному аппарату, повредить который было не столь просто, как тонкую летательную перепонку птеродактиля. По-видимому, летающие ящеры не смогли выдержать конкуренции с птицами, занимающими более высокую ступень эволюционной лестницы.
Поэтому немудрено, что динозавры уступили место более высокоорганизованным существам во всех трех стихиях, где еще недавно они господствовали безраздельно. В воде и на суше воцарились теперь млекопитающие, а в воздухе полновластными хозяевами стали представители другого класса теплокровных животных - птицы.
Но гипотеза, предполагающая, что главной причиной гибели ящеров явилась их конкуренция с теплокровными животными, не придает должного значения тому факту, что млекопитающие мирно сосуществовали с пресмыкающимися на протяжении долгого времени, исчисляемого многими миллионами и даже десятками миллионов лет. К тому же в конце мелового периода млекопитающие были еще мелкими и хилыми по сравнению с колоссальными пресмыкающимися. И только после гибели динозавров они начали активно расселяться по Земле и быстро совершенствоваться, пока, наконец, не достигли того уровня развития, на котором мы видим их сегодня. Во всяком случае, геологическая летопись не сохранила останков таких высокоорганизованных млекопитающих, которые жили бы одновременно с ящерами и были настолько развиты, чтобы вытеснить этих исполинов.
Кроме того, на основании изучения закономерностей роста юных особей, реконструкций системы кровообращения и обмена веществ ряд ученых высказывают предположение, что некоторые виды динозавров были... теплокровными. Удалось обнаружить череп одного из хищных ящеров - тиранозавра, свидетельствующий о том, что и среди динозавров, по-видимому, имелись группы с весьма развитым мозгом. А тот факт, что многие формы летательных перепонок успешно ассимилированы современными млекопитающими, заставляет усомниться в утверждениях об эволюционной непригодности крыла ящеров.
В 1957 г. астрономы И. С. Шкловский и В. И. Красовский предложили еще одну гипотезу, на первый взгляд весьма правдоподобную. Сущность ее заключается в следующем.
Из мирового пространства на Землю непрерывно приходит поток космических лучей. Эти лучи представляют собой стремительный ливень атомов водорода, гелия и других элементарных частиц. Космическое излучение гибельно для живых существ. Подобно невидимым иглам, пронзают эти лучи тела организмов и разрушают живую ткань. К счастью, атмосфера Земли сильно поглощает космическое излучение, и в настоящее время интенсивность поступления этих лучей такова, что они заметно не отражаются на жизни обитателей Земли.
Во время так называемых вспышек Солнца количество приходящих на Землю космических лучей заметно возрастает. Но главный источник космического излучения, по-видимому, находится не на Солнце.
Астрономы связывают происхождение основной массы космических лучей со вспышками особых звезд, получивших название «сверхновых». Известен факт, что под действием каких-то еще достоверно не известных науке физических процессов некоторые звезды неожиданно взрываются. Эти взрывы сопровождаются выделением громадной энергии, в том числе появлением мощных потоков космических лучей.
Подсчитано, что за все время существования нашей планеты могло произойти около десяти вспышек сверхновых звезд, расположенных сравнительно близко от Земли. Все эти вспышки должны были повлечь за собой сильное космическое излучение, мощность которого могла стать настолько значительной, что оно сумело бы оказать существенное влияние на развитие жизни на Земле.
Отсюда родилась мысль, что гигантские ящеры погибли в результате усиления притока космических лучей, которое могло случиться вследствие вспышки одной из сверхновых звезд.
Но за всю историю Земли могло произойти всего десять подобных вспышек. Возраст Земли равен по крайней мере 5 млрд. лет, следовательно, на последние 600 млн. лет приходятся только одна-две вспышки новых звезд. А ведь за это время животный мир земного шара коренным образом изменялся по крайней мере 14 раз.
Гибель динозавров не представляет собой какого-то исключительного события в истории жизни; это лишь одно из проявлений закономерной смены растительных и животных групп. Если даже предположить, что древние животные действительно погибали от воздействия космических лучей, то почему тогда вымирание различных групп организмов обычно происходило неодновременно? Почему, например, космическое излучение не погубило других животных, живших рядом с динозаврами? Почему остались в живых млекопитающие, птицы, земноводные? Почему не погибла растительность на Земле? Ведь космические лучи вредны не только для животных, но и для растений.
Авторы гипотезы предполагали, что ее проверкой могло бы послужить палеонтологическое доказательство того, что динозавры вымерли на Земле повсеместно за время, не превышающее нескольких десятков тысяч лет. Но была ли гибель этой огромной группы организмов столь быстрой? Рассматривая земную историю сквозь призму времени, мы видим ее словно в перевернутый бинокль: чем дальше от наших дней, тем более сближенными кажутся нам события. Это обманчивое впечатление и заставило в прошлом веке сделать предположение об одновременности гибели динозавров.
Однако сейчас мы доподлинно знаем, что вымирание ящеров шло на протяжении долгого времени, исчисляемого не десятками тысяч, и даже не сотнями тысяч, а многими миллионами лет. Одни за другими уходили в небытие различные семейства, роды и виды древних пресмыкающихся. И только в сравнении с огромной длительностью общей истории планеты этот интервал времени представляется нам относительно кратким.
Поэтому специалисты-палеонтологи, которые призваны быть арбитрами при научной оценке подобных гипотез, не могли одобрить «звездную» версию гибели динозавров, не подтверждаемую ни палеонтологическими, ни геологическими материалами.
Достоверно установлено, что в развитии каждой группы органического мира существуют три последовательных этапа.
Первый этап - это зарождение новой группы животных или растений. На этой стадии представители юных групп немногочисленны, а их морфологические признаки, позволяющие проследить преемственность от предковых форм, как правило, необычны и выглядят экзотическими отклонениями от нормы, «узаконенной» предшествующей эволюцией. Количество таких организмов постепенно возрастает. Некоторые их признаки, оказавшиеся бесперспективными, природа отсеивает; другие признаки совершенствуются, а иногда даже обретают гипертрофированные формы. Этот этап, если можно так сказать, - детство и юность группы организмов.
Второй этап - молодость и зрелость органической группы. В это время резко умножается численность представителей эволюционирующей группы организмов, быстро растет их видовое многообразие. Животные (или растения) осваивают новые территории и приспосабливаются к различным условиям обитания. На этой же стадии в полной мере осуществляется биологическая специализация организмов, отражающая сложный комплекс их взаимоотношений с внешней средой.
Третий этап - это своеобразная старость группы. На этой стадии организмы как бы утрачивают способность действенно реагировать на перемены, происходящие в окружающем мире, лишаются своей биологической «пластичности» и словно теряют умение вырабатывать приспособительные свойства, которые позволяли бы им переносить изменения внешних условий.



Мы знаем теперь, что вырождение и вымирание больших групп животных и растений происходит не мгновенно, а на протяжении довольно значительного отрезка времени, длительность которого составляет для животных миллионы лет, а для растений - даже десятки миллионов лет. Так, группа динозавров начинает приходить в упадок во второй половине мелового периода и вымирает только в самом его конце, т. е. это продолжалось 30-40 млн. лет. Значит, гибель этих животных, по-видимому, не могла быть следствием ни быстрого изменения температуры, ни тем более усиления притока космических лучей.
Сходная закономерность прослежена на примере многих вымерших групп фауны и флоры. Но знание этого не дает ответа на вопрос: в чем именно выражались изменения среды, приводившие к преобразованиям органического мира? Что это были за изменения? В качестве объяснения причин вымирания отдельных групп организмов выдвигались гипотезы о повышении радиоактивности; о колебаниях прозрачности воздуха в связи с обильным выбросом вулканического пепла в эпохи горообразовании; о возникновении дегенеративных мутаций под воздействием палеогеографических обстановок, климатических условий и питательной среды организмов; о скачкообразных изменениях солевого режима водоемов... Но ни одна из этих гипотез не позволяла оценить продолжительность превращений животного мира.

ВОЗДУХ, КОТОРЫМ МЫ ДЫШИМ
О жизни зеленого царства, о лесах, обращенных в камень, и кислороде-убийце
Как известно, наша планета окружена газовой оболочкой - атмосферой. Атмосфера Земли представляет собой смесь нескольких газов. Главенствующую роль среди них играют азот, кислород и аргон. На долю азота приходится около 3/4 объема всей атмосферы, кислород составляет приблизительно 1/5, аргон-около 1/100. Подчиненное значение в составе воздуха имеют углекислый газ и пары воды. Есть в атмосфере и другие газы, но они содержатся в ничтожных количествах.

Состав атмосферы
Газ
Химическая
формула
Содержание
в атмосфере, %
Азот
Ns
78,09
Кислород
Оа
20,95
Аргон
Аr
0,93
Углекислый газ
СО2
0,03
Пары воды
Н2О
До 4
Водород
Н2
0,001
Гелий
Не
0,0005
Озон
Оз
0,000 007



Газовый состав атмосферы, на первый взгляд, кажется постоянным. Но он не всегда был таким, как сейчас. С помощью различных методов исследования достоверно установлено, что на протяжении истории Земли соотношение газов, входящих в состав воздуха, сильно изменялось.
В современной атмосфере первое место занимает азот, на втором месте стоит кислород, на третьем - аргон, на четвертом - углекислый газ. Но если бы мы могли пере-.лестись^ на миллионы и миллиарды лет назад, перед нами предстала бы совершенно иная картина. В прошлые геологические периоды атмосфера содержала в сотни раз больше углекислого газа, чем ныне. Зато кислорода было мало. И чем дальше в глубь истории Земли, тем больше углекислого газа было в составе воздуха.
Правда, есть предположения, что первичная атмосфера состояла в основном из метана и аммиака. Но расчеты показывают, что и в этом случае химические процессы неизбежно должны были привести к замещению этих газов азотом и диоксидом углерода (СО2).
4 млрд. лет назад кислород, по-видимому, почти совсем отсутствовал в атмосфере, а первое место по объему занимал углекислый газ. Затем кислород стал постепенно накапливаться в воздухе, а углекислого газа становилось все меньше и меньше, пока, наконец, атмосфера Земли не приобрела свой нынешний состав. Этому в значительной степени способствовало развитие на Земле зеленой растительности.
Молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Растения в процессе питания поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его на углерод и кислород. Благодаря наличию в листьях зеленого вещества - хлорофилла - растения могут под действием солнечной энергии усваивать взятый из воздуха углерод и образовывать органические вещества. Эти вещества остаются в теле растений, а кислород выделяется обратно в атмосферу.
Процесс, в результате которого углекислый газ преобразуется в органическое вещество, получил название фотосинтеза. При фотосинтезе зеленые растения выделяют в атмосферу громадное количество кислорода, спасая современные города от удушья и придавая лесному воздуху его живительную свежесть.
Если подсчитать, сколько кислорода освобождается растениями в ходе фотосинтеза, то окажется, что вся растительность земного шара (включая водоросли) ежегодно выделяет в атмосферу 430 млрд. т кислорода.
Подобно всем другим живым организмам, растения не только питаются, но и дышат. При дыхании они поглощают кислород и выдыхают углекислый газ. Процессы фотосинтеза могут протекать только под действием солнечного света. Поэтому растения способны выделять кислород лишь в дневное время, причем в освещенную часть суток они настолько интенсивно поглощают углекислый газ для питания, что дыхание у них становится совершенно незаметным. Зато ночью наблюдается обратное явление: зеленые листья начинают в большом количестве выдыхать углекислый газ, поглощая кислород воздуха. По этой причине и не рекомендуется спать ночью в закрытом помещении, в котором много комнатных растений, так как при отсутствии вентиляции в комнате может скопиться опасное для человеческого организма количество углекислого газа.
Для питания растениям требуется очень много углекислого газа. Они поглощают 590 млрд. т этого газа в год, очищая тем самым воздух. Но при дыхании выделяется углекислого газа значительно меньше. И разница между поглощенным и выдохнутым углекислым газом используется растением для строительства своего организма.
Однако проходит какое-то время, и растение погибает. Оно начинает гнить, разлагаться и вскоре от него не остается ничего, кроме горстки минеральных солей. Это значит, что все атомы углерода, из которых был построен организм растения, соединились с кислородом воздуха и вновь образовали углекислый газ; получилось то же самое количество углекислого газа, которое было некогда изъято живым растением из атмосферы.
Долгое время считалось, да и сейчас некоторые исследователи придерживаются такой точки зрения, что атмосфера Земли очистилась от углекислого газа и обогатилась кислородом благодаря «асимметрии» процесса дыхания и газового питания растений. Но уже в середине прошлого века появились серьезные возражения против этой гипотезы.
Если подсчитать, сколько углекислого газа было поглощено растением в результате фотосинтеза и сколько его было выделено в сумме при дыхании живого растения и разложении уже погибшего, то окажется, что эти величины будут равны между собой. Точно так же обстоит дело и с кислородом: при фотосинтезе его выделяется ровно столько, сколько в сумме используется для дыхания живого растения и идет на окисление после его гибели.
Тем не менее кислород все-таки постепенно накапливается в атмосфере. Почему же это происходит? Оказывается, не всегда после смерти растения углерод, входивший в состав его тканей, возвращается в атмосферу. Иногда погибшие растения попадают в такие условия, где доступ кислорода к ним бывает затруднен или вообще невозможен. Например, стволы деревьев могут упасть на дно озера и покрыться толщей глинистых наносов. В подобных случаях отмершие растения не гниют, а либо обугливаются, либо испытывают целый ряд других сложных химических преобразований, в результате которых получаются залежи каменного угля, торфа и других горючих полезных ископаемых.
Если провести, например, химический анализ каменного угля, то мы увидим, что эта порода состоит почти целиком из чистого углерода. Значит, кислород, который после гибели растения должен был соединиться с атомами углерода, не попал в круговорот и остался в атмосфере.
Академик Владимир Иванович Вернадский заметил, что количество углерода, содержащегося в горючих полезных ископаемых и известняковых породах, соответствует количеству свободного кислорода в атмосфере. Это дает возможность предположить, что накопление кислорода в атмосфере зависит от накопления горючих ископаемых, или, как их называют геологи, каустобиолитов.
Кислород начал накапливаться в атмосфере приблизительно 4 млрд. лет назад. Многие данные свидетельствуют о том, что примерно 700-800 млн. лет назад количества кислорода и углекислого газа в атмосфере, по-видимому, были равны между собой. Последующий отрезок времени, охватывающий геологическую историю Земли от кембрийского до четвертичного периода, характеризуется образованием в земной коре толщ каустобиолитов.
В конце 30-х годов ленинградский ученый, академик Павел Иванович Степанов составил интересную таблицу, в которой было показано, сколько каменного угля отлагалось на протяжении каждого геологического периода. Он установил, что накопление каменного угля происходило неравномерно. Периоды, для которых характерно образование большого количества залежей этой породы, чередуются с длительными отрезками времени, когда отложение ископаемых углей было ничтожно малым. Всего в истории Земли наблюдаются три максимума угленакопления - три эпохи, когда каменный уголь отлагался в толще земной коры особенно интенсивно.
Первая эпоха угленакопления охватывает середину и конец каменноугольного и весь пермский период. За это время образовалось около 40% всех известных запасов ископаемых углей. Вторая эпоха совпадает с юрским периодом и ранне-меловой эпохой, когда отложилось 5% всей массы каменного угля. Наконец, третий максимум угленакопления, начавшийся в меловом периоде, продолжился в палеогене и неогене. За этот отрезок времени отложилось более половины известного на земном шаре количества угля. Зато в остальные периоды образование угольных залежей происходило значительно слабее.
Десять лет спустя после выхода в свет работы Степанова советские ученые провели подсчеты, в результате которых выяснилось, что отложение других горючих ископаемых приблизительно подчиняется той же закономерности. Было установлено, что на протяжении палеозойской эры образовалось около 40, в мезозое - 10 и в кайнозое - 50% всех подсчитанных запасов каустобиолитов.
Но если накопление кислорода в атмосфере действительно зависит от формирования залежей горючих ископаемых, то значит, и кислород накапливался в воздухе не равномерно, а скачкообразно. И чем больше горючих ископаемых отлагалось на протяжении того или иного периода, тем больше углекислого газа изымалось за это время из атмосферы и тем больше кислорода должно было оставаться в воздухе.
Исходя из этого предположения можно составить график, на котором будет изображено изменение сботношения между кислородом и углекислым газом в атмосфере на протяжении истории Земли.
В настоящее время в атмосфере содержится 1 500 000 млрд. т кислорода. Для освобождения такого количества кислорода необходимо, чтобы из воздуха было изъято приблизительно 2 060 000 млрд. т углекислого газа. Можно предположить, что это количество углекислого газа и было первоначально в атмосфере.
Общепризнано, что в значительных количествах кислород появился в атмосфере около 2,5 млрд. лет назад. Горные породы, имеющие возраст около 2 млрд. лет, уже несут признаки сравнительно высокоорганизованной жизни. Таковы, например, сине-зеленые водоросли и простейшие формы грибов, найденные в безжелезистых кремнистых породах Южного Онтарио (Канада).
Минимальное содержание кислорода, при котором возможна жизнь воздуходышащих организмов, равно 1,5-2%. Зная это, можно допустить, что в такой обстановке и существовали обитатели Земли 2 млрд. лет назад. Если принять, что компоненты воздуха вели себя как идеальные газы, и если считать количество азота в атмосфере величиной постоянной, то для достижения парциального давления кислорода 2% в атмосферу должно было поступить 116 000 млрд. т кислорода в результате изъятия из нее 165 000 млрд. т углекислого газа.
До начала кембрийского периода увеличение количества кислорода в связи с усилением фотосинтеза, очевидно, протекало по возрастающей кривой. На фоне этого возрастания фиксируется крупный скачок в изменении соотношения между кислородом и углекислым газом, произошедший 700-800 млн. лет назад. По-видимому, с этого времени кислород стал преобладать над диоксидом углерода. Появление в позднем докембрии представителей животного мира может косвенным образом свидетельствовать в пользу такого предположения.
Последующий этап геологической истории Земли характеризуется ступенчатыми изменениями состава атмосферы. Эти изменения пропорциональны накоплению в земной коре горючих ископаемых, и наиболее резкие из них приурочены к тем периодам, на протяжении которых образование каустобиолитов достигало наибольшей интенсивности, т. е. к каменноугольному, юрскому, меловому, палеогеновому и неогеновому периодам.
В наши дни хозяйственная деятельность человека существенно нарушает ход природных процессов и приводит к возрастанию количества углекислого газа в атмосфере. Однако на расчетах для минувших геологических эпох это не сказывается.
А теперь вновь обратимся к палеонтологии. Биологи и палеонтологи широко используют старинный принцип составления родословных. Исследователи рисуют «родословное дерево», по которому можно проследить происхождение и развитие той или иной группы животных или растений. Каждому известно, например, родословное дерево позвоночных. В упрощенном виде оно выглядит совсем несложно. От рыб произошли земноводные. Земноводные дали начало пресмыкающимся. Пресмыкающиеся явились родоначальниками птиц и млекопитающих.
Из класса млекопитающих выделилось высшее существо - человек.
Ветви или, вернее, стволы этого генеалогического дерева неодинаковы по толщине. Это не случайно. Палеонтологами подсчитано, сколько видов древних животных встречено в отложениях каждого периода. Там, где их много, соответствующий ствол утолщается, а где мало, он вытягивается в тонкий стебель.
Не подлежит сомнению, что атмосфера имеет громадное значение для появления и развития жизни на Земле. Без нее не могли бы существовать ни животные, ни растения. Животные очень чутко реагируют на все изменения окружающей среды. Поэтому, если в атмосфере действительно происходили циклические изменения газового состава, они неизбежно должны были повлечь за собой перемены в животном мире.
Из опытов, проведенных над современными животными, известно, что более высокоразвитые организмы чувствительнее к колебаниям состава воздуха, чем организмы менее сложные, а долгоживущие существа чувствительнее, нежели недолговечные. И неожиданно намечается новое интересное решение палеобиологического вопроса.
Если приложить к родословному дереву позвоночных график, на котором показано изменение газового состава атмосферы во времени, можно увидеть, что линии, характеризующие вымирание или расцвет различных групп животного мира, соответствуют ходу кривой, показывающей увеличение содержания кислорода в атмосфере.
Напрашивается вывод: вымирание больших групп древних животных непосредственно связано с изменением газового состава воздуха. И это, конечно, касается не только динозавров. По-видимому, изменение состава атмосферы сыграло свою роль в эволюции всех классов позвоночных, будь то млекопитающие, земноводные или даже рыбы. В пользу этой гипотезы имеется немало доводов. О ее справедливости свидетельствуют анализ скелетных тканей вымерших организмов, закономерности эволюции дыхательного аппарата и системы кровообращения древних животных, характер биохимического режима тканей и особенности эмбрионального развития представителей современного животного мира. Но и эта гипотеза ни в коей мере не может считаться всеобъемлющей.
Бесспорно, что на вымирание и прогресс организмов определенное влияние оказали и борьба за существование, и местные похолодания, и образование новых горных хребтов, и изменения режима водоемов. Но какую роль сыграла каждая из этих сил - пока остается невыясненным.
Не исключена возможность, что на развитие органического мира повлияло и увеличение содержания в гидросфере дейтерия - тяжелого изотопа водорода. Сведения, которыми располагает геохимия, свидетельствуют о том, что содержание дейтерия в воде неуклонно повышается. Возможно, удастся найти доказательства, что и этот процесс на протяжении геологической истории ступенчато менял свою скорость.
Можно считать доказанным, что внезапные космические катастрофы не могут быть причиной эволюционного преобразования органического мира всей планеты. Тем не менее и они в состоянии сыграть определенную роль на общем фоне направленной эволюции.
В 1979 г. лауреат Нобелевской премии профессор Луис Альварес (по специальности - физик) и группа ученых Калифорнийского университета изучали в Италии химический состав горных пород, сформировавшихся в конце мелового и в начале палеогенового периодов. В отложениях, разделяющих мезозойские и кайнозойские образования, они обнаружили повышенную концентрацию редких химических элементов. Особенно интересным оказался пласт розоватого известняка, в нижней части которого содержались остатки микроорганизмов мелового, а в верхах - палеогенового возраста.
Между этими палеонтологически охарактеризованными слоями располагался тонкий (не более 1 см) прослои глины, в котором было установлено аномально высокое содержание иридия. Количество этого металла в глинистом пропластке более чем в 30 раз превышало его содержание в окружающем известняке.
Известно, что иридии мало распространен в земных породах, но довольно часто встречается в космической пыли и в некоторых типах метеоритов. Поэтому Альварес объяснил эту аномалию как результат столкновения Земли с каким-то космическим телом.
В последующие годы геохимические исследования пограничных отложений мела и палеогена были проведены во многих странах. И в десятках мест удалось установить наличие слоя с повышенным содержанием иридия. Увеличенные концентрации этого элемента были обнаружены на территории Испании, Китая, Новой Зеландии, Гаити, США, в донных осадках Тихого и Атлантического океанов. Наиболее значительной была аномалия, выявленная в Дании. В ее пределах содержание иридия было в 160 раз выше, чем в окружающих породах.
Стало очевидно, что аномалии иридия имеют глобальный характер и, скорее всего, являются следствием космических причин. Такой причиной могло быть падение на Землю крупного метеорита или астероида. Можно даже приблизительно оценить его размеры - около 10 км в диаметре. Статистические расчеты показывают, что встреча с метеоритом такого размера вероятна один раз в 30-100 млн. лет. Энергия подобного удара столь велика, что метеорит неизбежно разрушится. Значительная часть его должна при этом превратиться в пыль, которая вследствие движения воздушных потоков равномерно распределится в атмосфере и на некоторое время может существенно уменьшить ее прозрачность. Естественно, что пока эта пылевая завеса полностью не осядет на земную поверхность, животные и растения будут испытывать некоторую нехватку солнечного света и тепловой энергии. Если же атмосфера окажется настолько насыщенной пылью, что станет почти непрозрачной, то это может привести к гибели определенной части органического мира планеты. Эти аргументы и привел Альварес для объяснения причины вымирания динозавров.
Палеонтологические данные, однако, неопровержимо говорят о том, что вымирание динозавров началось задолго до предполагаемого момента падения астероида и не могло быть его следствием. Но тем не менее открытие иридиевой аномалии на границе мела и палеогена представляет большой интерес для палеонтологии. Любопытно, что в отложениях, располагающихся в разрезе над горизонтом с повышенным содержанием иридия, действительно не встречено никаких следов существования древних ящеров. Не стало ли падение метеорита фатальным для последних представителей этой группы?
На Земле пока еще достоверно не найден кратер от упавшего в это время космического тела. Но оно вполне могло угодить в океан. В этом случае отыскать метеоритную воронку, а тем более продукты кратерных выбросов - дело почти безнадежное. Правда, известно несколько впадин, которые могли образоваться вследствие падения метеоритов в конце позднемелового времени или в самом начале палеогена. В нашей стране - это парные «кратеры» Приазовья, имеющие диаметр 25 и 3 км, а также две сближенные структуры, расположенные неподалеку от побережья Карского моря (60 и 25 км в диаметре). Похожие парные впадины известны и за пределами СССР - в Ливии. Если предположить, что все эти впадины возникли одновременно и являются следами падения осколков одного небесного тела и если принять во внимание, что за время, истекшее с начала палеогена, континенты могли переместиться, то можно даже начертить траекторию движения этого метеорита, которая завершится в море. А может быть...
На территории Украины под толщей кайнозойских отложений скрывается интересная структура - Болтышская котловина. Она имеет округлую форму, достигает 25 км в диаметре, вдается в древний кристаллический фундамент на глубину 0,5 км и по многим признакам очень напоминает ископаемый кратер невулканического происхождения. Радиологический возраст этой впадины - около 70 млн. лет. Не здесь ли упал метеорит, рассеявший в атмосфере Земли иридиевую пыль?
Геологи пытались обнаружить сходные геохимические аномалии вблизи границ и других стратиграфических подразделений. Их поиски вскоре увенчались успехом. Повышенные концентрации иридия были выявлены на рубеже эоцена и олигоцена, а также на границе пермских и триасовых отложений. Есть основания полагать, что Земля неоднократно встречалась с крупными метеоритами. За последние 2 млрд. лет на поверхность планеты выпали сотни тысяч больших небесных тел радиусом не менее 1 км, и по крайней мере несколько десятков из них оставили после своего падения кратеры более 10 км в поперечнике.
Но метеориты - не единственные космические объекты, которые могут оказать воздействие на органический мир планеты. Незадолго до Альвареса известный американский геохимик Гарольд Юри высказал предположение, что причиной гибели отдельных групп организмов (имелись в виду те же самые динозавры) могло быть столкновение Земли с огромной (массой в миллиарды тонн) кометой. При этом должно было произойти разогревание атмосферы, которое могло оказаться гибельным для многих живых существ. Кроме того, если бы это космическое тело упало в океан, то воды его были бы отравлены солями синильной кислоты, образовавшейся из цианидов, которые есть в составе вещества кометы.
Таким образом, столкновения Земли с крупными космическими телами также могут рассматриваться в ряду многих факторов, влиявших на отдельные события в истории жизни на Земле. И хотя эволюция органического мира совершается постепенно и представляет собой направленный процесс, закономерности которого не могут быть объяснены мгновенными воздействиями подобных случайных катастроф, изучение катастрофических актов в геологической истории представляет большой научный и практический интерес. Поэтому в 1983г. ЮНЕСКО и Международный союз геологических наук утвердили специально посвященный исследованию этой проблемы международный проект «Редкие события в геологии». В работе по этому проекту принимают участие ученые СССР, США, Великобритании, Франции, Швейцарии, Китая и других стран.
Материалов, по которым в той или иной мере можно проследить историю развития жизни на Земле, собрано много. Однако до сих пор еще никто не создал универсальной теории о причинах всех изменений, происходивших в животном и растительном мире нашей планеты. Эти проблемы по сей день ждут своего исследователя. Необходимы совместные усилия многих наук: геологии, палеонтологии, геофизики, зоологии, ботаники, зоогеографии (науки, занимающейся изучением географического распространения животных), фитогеографии (науки о пространственном размещении растений), химии, физики, генетики, климатологии, астрономии. Только обобщив данные всех этих отраслей знания, можно будет создать достоверную теорию, которая прольет свет на многие до сих пор темные страницы эволюции жизни.
Но мысль о том, что развитие органического мира планеты подчинено строгим циклам, уже сегодня дает нам возможность подойти к построению конкретных схем, на основании которых можно пытаться установить абсолютную продолжительность геологических периодов, опираясь на сведения о существовании представителей различных групп животных и выявленные закономерности формирования пластов горных пород, вмещающих останки вымерших организмов.

ПУЛЬС ГАЛАКТИКИ
О великих оледенениях, слоистой глине и космическом пути Солнца
Попытки исчисления геологического времени на основании периодической смены систематических групп древних организмов предпринимались уже давно. Еще в прошлом веке высказывались соображения о том, что можно найти единицу измерения времени, использовав биостратиграфические подразделения, установленные в отложениях наиболее хорошо изученных геологических систем.
В 1889 г. Мельхиор Неймайр в работе «Племена животного царства» утверждал, что интервалы времени, в которые происходило развитие каждого из видов наиболее распространенных морских животных, можно считать приблизительно одинаковыми по их продолжительности. Значит, и отрезки геологических разрезов, охарактеризованные равноценными в стратиграфическом отношении комплексами видов ископаемых организмов, можно принять за единицу шкалы, отражающей протяженность геологической истории.
Подобные отрезки геологических разрезов, в пределах которых древние морские животные продолжали оставаться в большинстве своем одинаковыми, были названы зонами. Продолжительность геологических периодов и эпох должна была, по предположению Неймайра, измеряться количеством зон, наблюдаемых в составе тех или иных отложений.
Действительно, еще за 20 лет до выхода в свет труда Неймайра известный немецкий палеонтолог Вильгельм Вааген развивал гипотезу о том, что мутации видов головоногих моллюсков - аммонитов - возникают через определенные и приблизительно равные интервалы времени.
Но хронологическая единица Ваагена и Неймайра, соответствующая времени образования зоны (ее называют зональным моментом), есть величина относительная. Какова же ее абсолютная протяженность? И можно ли утверждать, что смена комплексов животного мира всегда происходит через равные промежутки времени? Палеонтологический материал не мог предоставить достаточных оснований для ответа.
Пришлось обратиться к изучению сил, способных вызывать изменение внешних условий, в которых протекает жизнь органического мира. Исследования географической обстановки минувших времен показали, что наряду с признаками, присущими той или иной эпохе, существует множество характерных черт, проходящих через всю доступную для изучения земную историю.
Одной из таких черт, оставивших свои следы в отложениях всех геологических периодов, являются свидетельства изменения климатических условий на земном шаре. Мимо внимания геологов не могло пройти крайне интересное явление: во всех осадочных образованиях - от кембрия и доныне - упорно повторяется некая единообразная последовательность процессов.
Начали систематизировать наблюдения, обрабатывать их, и оказалось, что эта циклическая повторяемость условий формирования осадков подчинена хорошо выдержанным во времени ритмам, характер которых напоминает периодичность изменения климата в современную эпоху. Общая закономерность была такая же: малые ритмы объединялись в более крупные, а те в свою очередь оказывались подчиненными следующим, еще более грандиозным циклам. Вставал вопрос: можно ли измерить в абсолютных единицах протяженность этих этапов развития земной коры? Казалось, что историческая геология и абсолютная геохронология еще не располагают достаточным количеством сведений, чтобы решить эту сложную проблему. Остановились перед нею в нерешительности и астрономы.
Выяснилось, что далеко не все ритмы, нашедший отражение в слоистых толщах, могут быть использованы для воссоздания хода древних климатических процессов. Очень часто слоистость пород бывает обусловлена действием внутренних геологических сил, проявляющихся на сравнительно ограниченной территории. Она может порождаться особыми колебаниями дна бассейна, где происходит накопление осадков.
В древних вулканических областях, например на Алтае и Южном Урале, можно встретить иной вид слоистости, возникший в результате деятельности нагретых вод. Своеобразную слоистость можно наблюдать в отложениях, связанных с извержениями некоторых вулканов. Во всех этих образованиях тоже наблюдается ритмичность. Но это явления местного порядка. В лучшем случае они составляют особенность той или иной геологической провинции. Поэтому геологи обратились к слоистости другого типа, имеющей более широкое, возможно даже планетарное, распространение.
Самые короткие по продолжительности периодические колебания погоды проявляются в ежедневном изменении температуры земной поверхности и воздуха. Геологическое влияние этих суточных изменений может увидеть каждый. Если взглянуть на разрез свежеобразованных наносов в устье оврага, нельзя не заметить чередования простейших осадочных циклов, вызванных бурной деятельностью водотока в дневное время и сменяющим ее спокойным течением в ночные часы.
Подобные суточные ритмы хорошо известны в отложениях временных потоков пустынных предгорий и в солевых осадках мелких озер засушливой зоны. Некоторые минеральные источники также подчиняют свою жизнь размеренной смене дня и ночи. Примеров таких можно привести множество. И значение суточных ритмов в формировании лика планеты огромно. Но в отложениях геологического прошлого суточная цикличность почти неизвестна.
Значительно чаще геологи встречаются с проявлением ритмов слоистости, обусловленным чередованием времен года. Количество выпадающих осадков, интенсивность засух, ветры и ливни - все эти сезонные изменения метеорологических условий сказываются на характере слоистости.
Уже давно было замечено, что слоистость такого типа наиболее отчетлива в солевых и ледниковых образованиях. Классическим объектом изучения годичной смены слоев стали ленточные глины - осадки приледниковых озер. Эти глины состоят из чередующихся слоев песчаных и глинистых частиц.
В летнее время ледниковые воды приносили в озеро много обломочного материала и на дне осаждался светлый слой песка. Зимой озеро покрывалось льдом, песчаные частицы не поступали, взмученная за лето вода постепенно отстаивалась и на дно ложился тонкий темный слой глинистого осадка. Каждый летний слой постепенно переходит в зимний, образуя двухцветный пласт. Эти пары сменяющих друг друга слоев похожи на ленты, отсюда и название породы «ленточная глина». Переход же от зимнего слоя к очередному летнему всегда выражен очень резко. На поверхности весенней границы зимних лент нередко можно увидеть отпечатки кристаллов льда либо сложный рисунок мерзлотного растрескивания породы.
Поскольку осадки каждого года разделены отчетливо выраженным рубежом, можно подсчитать, сколько лет потребовалось для образования всей толщи ленточных глин. А сравнив результаты подсчета числа лент в отложениях различных районов, можно установить скорость движения ледника. Было выяснено, например, что с начала формирования ленточных глин под Ленинградом прошло 16,5 тыс. лет;
приблизительно в это же время ледник находился на территории Финляндии и Дании, а 15 тыс. лет назад он коснулся южного побережья Швеции.
Но палеоклиматологи не успокоились на достигнутом. Измеряя толщину ежегодного прироста осадочных отложений, они заметили, что количество вещества, выпадающего на дно водоемов, в разные годы неодинаково. В ход было пущено простое, но действенное оружие - ритмограммы.
Ритмограмма представляет собой несложный график. По его горизонтальной оси откладывают равные отрезки, соответствующие годам, а по вертикальной - годичный прирост осадков. Этот прирост можно фиксировать для каждого года в целом, а можно строить и отдельные графики для летнего и зимнего сезонов. Полученные таким способом спектры кривых вскрывают интересные подробности. Теперь вместо общих соображений о наличии цикличности нескольких порядков можно установить достоверность существования таких циклов и измерить их продолжительность с точностью до одного года.
Циклы первого порядка, как уже говорилось, представлены чередованием зимнего и летнего накопления осадков. В поисках более длительных периодических изменений климата геологи прежде всего продолжили изучение древних ледниковых образований.
Известно, что ледниковые отложения присутствуют во всех (вернее, почти во всех) геологических системах. Предстояло сравнить между собой ледниковые толщи различных континентов и выяснить, действительно ли все эти оледенения имели планетарное распространение. Задача была не из легких. При попытке очертить площади, захваченные в былые времена ледниками, надо было учитывать условия, регулирующие характер проявления и сохранности ледниковых образований. А условия эти существенно зависят от взаимного расположения морей и материков, которое в ходе геологической истории многократно менялось и не всегда может быть установлено бесспорно.
Тем не менее усилиями геологов многих стран была выполнена огромная работа, позволившая собрать воедино разрозненные факты и восстановить общую картину. Теперь мы знаем, что крупные материковые оледенения оставили свои следы лишь в отложениях на границе докембрия и палеозоя, в верхнепалеозойских и четвертичных. Обычно же геологи встречаются с ледниковыми образованиями, формировавшимися на стыке суши и моря - в области так называемого шельфа. Такие ледниково-морские отложения известны, например, в Боливийских Андах, а в Советском Союзе - на Патомском нагорье.
Оледенения же палеогенового, юрского, триасового, девонского и кембрийского периодов, по-видимому, были местными; они не дают возможности говорить о наступлении холодных эпох планетарного масштаба. Свидетельств подобных местных оледенении множество. Их находят почти повсюду: от окрестностей Красноярска в СССР до горных хребтов Колорадо в США.
Ритмограммы ледниковых отложений различного возраста имеют много общего.
Сказать о том, каковы были изменения климата в древнейшую - архейскую - эру, трудно. Можно лишь утверждать, что и в это время тонкослоистые ленточные отложения имели правильный сезонный характер.
Но в зеленоватых сланцевых породах, так называемых филлитах, образовавшихся в конце архейской эры, уже обнаруживаются климатические ритмы. В классическом обнажении этих пород, расположенном на берегу оз. Нисаярви на юго-западе Финляндии, была изучена серия сланцев, отлагавшаяся на протяжении 40 тыс. лет. В течение всего этого времени накопление осадков подчинялось постоянным циклам, сменявшим друг друга каждые три года. А на фоне трехлетних циклов достаточно отчетливо заметна периодичность, повторявшаяся через 10 или 11 лет.
В нижнепротерозойских ленточных сланцах Енисейского кряжа выступает ритмичность несколько иной длительности. Если от устья Подкаменной Тунгуски подняться вверх по Енисею до оз. Монастырского, можно увидеть наряду с трехлетними циклами ритмы пяти- и шестилетней продолжительности.
В еще более молодых отложениях на западных склонах Южного Урала заметны трех- и одиннадцатилетние циклы. Кроме того, в распространенных здесь озерно-морских ленточных породах верхнего докембрия намечается менее четкая тридцати- или тридцатипятилетняя периодичность.
Правильная повторяемость трех- и одиннадцатилетних циклов прослеживается в докембрийских отложениях из многих мест земного шара. Тридцатилетние циклы тоже наблюдаются достаточно часто. А в бассейне Ангары к ним присоединяются ритмы продолжительностью 70 лет.
Сквозь весь фанерозой проходит трехлетняя смена циклов, и столь же постоянны одиннадцатилетние колебания климата. Их можно наблюдать и в нижнем кембрии бассейна Лены, и в ордовике Центральной Сибири, и в каменноугольных отложениях Тянь-Шаня, и в эоценовых сланцах Северной Америки.
А диаграммы слоистости четвертичных отложений с завершающей полнотой подчеркивают общую закономерность. И здесь протяженность планетарных колебаний климата сохраняется прежней: 3, 11 и 25-35 лет.
Проявление трехлетних ритмов можно проследить в колебаниях уровня замкнутых морей (например, Каспийского) и в современном изменении количества ежегодно выпадающих атмосферных осадков. Одиннадцатилетний период соответствует появлению солнечных пятен. Не исключено, что и другие циклы также отражают влияние на климат Земли каких-либо изменений солнечной активности, природа которых сегодня еще не установлена.
Можно только отметить, что если трехлетние циклы соответствуют некоторому «нормальному» состоянию климата, то ритмы более высоких порядков связаны с процессами, вызывающими периодическое понижение среднегодовой температуры и общее ухудшение климатических условий. Такую же роль, по-видимому, играют и семидесятилетние климатические периоды, которые можно проследить и в четвертичное время, например, в дюнных отложениях Средней Азии. Однако циклы более высоких порядков изучены пока еще недостаточно.
В 30-х годах нынешнего века в Берлине была опубликована любопытная работа. Ее автор сербский физик Милютин Миланкович предлагал вниманию специалистов построенную им кривую солнечной радиации. Такие кривые и раньше вычерчивались астрономами, но новое построение отличалось от всех предшествующих: оно охватывало интервал времени протяженностью 600 тыс. лет.
На кривой Миланковича хорошо заметны периоды, приближающиеся к 21 тыс. лет, т. е. отвечающие солнечному циклу предварения равноденствий. Возможно, что отражением этих периодов в геологической истории является чередование ледниковых и межледниковых эпох.
Из анализа фактов, собранных геологами и палеоклимато-логами, напрашивается вывод о планетарном значении и постоянстве крупных климатических циклов на протяжении всего доступного изучению геологического времени начиная с архея или, во всяком случае, с протерозоя. А это в свою очередь заставляет предположить, что существуют некие формирующие климат силы, действующие на планету извне. На передний план снова выступают признаки похолодании и связанных с ними оледенении. Особенно интересны в этом отношении оледенения, сказавшиеся на флоре и фауне всей или почти всей планеты.
Последнее оледенение произошло в четвертичном периоде. Ему предшествовало повсеместное похолодание. Более 2 млн. лет назад появились первые признаки понижения температуры. Они оставили слабые следы в плиоценовых отложениях Черноморского бассейна. Но во второй половине плиоценовой эпохи новые волны холода залили Землю. Горные области покрылись ледниками.
На территории нынешних Испании, Франции, Северной Италии, Австрии и Украины развивались в это время отложения, свидетельствующие об изменении климата. Сходная обстановка наблюдалась и в Азии: на Алтае, на севере Патомского нагорья, в Западном Приверхоянье и в приуральской части Западно-Сибирской низменности. Влияние наступивших холодов сказалось и на температурном режиме морских бассейнов. Беднее и однообразнее стал органический мир морей, далеко на юг проникли водные животные арктического облика. Затем волна холодов ненадолго отхлынула, чтобы вернуться с удвоенной силой.
Около 500 тыс. лет назад началось настоящее материковое оледенение. Оно охватило Европу, Сибирь и Канаду. Временами ослабевая, холод продолжал натиск и около 230 тыс. лет до наших дней достиг своего максимума. После этого оледенение стало отступать. Заметное похолодание коснулось Земли в меловом периоде. Последний раз ледники пытались возобновить свою атаку 25 тыс. лет назад.
Мощное оледенение произошло на грани каменноугольного и пермского периодов. Оно продолжалось несколько миллионов лет. Основное поле его действия располагалось в Южном полушарии, где, по мнению многих геологов, простиралась в это время обширная, ныне не существующая провинция Гондвана.
В Северном полушарии следы этого оледенения изучены недостаточно. Может быть, его свидетелями являются неслоистые, мелкозернистые, наполненные валунами породы - тиллиты, найденные близ Бостона в Северной Америке. Не исключена возможность, что к ледниковым относятся также родственные им породы, открытые на р. Сакмаре (Южный Урал). Правда, надо оговориться, что некоторые видные геологи не разделяют этого мнения. Зато можно считать установленным, что на западе Сибирской платформы в это время был прохладный климат с отчетливо выраженной многолетней цикличностью.
Значительное материковое оледенение происходило и в ордовикском периоде. На территории Англии, Тюрингии, на крайнем севере Европы, в бассейне р. Святого Лаврентия (Канада), в Боливийских Андах и Южной Африке встречаются ледниковые отложения этого возраста. Имеются они и на Среднем Урале в бассейнах рек Вишеры и Косьвы.
Куда более сильный холод охватывал Землю еще раньше - на границе позднего протерозоя и кембрия. Нет на земном шаре ни одной значительной области распространения верхне-докембрийских отложений, где не были бы встречены следы этого грандиозного понижения температуры.
Радиологические методы позволили установить абсолютный возраст эпох, в которые наша планета подвергалась нашествию холода. Оказалось, что эти критические моменты истории Земли располагаются через приблизительно равные промежутки времени.
Факты планетарных похолодании известны и в докембрий-ских образованиях. 700 или 800 млн. лет назад, очевидно, произошли какие-то серьезные изменения в химическом составе газовой оболочки Земли. По всей вероятности, они были тесно связаны с изменением климата.
1 млрд. лет до наших дней имело место крупное оледенение, получившее название гуронского. А рубеж в 1,2 млрд. лет охарактеризован еще одним - тимискаминским - наступлением ледника. Таким образом, на протяжении около 1 млрд. лет великие оледенения, по-видимому, повторяются через каждые 190-200 млн. лет. Эти цифры, конечно, весьма приблизительны и требуют уточнения, но общая закономерность отражает действительное положение вещей.
Для более древних отложений имеется значительно меньше данных о времени, характере и площадях распространения оледенении. Но сколь ни скудны эти сведения, обращает на себя внимание интересное совпадение: среди оценок абсолютного возраста предполагаемых ледниковых образований часто фигурируют даты 1200, 1650, 2000 и 2650 млн. лет. Создается впечатление, что и здесь временные интервалы кратны 200 млн. лет.
Интересно, что протяженность вычисленного ныне промежутка между великими оледенениями совпадает с очень важной величиной, которая совершенно независимо от геологов была установлена астрономами. Эта величина - продолжительность космического, или галактического, года, т. е. то время, за которое Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра Галактики. Она тоже составляет 190- 200 млн. лет. Едва ли такое совпадение может быть случайным.
Движение Солнечной системы из внутренних, изобилующих звездными мирами областей Галактики в ее разреженные периферические участки (а также обратное перемещение), по всей вероятности, не может не оказывать влияния на нашу планету. Такое перемещение неизбежно должно сказаться на скорости движения Земли, а следовательно, должно отразиться и на характере энергетических процессов, протекающих в атмосфере, гидросфере и твердых оболочках планеты.
Можно предположить, что общее похолодание и великие оледенения наступали в то время, когда Солнечная система находилась на участке своей орбиты, расположенном в наиболее далеко отстоящих от центра Галактики областях, обладающих минимальной звездной плотностью.
За последние 3 млрд. лет по крайней мере 15 раз приходили на Землю подобные космические зимы. Возможно, они не были полностью похожи друг на друга и могли различаться степенью похолодания. Некоторые астрономы предполагают, что Земля и сейчас находится в разреженной наружной зоне Галактики.
Но космическая зима намного короче того периода, когда Солнце/пребывает в пространстве, насыщенном звездными системами. Поэтому одна из ближайших задач геологов - найти/такие признаки, по которым можно было бы изучать тепловую палеоклиматическую зональность космического года.


Галактическая орбита Солнечной системы. Для наглядности размах отклонений траектории Солнечной системы от плоскости Галактики значительно увеличен.

Не подлежит сомнению, что кроме циклов в 200 млн. лет существуют и другие - более короткие - геологические и палеоклиматические ритмы. 10 млн. лет - это примерная продолжительность космической зимы. Но за время каждого оледенения происходило неоднократное чередование волн тепла и холода. Еще предстоит выяснить их периодичность и отыскать причины, вызывающие эти перемены.
До недавнего времени было предпринято много попыток объяснить оледенения как результат процесса образования гор, поглощающего большое количество энергии. Гипотеза о связи оледенении с горообразованием, казалось, находила подтверждение при изучении местных горных оледенении. Однако закономерности материковых оледенении никак не укладывались в рамки этой гипотезы.
Было установлено, что крупные этапы горообразования проявляются примерно каждые 38-45 млн. лет. Эти цифры никак не согласовываются с возрастом великих оледенении. Время формирования гор не совпадает с эпохами похолодании и даже не предшествует им.
В 1954 г. советский астроном Павел Петрович Паренаго установил, что в процессе движения по своей орбите Солнечная система совершает плавные волнообразные колебания, направленные перпендикулярно к плоскости Галактики. Период таких колебаний равен приблизительно 85 млн. лет.
Эта величина сразу заинтересовала геологов. Она была в среднем вдвое больше, чем интервал между соседними фазами горообразования. Так наметился еще один цикл в развитии планеты, равный полупериоду колебания Солнечной системы по отношению к плоскости ее движения. И уже имеются соображения, что горообразующие силы наиболее интенсивно проявляются в те отрезки времени, когда Солнечная система (и Земля в том числе) пересекает плоскость Галактики.
Нет сомнения, что космические причины влияют не только на климат нашей планеты. Их видимая связь с горообразовательными процессами заставляет искать и другие отзвуки космической жизни Земли, которые позволили бы установить продолжительность геологических явлений.

КОЛЬЦА ВРЕМЕНИ
О желтой сосне, рубленых церквах. Холопьей улице и коммунальном хозяйстве Новгорода
Проходя по лесу, остановитесь у старого замшелого пня. Сотрите мохнатый покров со среза. Перед вами откроется похожая на паутину сеть концентрических кругов, перечеркнутая радиальными трещинами, - кольца дерева. Они могут поведать о рождении растения, о долгих осенних дождях и ярком июльском солнце, о месяцах цветения, плодородных годах, безводных временах...
Тщательно изучая древесные кольца, ученые шаг за шагом восстанавливают историю леса, историю природы, историю жизни. Десятилетие за десятилетием всплывают перед глазами человека, сумевшего разгадать язык деревьев.
Совсем недавно родилась эта наука, получившая название дендрохронологии, - наука о закономерностях изменения толщины колец роста растений.
В Сибири и на Украине, в преддверии Аляски и на солнечных склонах Апеннинских гор - в любом месте умеренной и холодной зон деревья обладают замечательным свойством, известным любому из нас с детства: каждый год, будь то злая засуха или сплошные ливни, на стволе деревьев нарастает новый слой древесины. Эти слои прироста известны под названием годичных колец, ибо за год обычно образуется одно такое кольцо.
Ширина годичных колец крайне изменчива. Температура, количество выпавших осадков, число солнечных дней, режим окрестных водоемов, нападения насекомых-вредителей - все эти причины либо способствуют росту дерева, либо приостанавливают его. На толщину ежегодного прироста влияют еще и внутренние биологические силы, например, возраст растения, периодичность, с которой оно плодоносит, обильность плодоношения в нынешний год, интенсивность питания и обмена веществ, а также положение интересующего нас слоя древесины в стволе.
Все эти обстоятельства, складываясь вместе, воздействуют на организм дерева и создают благоприятную или неблагоприятную обстановку для его роста. В те годы, когда условия внешней среды неблагоприятны для растения, годичные кольца его выглядят угнетенными - это тонкие окружности, порой едва различимые даже на свежем срезе. Если же год был благоприятным для дерева, образуются отчетливые широкие кольца.
Одни и те же природные факторы могут оказывать неодинаковое влияние на разные породы деревьев. Жаркое солнечное лето способно оживить одно растение и приблизить гибель другого. В таком случае и кольца роста этих деревьев разовьются по-разному. Другое дело - условия неблагоприятные. Будет ли чрезмерное увлажнение, повеют ли устойчивые иссушающие ветры, нападут ли на лес насекомые или вдруг оскудеет почва - все это не замедлит сказаться на каждом растении. На десятки и сотни километров окрест зеленые обитатели леса ответят на эти явления одинаково: их кольца прироста, образовавшиеся в этот год, будут тонкими, болезненными.
Толщина колец роста во многом зависит и от возраста дерева. Чем моложе растение, тем шире его кольца. В один и тот же год у старых и молодых деревьев образуются кольца различной толщины. Случается иногда даже так, что при самых неблагоприятных условиях на молодых деревьях возникают кольца более широкие, чем появившиеся на древесине старого дерева в самые благоприятные для него годы. Зная эту особенность роста деревьев, можно заключить, что сравнивать между собой годовые кольца деревьев разного возраста бесполезно.
Но если мы проследим, как изменяется толщина слоев нарастания по сравнению с предшествующими и последующими годичными кольцами, перед нами откроются широкие возможности для тех или иных выводов. Среди различных сил, способствующих росту дерева, главнейшую роль играют свет, тепло и влажность. Изменения климата: долгие дожди или затяжной зной, морозы, зимние заносы или бесснежные зимы - обычно наблюдаются на огромных территориях. Поскольку погодные условия связаны с активностью Солнца и состоянием атмосферы, единообразное действие их проявляется на большой площади, оказывая влияние на развитие всего живого.
Отражаются эти изменения и на древесине, обусловливая на ней кольца роста различной толщины. Но поскольку силы, побуждающие рост дерева, и особенно те из них, которые оказывают на растения отрицательное влияние, действуют на больших участках земной поверхности одновременно, то и колебания толщины годичных колец деревьев должны быть синхронными.
Различные породы деревьев по-разному реагируют на изменения внешней среды. Одни из них отчетливо запечатлевают историю природы в своих ежегодных слоях прироста, другие проявляют большее безразличие к внешним условиям. Поэтому и «книга» годичных колец читается то легко, а то с трудом.
Самые отчетливые годичные кольца мы находим у сосны. Не уступают ей и многие другие хвойные деревья, с которыми обычно и предпочитают работать специалисты-дендрохроно-логи. Зато у лиственных деревьев кольца роста, как правило, менее отчетливые, иногда совсем неясные, и восстанавливать по ним минувшую обстановку намного сложнее.
Колебания толщины годичных слоев можно изобразить на графике. Если потом сравнивать такие графики, построенные для нескольких деревьев, срубленных одновременно, можно увидеть, что закономерность, с которой чередуются узкие и широкие кольца на каждом из срезов, повторяется на всех чертежах. Рассматривая зигзагообразные линии, характеризующие интенсивность роста дерева, мы можем представить себе, как изменялись климатические условия на протяжении десятилетий.
Изучать поперечные срезы древесины сравнительно несложно. Поперечный разрез ствола рассматривается под микроскопом, и на нем измеряется ширина каждого годичного слоя. По этим данным строится график изменений толщины колец. Там, где кольца толще (благоприятная обстановка), кривая графика идет вверх; там, где они наиболее узкие, - опускается вниз, свидетельствуя о суровых и трудных для растения годах.
Взяв дерево, срубленное в нынешнем году, и построив для него график роста годичных колец, мы получим эталон - краткую запись изменений природной обстановки за весь период жизни растения. Предположим теперь, что где-то в той же климатической зоне мы нашли спиленный ствол другого дерева, и нам нужно определить его абсолютный возраст. Для этого необходимо изготовить биологический срез древесины интересующего нас ствола и тоже составить для него график роста. Сравнивая оба графика, мы увидим, что более старые слои только что срубленного дерева чередуют свою толщину с той же закономерностью, которую мы наблюдаем на молодой половине дерева, спиленного раньше.
Возраст эталонного дерева нам известен. Допустим, что оно было срублено в 1985 г. в возрасте 50 лет. График роста этого дерева за первые 20 лет его жизни совпал с кривой, характеризующей последние 20 лет жизни найденного нами дерева. Подсчитаем теперь общее число годовых колец на определяемом дереве; пусть, к примеру, их оказалось 65. Стало быть, можно утверждать, что интересующее нас дерево было спилено в 1955 г., а расти оно начало в 1890 г.
Картину изменения климатических условий за последние 50 лет мы прочли по стволу, срубленному последним - в 1985 г., но теперь у нас появились новые данные, позволяющие восстановить природную обстановку, существовавшую на нашей территории с 1890 по 1935 год. С этим вторым эталоном можно сравнивать срезы древесины других - еще более старых - деревьев и, надстраивая графики годичных колец, проникать все дальше в глубь истории леса.
Казалось бы, этот простой метод позволит углубиться в прошлые времена на многие десятки и сотни лет, стоит лишь изучить срезы старых деревьев и бревен из старинных строений, время закладки которых известно по древним летописям. Ученые многих стран Европы стали пытаться применить дендрохронологический метод к датированию материалов, полученных при раскопках городов.
Но выяснилось, что дело обстоит далеко не так просто. Древние деревья в европейских лесах насчитывают всего 300-400 лет от роду. Разве только дуб живет полтысячелетия и лишь иногда достигает шестисотлетнего возраста. Но древесину лиственных пород изучать трудно. Крайне неохотно рассказывают ее расплывчатые кольца о прошлом. Кроме того, необходимо было собрать биологические срезы древесины по каждому из многочисленных районов со своей спецификой природных условий. Да и пригодного археологического материала, вопреки ожиданиям, оказалось недостаточно.
В более благоприятном положении находились американские исследователи. В лесах Северной Америки встречается немало древесных пород, жизнь которых длится целое тысячелетие. Таковы, например, пихта Дугласа, желтая сосна и некоторые другие голосеменные растения. Продолжительные поиски принесли еще большую удачу: был обнаружен вид высокогорных сосен, живущих более 4500 лет.
Волею природы в лесах Нового света наиболее долговечными оказались хвойные деревья, годичные кольца которых отчетливые и позволяют легко дешифрировать древнюю климатическую обстановку. Повезло здесь и археологам. На раскопках индейских городищ найдено много образцов древесины, что дало возможность построить дендрохронологи-^- ческую шкалу более чем на тысячелетие.
Долгое время дендрохронологические исследования проводились в основном на территории Америки. Европа в этом отношении оставалась для ученых белым пятном. Но с 50-х годов такие исследования широко развернулись в нашей стране. Особенно благоприятными для изучения оказались северные районы европейской части России. Почвы этих мест, обильно увлажненные осадками и глубоко прохватываемые морозами, хорошо консервируют древесину. Они превратились в хранилище многочисленных древесных стволов.
Одна из богатейших коллекции ископаемого дерева собрана на раскопках древнего Новгорода. Старинные здания, бревенчатые настилы, стояки церквей, срубы колодцев - этот обширный археологический материал получили в свои руки исследователи. Слой за слоем вскрывая напластования, отложившиеся за время многовекового существования великого города, археологи обнаружили несколько тысяч образцов древесных пород, захороненных на самой различной глубине.
Более 8 м наносов накопилось в Новгороде за последнюю тысячу лет. И повсюду в этой толще встречается древесина. Но как связать между собой возраст разрозненных находок? И удастся ли это сделать вообще? Чтобы ответить на эти вопросы, предстояло изготовить поперечные срезы более чем трех тысяч найденных в земле деревьев, сосчитать на каждом из них количество слоев, построить графики роста годичных колец. Затем надо было несчетное число раз располагать эти графики в различной последовательности до тех пор, пока кривые роста всех образцов не совместятся и, надстраивая друг друга, не вытянутся в одну неразрывную линию.
Но остатки деревьев, найденные при раскопках, принадлежат нескольким древесным породам. Для каждой из них приходилось строить свою дендрохронологическую шкалу. И естественно, возникали опасения, хватит ли имеющегося материала, чтобы воссоздать полностью всю картину истории лесов этого района? Не выяснится ли, что среди изучаемых находок будут невосполнимые пробелы во времени, которые сделают невозможным построение законченной шкалы?
Для того чтобы связать дендрохронологическую шкалу с абсолютным летосчислением, достаточно знать точный возраст хотя бы одного кольца. Проще всего, конечно, выполнить привязку, если известен год, когда было срублено дерево. При работе с многовековыми породами деревьев этот путь наиболее перспективен: по свежесрубленному дереву устанавливается эталон, к которому впоследствии «привязывают» кривые годичных колец, прочитанные на археологической древесине. Таким методом составлено большинство американских шкал. Но при новгородских раскопках не было встречено погребенных деревьев, которые позволили бы на одном срезе сразу пронаблюдать историю нескольких столетий. Поэтому работа дендрохронологов значительно усложнилась.
Необходимо было внимательно изучить летописные источники и выбрать из них все календарные даты, касающиеся времени постройки деревянных зданий, а также выискать все даже самые мимолетные сообщения о значительных изменениях климата и о других природных явлениях, которые могли оказать влияние на интенсивность роста деревьев. Полученные сведения потребовалось тщательно систематизировать и расположить в хронологической последовательности, чтобы затем сопоставлять с ними кривые роста археологической древесины.



Дендрохронопогические построения: 1 - поперечный срез древесного ствола; 2 - сопоставление синхронно образовавшихся годичных колец по срезам нескольких деревьев; 3 - изменение прироста годичных колец хвойных растений в лесах Новгородской области с 900 до 1100 года.

До наших дней сохранились некоторые строения, воздвигнутые девять столетий назад. В основном это храмы, год постройки которых отмечен в летописях. Правда, очень многие из них сложены из камня. Но, к счастью, лежни фундаментов каменных зданий обычно были бревенчатыми; кроме того, кое-где внутри стен сохранились остатки укрепляющих связей, тоже деревянных. На эти детали старинных построек и обратили внимание дендрохронологи.

<< Пред. стр.

страница 2
(всего 3)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign