Александр Олейников - Геологические часы
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.
