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.
Известно, что для постройки зданий лес обычно заготовляли в зимнее время, с тем чтобы с наступлением тепла начать строительные работы. Проверка древесины с новгородских раскопок подтвердила, что это правило соблюдалось нашими предками на протяжении почти тысячи лет. Значит, последнее внешнее кольцо прирост?, которое мы видим на лежне старинного фундамента, соответствует году, предшествующему календарной дате постройки храма.
Установив по летописям годы заложения новгородских церквей, дендрохронологи взяли для исследования лежни от фундаментов церкви Михаила Архангела, постройка которой была начата в 1300 г., церквей Святого Саввы (1418 г.) и Спаса Преображения (1421 г.). Из двух других церквей - Святого Михаила в Сковоротском монастыре (1355 г.) и Иоанна Богослова на Витке (1384 г.) - были изучены срезы деревянных связей стен. Все кривые роста древесины хорошо сопоставились друг с другом и позволили начертить график, охватывающий более полутора столетий.
Но особенная удача ожидала исследователей, когда сразу на трех улицах - Великой, Кузьмодемьянской и Холопьей - были вскрыты деревянные настилы мостовых, лежавшие один на другом в 32 яруса. Выяснилось, что начиная с Х века новгородцы постоянно следили за сохранностью своих дорог и, как только мостовая начинала проседать или приходить в несоответствие с «техническими нормами», ее перекрывали слоем свежих бревен.
Изучение срезов этих деревьев (из них хорошо сохранились и оказались пригодными для обработки 28 слоев) позволили создать дендрохронологическую шкалу, распространившуюся на период с IX по XV век. А сопоставив эти графики с материалами, полученными при исследовании древесины, пошедшей на постройку соборов, удалось более точно датировать каждое изменение роста годичных колец и выработать «древесный календарь» с 884 по 1462 год.
Впоследствии этот календарь был «надстроен» по срезам дерева, взятым от зданий XVI, XVII и XVIII веков; здесь с выяснением года постройки дело обстояло значительно проще. А графики, снятые со свежеспиленных двухсотлетних хвойных деревьев, позволили сомкнуть полученный календарь с дендрохронологическими схемами, установленными для нынешних лесов.
С помощью этих графиков сначала определили время закладки различных зданий и сооружений в Новгороде. Было установлено, например, что самый старый из доступных определению ярусов мостовой был настлан в середине Х века (в 953 г.). Следующий за ним двадцать седьмой по счету настил был положен через 19 лет. Новгородская «служба коммунального хозяйства» работала прекрасно. Не реже, чем раз в тридцатилетие, а то и через десяток лет, обновляли новгородцы свои улицы.
Для многих строений, о которых раньше был известен лишь век закладки фундамента, теперь выяснена точная дата постройки. Но является ли шкала, установленная в Новгороде, универсальной? Для выяснения этого необходимо было провести широкие сравнительные исследования и на других археологических раскопках.
С этой целью были изучены коллекции деревьев, собранные в двух других древних городах - Белозерске (Вологодская область) и Полоцке (Белоруссия). Таким образом, исследования охватили большую территорию, протянувшуюся с северо-востока на юго-запад почти на 800 км. Дендрохро-нологические графики, построенные для различных районов этой территории, показали некоторые различия в закономерностях изменения толщины годичных колец роста, однако общая картина подтвердилась.
Теперь археологи могут с достаточной уверенностью судить о возрасте деревянных построек последнего тысячелетия. Абсолютный возраст срубленного дерева удается определить с точностью до 1 года. И для этого годится почти любое бревно хвойной породы, лишь бы на нем сохранились здоровые внешние слои древесины и последнее кольцо прироста.
Дендрохронологические шкалы разработаны лишь для отдельных участков земной поверхности. «Дальность» действия их сравнительно невелика. Кроме того, далеко не всегда в тех отложениях, возраст которых необходимо установить, встречаются стволы деревьев или хотя бы обломки древесины. Как же поступить в этом случае? Нельзя ли использовать для определения возраста отложении скелеты древних животных?
Оказалось, что и это возможно. Известно, что каждая кость состоит из минеральных и неминеральных веществ. В этом нетрудно убедиться, если прокалить кость на огне и сделать химический анализ несгоревшего остатка.
После гибели животного минеральное вещество кости начинает выщелачиваться и постепенно замещается другими неорганическими соединениями. Утрачивая свои первоначальный состав, насыщаясь новыми элементами, кость медленно превращается в окаменелость.
При этом скелет погибшего животного может попасть на каменистый или песчаный грунт, может покрыться слоем наносов или остаться лежать под открытым небом, испытывая действие солнечных лучей, дождя и ветра. И в каждом случае процесс изменения первоначального состава кости будет протекать по-разному.
Немецкий анатом И. Дюрст определил скорость, с которой выщелачивается минеральное вещество кости в различных условиях. Ему удалось показать, что если известна обстановка, в которой был захоронен скелет погибшего организма, то, узнав органический состав кости и количество оставшегося в ней первичного минерального вещества, можно установить время смерти животного с точностью до одной-двух тысяч лет.
На основании расчетов Дюрста были построены таблицы, позволявшие оценивать возраст органических остатков, погребенных в наиболее близких к нам отложениях четвертичного периода. Этот метод давал неплохие результаты при изучении археологических находок и иногда даже при исследовании так называемых субфоссильных, т. е. полуокаменевших, скелетов.
Но за 14 тыс. лет все исходное минеральное вещество кости успевает подвергнуться выщелачиванию, и для более старых окаменелостей этот способ уже непригоден. Как же быть тогда?
Ответ на этот вопрос дал украинский ученый Иван Григорьевич Пидоплычко. Как уже говорилось, в каждой кости кроме минеральных веществ содержатся еще и неминеральные. Одно из них - промежуточное вещество костной ткани, известное под названием коллаген или оссеин, разлагается очень медленно, сохраняясь в скелете погибших животных десятки и даже сотни тысяч лет. Особым способом прокаливая ископаемые кости вымерших зверей, можно выяснить, какое количество коллагена сохранилось в этих костях, а зная первоначальное его количество, можно подсчитать, сколько лет назад погибло животное.
Метод, предложенный Пидоплычко, гораздо совершеннее метода Дюрста. И хотя его тоже нельзя считать непогрешимым, но это уже отчетливо наметившееся направление, открывающее для абсолютной геохронологии широкие возможности. Достаточно вспомнить, что коллаген содержат все кости, известные из современных и верхнечетвертичных отложений, чтобы понять, насколько большую роль может сыграть это направление в стратиграфии горных пород, образовавшихся в ближайшую к нам эпоху кайнозойской эры.
Были предложены и другие методы определения абсолютного возраста слоев на основании химического анализа скелетов погребенных в них животных.
Один из таких методов основан, например, на изучении содержания в ископаемых костях фтора. Было выяснено, что чем «старше» найденный скелет, чем древнее его геологический возраст, тем больше фтора в веществе ископаемых костей. С течением времени увеличивается также и отношение количества фтора к присутствующему в кости моноксиду углерода (СО). Зная эти соотношения, можно оценить продолжительность пребывания в земле интересующей нас палеонтологической находки и, обобщив данные по многим коллекциям, указать даты образования каждого пласта, содержащего органические остатки.
Приведем один пример.
В начале нынешнего столетия в Англии, в окрестностях селения Пилтдаун, были найдены потемневшие обломки черепа, очень похожего на череп современного человека. Но нижняя челюсть этого существа резко отличалась от человеческой. Она напоминала, скорее всего, челюсть шимпанзе. Разгорелись споры. Одни считали, что попросту не могло существовать животного, которое столь явно совмещало бы в себе признаки обезьяны и человека. Другие, напротив, усмотрели в этой находке еще одно доказательство происхождения человека от обезьяноподобных предков и выделили загадочное животное в самостоятельный род, который назвали «эоантропус», что значит «заря-человек».
Находка в Пилтдауне: 1 - пилтдаунскан подделка; 2 - череп современного человека.
Почти 40 лет продолжались разногласия. В некоторых монографиях даже появилось описание этого странного человека. Но в 1953 г. был определен абсолютный возраст пилтдаунских костей. Что же оказалось? Череп действительно принадлежал человеку, но не примитивному, а нашему сравнительно недавнему предку, жившему около 600 лет назад. Челюсть же оказалась принадлежащей обыкновенному шимпанзе и была еще моложе - около 500 лет. Кроме того, при изучении под микроскопом выяснилось, что зубы в челюсти были подпилены. Это придало им необычный вид и заставило некоторых исследователей поначалу усомниться в том, что найденная челюсть принадлежит обезьяне.
Но надо заметить, что и череп, и челюсть выглядели как настоящие окаменелости. Откуда же взялись у них признаки ископаемых костей, сумевшие ввести в заблуждение специалистов? Химики без труда ответили и на этот вопрос: просто авантюрист (или шутник?) тщательно обработал оба образца перманганатом калия и хромпиком. Надо отдать ему должное - сделано это было настолько искусно, что череп и челюсть приобрели одинаковую окраску и имели столь естественный вид, что даже опытный глаз не мог разоблачить фальсификацию.
Определение абсолютного возраста ископаемых остатков животных возможно лишь в пределах последних 300 тыс. лет. Правда, уран-свинцовый, калий-аргоновый, стронций-рубидиевый и некоторые другие методы дают возможность проникнуть в глубь истории Земли на десятки миллионов и даже миллиарды лет. Однако минералы, содержащие эти радиоактивные элементы, обычно приурочены к так называемым магматическим и вулканогенным породам, т. е. к горным породам, образовавшимся из огненных расплавов.
Анализируя эти минералы, можно узнать, сколько времени прошло с момента кристаллизации магмы, когда излилась вулканическая лава и возникли рудные месторождения. Но породы эти не содержат органических остатков, по которым их можно было бы отнести к тому или иному геологическому периоду. Удастся ли связать между собой «относительный» календарь, построенный на закономерностях распространения в различные эпохи разных групп животных, с «абсолютным» возрастом земных слоев?
Изредка в морских отложениях вместе с остатками вымерших животных встречаются красивые зеленые зернышки. Это силикатный минерал глауконит. В его кристаллах и радиально-лучистых зернах содержатся радиоактивные вещества, позволяющие перебросить мост между «абсолютной» и «относительной» системами летосчисления.
Для. того чтобы определить возраст по глаукониту, нужно располагать довольно большим количеством зерен этого минерала. Около 80 г глауконита должен извлечь геолог из породы, чтобы установить, например, время образования неогеновых отложений. И хотя количество минерала, требующееся для анализа, уменьшается по мере продвижения к более древним эпохам, все равно даже в протерозойских толщах необходимо собрать не менее 10 г глауконита. Поэтому пробы осадочных пород, из которых предполагается извлекать глауконитовые зерна, обычно весят несколько килограммов. Лишь в докембрийских отложениях, если случается иногда найти в них переполненные этим минералом участки, можно ограничиться одним-двумя крупными кусками породы.
Для радиологического анализа пригоден только абсолютно чистый глауконит. Чтобы добыть его, горную породу дробят, просеивают и прямо на ситах тщательно промывают водой. Очищенную от пыли пробу осторожно высушивают, оберегая от воздействия высокой температуры, под действием которой может нарушиться химический состав минерала. Затем собирают все, даже самые мелкие частицы, получившиеся после дробления, и с помощью электромагнита или тяжелой жидкости - бромоформа - отделяют зерна глауконита.
Если минерал, как это нередко бывает, был заключен в известковых породах, предварительно растворяют часть известкового цемента в слабых органических кислотах. Извлеченные из известняка зерна глауконита, как правило, бывают подернуты тонкой карбонатной пленкой. Поэтому непременно нужно промыть их слабым раствором уксусной или соляной кислоты. Если не сделать этого, углекислый газ, бурно выделяясь во время опыта, может развеять из пробирки мельчайшие летучие частицы минерала и сведет к нулю результат трудоемкого анализа.
Нередко зерна глауконита, особенно из глубоководных отложений, бывают чрезвычайно мелкими. Это затрудняет отбор их из породы. Кроме того, этот минерал легко поддается изменениям. Иногда он ожелезняется, превращаясь в бурые катышки, почти лишенные калия; в других случаях становится совершенно бесцветным. Стоит хоть немного проявиться процессам выветривания, как начинается бегство аргона из кристаллической решетки минерала.
Бывают и такие случаи, когда даже превосходно сохранившиеся на первый взгляд кристаллы по какой-то причине утрачивают некоторую часть радиогенного аргона. Предполагают, что это происходит в результате незначительных нагревании породы за время ее существования, а также вследствие изменении слоистой структуры минерала. Поэтому возраст, определенный по глаукониту аргоновым методом, может оказаться несколько моложе, чем ожидается.
Однако в результате упорных поисков все же удается обнаружить образцы минерала, которым посчастливилось избежать перекристаллизации и остаться незатронутыми действием выветривания. Зерна такого глауконита содержат много калия. Они-то и дают наиболее достоверные оценки геологического возраста.
Советские радиологи доказали, что возраст осадочных пород можно определить по глаукониту в огромном интервале времени - вплоть до полутора миллиардов лет, и ошибка в определениях не превысит при этом 10, а иногда и 5%.
По глаукониту можно устанавливать возраст песков, песчаников, глин, известняков, доломитов и других пород, отложившихся в водных условиях. Этот минерал образуется в природе на границе водной среды и воздуха и потому особенно часто встречается вместе с окаменелостями. Он довольно широко распространен в морских породах, находящихся ныне на материках и принадлежащих к различным геологическим системам.
Из множества стратиграфических границ особенный интерес для геологов представляют некоторые «опорные» рубежи, определяющие существенные изменения в историческом развитии Земли. Об одном из таких рубежей уже говорилось. Это - граница меловой и палеогеновой систем, отделяющая мезозойские отложения от кайнозойских. Пользуясь различными радиологическими методами, геологи неоднократно пытались определить возрастное положение этой границы. Результаты получались близкие, но не одинаковые - от 63 до 70 млн. лет. Какой из этих датировок отдать предпочтение?