От миоцена до кембрия успешно «работает» глауконит, позволяя измерять абсолютный возраст слоев, относительная геохронологическая позиция которых определена по содержащейся в них ископаемой фауне и флоре. Каждый новый точный анализ - шаг по пути уточнения методов абсолютной геохронологии, продвижение к укреплению ее связи с относительной шкалой геологического возраста.
А для отложений, которые старше 500 млн. лет, глауконит вновь выступает на первое место. Здесь он едва ли не единственный минерал, пригодный для определения абсолютного возраста калий-аргоновым методом. И именно по глауконитам установлен, например, возраст древних образований Русской платформы, сформировавшихся от 0,5 до 1,3 млрд. лет назад.
А что если найти такой способ, который позволял бы определять возраст непосредственно по скелетам доисторических обитателей Земли? Не по составу химических веществ, слагающих скелетную ткань, а прямо по самому скелету, по его строению.
Эта мысль давно приходила к естествоиспытателям, но никто не рисковал высказать ее вслух. И действительно, казалось безумием мечтать о невозможном вопреки строгим фактам, хорошо изученным физиками и химиками. О чем было говорить, если известно, что природное минеральное вещество сохраняется в костях всего 14 тыс. лет, а коллаген - не более нескольких сотен тысяч лет. Стоит углубиться в более древние времена, и мы встречаем кости, утратившие свою первоначальную структуру, окаменевшие. Мало того, десятки и сотни миллионов лет назад у большинства животных вообще не было костного скелета. Недаром их называют беспозвоночными.
Однако почему только физика и химия считают своим исключительным правом решать вопрос о возрасте Земли? Нельзя ли подойти к решению этой задачи с совершенно иных позиций?
Мы уже говорили об астрономических циклах протяженностью от одного до нескольких лет, которые находят отражение в ритмичном строении осадочных толщ. Эти циклы оказывают влияние и на представителей органического мира.
Многие животные и растения запечатлевают их в структуре своих тканей.
Годичные кольца роста встречаем мы у деревьев; ежегодно появляются новые полосы нарастания на раковинах моллюсков; следы трехлетних периодов солнечной активности можно прочитать на чешуе некоторых рыб. А если взглянуть на скелеты карбонатных водорослей, живших в прошлые периоды, на них можно проследить трех-, одиннадцати- и тридцатилетние циклы. Внимательно изучая окружающие нас и вымершие существа, нельзя не убедиться в том, что очень многие организмы на всю жизнь сохраняют в своем скелете отпечаток сезонных и многолетних изменений климата.
Но некоторые явления в жизни животных подчинены еще более коротким циклам. Например, морские черви палоло размножаются только в определенные фазы Луны; ракообразные периодически линяют в интервале между весенним и осенним равноденствиями; ежемесячные колебания климата сказываются на росте и жизни некоторых иглокожих.
А сутки - это простейшее чередование двух состояний: дня и ночи - заставляют пульсировать временные водные потоки, которые отлагают и уносят слои минеральных частиц. Неужели они не оказывают никакого влияния на формирование скелета организмов? Долгое время ответить на этот вопрос не удавалось. Но в конце концов поиски были вознаграждены. Помогли кораллы.
У некоторых кораллов известны кольца, каждое из которых указывает на годичный прирост его скелета. Но если подробно рассмотреть участок годового прироста такого коралла под сильным микроскопом, то на его морщинистом известковом покрове - эпитеке - можно заметить тонкие гребни.
О существовании этих гребней было известно давно, но никому не приходило в голову подсчитать их количество. А когда подсчитали, результат сразу насторожил палеонтологов. Они брали разные образцы, повторяли наблюдения, и оказалось, что у современных коралловых полипов число таких гребней колеблется от 360 до 366, т. е. в среднем соответствует количеству дней в году.
Это наблюдение было очень интересно с биологической точки зрения. Но, казалось, оно не имело отношения к вопросу о возрасте земных слоев, если бы не одна, на первый взгляд, малозначительная подробность: количество гребней в среднем соответствовало продолжительности современного года.
Астрономы доказывают, что время, за которое Земля совершает один оборот вокруг Солнца, за последние 600 млн. лет почти не изменилось. Зато скорость ее вращения вокруг своей оси по астрономическим подсчетам замедляется примерно на две секунды за каждые 100 тыс. лет. Таким образом, на протяжении истории Земли длительность суток возрастает, а число дней в году уменьшается.
Зная скорость, с которой Земля замедляет свое вращение, можно высчитать продолжительность года в разные периоды. В кембрийском периоде год должен был содержать 424-412 суток, в ордовикском 412-402, в девонском 396, в каменноугольном 393-390, в пермском 385, в триасовом 381, в юрском 377, и так далее.
Для проверки этих данных были взяты скелеты древних девонских кораллов. Подсчитали у них количество гребней в кольцах прироста; оказалось, что оно изменяется от 385 до 410, а в среднем равно 400. Эти цифры, как нетрудно убедиться, совпадают с предполагаемым числом дней в году девонского периода. По-видимому, длительность суток составляла в это время около 21 часа. Изучение линий нарастания более молодых - каменноугольных - кораллов показало, что их количество у животных этого возраста изменяется от 385 до 390.
Но если можно по длине года определить, к какому периоду относятся ископаемые окаменелости, то нельзя ли с их помощью решить обратную задачу - оценить абсолютный возраст вмещающих эти окаменелости пород? Теоретически это вполне возможно. Ведь если бы удалось, например, по линиям нарастания установить, что в самом начале кемб-рийского периода год содержал 420 суток, можно было бы утверждать, что этот период начался 600 млн. лет назад.
Изучение циклических закономерностей нарастания скелетных форм на различных организмах показало, что задача намного сложнее, чем предполагали исследователи поначалу. Например, анализ большого количества образцов кораллов из тех же девонских отложений заставил признать, что во многих случаях годичную периодичность роста этих беспозвоночных установить не удается. Сходные выводы получены и по кораллам, жившим в некоторые другие геологические периоды. Это вызвало сомнения в том, что по их скелетам можно с уверенностью судить об изменении скорости вращения Земли.
Но не успело это неутешительное заключение появиться в печати, как девонские кораллы преподнесли ученым новый сюрприз. Было установлено, что линии нарастания на эпитеке некоторых представителей этих животных бывают сгруппированы в пояски, каждый из которых содержит в среднем 30,6 тонкой линии нарастания. Известно, что у кораллов, как и у многих других морских организмов, биологические ритмы связаны с лунными, или приливными, циклами. По-видимому, эта закономерность унаследована ими от далеких предков. Если это так, то не означают ли наблюдаемые структуры роста кораллов, что лунный месяц в девонском периоде длился 30,6 суток?
Предполагаемая продолжительность девонского лунного месяца заметно превышает длительность современного приливного цикла, который составляет 29,5 суток. Если дальнейшие исследования подтвердят справедливость полученных выводов, то откроется еще одна возможность использования палеонтологических данных при изучении эволюционного развития системы планетных тел.
Значительно более дробные циклы удалось проследить при изучении раковин двустворчатых моллюсков. По различиям в структуре, толщине линий нарастания и по изменениям в составе вещества раковин моллюсков устанавливаются годовые циклы их роста, а также циклы, отвечающие развитию животного в летний и зимний сезоны. Кроме того, наблюдаются чередования циклов, соответствующих четырнадцатисуточным периодам максимальных и минимальных приливных амплитуд, и суточные циклы, проявленные в убыстрении роста раковины днем и замедлении этого процесса ночью. Иерархию этих периодичностей завершают шестичасовые циклы, порожденные различными условиями роста раковины во время прилива и отлива.
Исследования цикличности роста организмов на палеонтологическом материале активно развиваются и постоянно приносят новые интересные сведения, позволяющие связать палеонтологические наблюдения с данными абсолютной геохронологии. Судя по имеющимся наблюдениям, не исключена возможность, что сокращение числа дней в лунном месяце происходило на протяжении геологической истории не равномерно, а подчинялось более сложной закономерности. Уточнение этого предположения - одна из практических задач будущего. На основании палеонтологических наблюдений - вносить исправления в шкалу абсолютного возраста? Дерзкая идея! Но значит ли это, что она неосуществима?
Разумеется, эта удивительно простая и многообещающая гипотеза еще должна быть проверена на очень большом материале. И если окажется, что она верна, новый палеонтологический метод определения абсолютного времени, быть может, произведет переворот в геохронологии и даст в руки геологов несложный и верный способ оценки истинного возраста земных слоев.
Сложным и исполненным противоречий предстает перед нами развитие дисциплин, составляющих геохронологию. С тех пор как в VI веке до нашей эры древнегреческий ученый Ксенофан из Колофона впервые понял, что ископаемые останки животных, заключенные в горных породах, отражают изменения в геологической жизни планеты, палеонтология прошла трудный путь. Несправедливо забытые на протяжении двух тысячелетии идеи вновь воскресли и получили блестящее развитие в трудах ученых XIX и XX веков.
Еще за четыре с лишним столетия до нашей эры древнегреческий историк Геродот полагал, что наносы, отложившиеся в долине Нила, могут служить мерой для установления продолжительности доисторического времени. И опять потребовалось более двадцати веков, чтобы человечество снова вернулось к той же мысли.
Немало трудностей пришлось испытать и биологам, шедшим независимой от геологов дорогой. В жестокой борьбе с косностью познавало человечество законы взаимоотношения живой материи и окружающей среды. Слезами и кровью оплачены победы учения о естественном отборе, наследственности и эволюции животного и растительного мира. И сегодня в ряду тех, кто самоотверженным трудом внес свою лепту в становление науки о возрасте Земли, по праву занимают место имена последователей Ламарка, Дарвина и Менделя.
Высказанные Декартом, Лейбницем и Бюффоном смелые мысли о том, что образование Земли произошло в результате продолжительных естественных процессов, проторили тропу научно обоснованным космогоническим теориям.
Но великий физик Ньютон объявил, что, согласно его расчетам и Библии, земной шар должен был появиться на свет 6030 лет назад. И почти 200 лет после этого заявления, попеременно испытывая горечь поражений и счастье удач, шла физика в поисках истины, пока не открыла возможности устанавливать возраст минералов по радиогенным элементам. Это заставило увеличить сроки, определенные Ньютоном, почти в миллион раз.
С тех пор наука о возрасте Земли прочно встала на ноги. Она постигла искусство устанавливать время рождения кристаллических горных пород, определять сроки произошедших с ними изменений, выяснять зависимость их возраста от характера геологической обстановки, в которой породы образовались.
Она научилась определять тщательно замаскированный природой возраст осадочных пород. Изучая состав осадков, отложившихся на дне водоемов, радиологи умеют теперь устанавливать все многообразие форм, в которых существуют содержащиеся в породах материнские радиоактивные элементы: калий, рубидий, уран и торий.
Выпадая из морской воды, известковые осадки захватывают с собой свинец. Выяснив изотопные составы свинца, присущие каждой из прошлых геологических эпох, остается сранить с ними результаты анализа породы и получить ответ, к какому времени следует отнести образование исследуемой толщи известняка. Но вместе с осажденным свинцом в породах накапливается также некоторое количество радиогенного свинца, возникшего за счет распада ничтожных количеств урана и тория, содержащихся в породе. Сколь ни мало их содержание, но оно влияет на оценку возраста. И разрабатываются точные методы, позволяющие устранить влияние этой помехи.
Огромную популярность во всем мире завоевал аргоновый метод определения возраста. Современная техника позволяет обнаружить в породе и измерить самые ничтожные количества аргона. Даже стотысячная доля кубического миллиметра этого элемента не ускользает от чуткой аппаратуры. А это значит, что с помощью аргонового метода, может быть, удастся устанавливать возраст отложений с точностью до 100 тыс. лет.
По глаукониту, сильвину и другим минералам определяется длительность геологических событий. Но сильвин очень часто подвергается перекристаллизации, в результате которой происходит почти полная потеря накопленного породами аргона. Значит, надо обратить внимание на поиски таких признаков, которые позволили бы выбирать из множества имеющихся образцов именно те, которые наиболее пригодны для анализа. Для сильвина нашли подобные приметы, и теперь известно, что наилучшие результаты обычно дают крупные кристаллы с характерными «лодочками» роста на нижней грани.
Но большинство осадочных пород не содержит ни глауконита, ни сильвина. В этом случае в ход идут мельчайшие чешуйки гидрослюдистых минералов, зародившиеся в породе во время ее образования.
В последние годы в некоторых лабораториях для определения абсолютного возраста стали использовать еще одну минеральную группу - пироксены. Однако эти минералы, типичные для магматических и метаморфических пород, содержат довольно большое количество «чужого» аргона, и происхождение присутствующего в них калия пока еще тоже не вполне ясно. Но радиологи начинают изучать их «язык», и, возможно, им посчастливится найти ключ к его толкованию, что поставит на службу геохронологии и этот класс минералов.
Еще предстоит поближе познакомиться с многочисленными родственниками урана. Семейство дочерних элементов урана крайне многообразно. Интересные результаты были получены при исследовании одного из членов этого семейства - иония (2 Th). Некоторое количество иония постоянно осаждается вместе с тонкими глинистыми осадками, падающими на дно океана. Опустившись на дно, ионий начинает постепенно разлагаться. При этом период его полураспада равен 84 тыс. лет.
Если поднять с океанического дна колонку грунта и измерить, какое количество иония содержится в каждом из тончайших пропластков донного осадка, то выяснится, что содержание этого элемента постепенно уменьшается с глубиной. Эта закономерность вполне может быть использована для определения скорости формирования отложений морского дна и, вероятно, позволит создать возрастные карты для огромных площадей подводного царства, покрытых однообразным чехлом илов, время образования которых до сих пор остается загадкой. Может быть, этот способ пригодится и при выяснении возраста бывших морей, воды которых в недавнее время захватывали территорию нынешних континентов.
Все новые и новые изотопы находят применение при определении абсолютного возраста.
При изучении разнообразных объектов используется метод измерения времени по свинцу-210. Он позволил выяснить скорости смешения океанических вод и воздуха атмосферы, интенсивность выпадения осадков и рост снежного покрова Антарктики, возраст урановых месторождений в Альпах и историю минералов из вулканических фумарол Везувия и Долины Десяти Тысяч Дымов на Аляске.
Для исследования скорости накопления осадочных пород применяются протактиний-231 и торий-230. С помощью этих же изотопов сравнивается возраст удаленных друг от друга геологических разрезов и уточняются эпохи нашествия холода.
Два «брата» - уран-234 и уран-238 - нашли применение при датировании новейших морских и озерных отложений.
При изучении метеоритов пущены в дело «вымершие» изотопы: иод-129, ксенон-129, свинец-205 и плутоний-244. Для определения возраста редкоземельных минералов оказалась пригодной пара самарий-147- неодим-143. С помощью самарий-неодимового метода удалось обнаружить закономерные изменения изотопных характеристик, отражающих процессы эволюции Земли, и на основании изучения молодых вулканогенных пород, излившихся на дно океана, уточнить строение их источника - мантии нашей планеты.
Используя «привычку» минералов сохранять продукты ядерного деления, советские ученые Виталий Григорьевич Хлопин и Эрих Карлович Герлинг предложили ксенон-урановый метод. А свойство осколков ядерного деления оставлять на пути своего прохождения в минералах тончайшие следы - треки - позволяет с помощью электронного микроскопа ввести в практику еще один многообещающий способ оценки возраста - по количеству, форме и ориентировке треков.
Исследование соотношений изотопов позволило уточнить представления о происхождении метеоритов, выявить характерные особенности развития земной коры и мантии, проверить гипотезы о строении и эволюции интрузивных и вулканогенных пород.
Специалисты уже давно научились определять возраст метеоритов. Но было совершенно невозможно установить время, когда небесный камень прорвался сквозь заслон атмосферы к земной поверхности. С огромной силой ударяя в каменную оболочку Земли, метеориты нередко проходят сквозь толщу отложений нескольких эпох, и выяснить время их падения казалось немыслимым. Радиоуглеродный метод помог ответить и на этот вопрос.
Время образования почв, периоды изменения температуры вод, эпохи и пути миграции вымерших животных, возраст вулканических извержений, периоды наступлений ледников - в решении всех этих вопросов может принять участие изотопная геохронология.
Но кроме «земных» изотопов на поверхность планеты постоянно поступают радиоактивные изотопы космического происхождения. Продолжительное время, во всяком случае уже несколько миллионов лет, скорость их притока на Землю сохраняется неизменной. В последние годы к ним добавились новые искусственные источники радиоактивности: ядерные взрывы и отходы ядерных установок. Значительная часть всех этих веществ попадает в океаны, занимающие семь десятых площади земного шара.
Тритий, бериллий-10, углерод-14, алюминий-26, хлор-36, кремний-32 - все эти изотопы, порожденные деятельностью человека и космосом, также могут быть использованы и в геохронологии. Уже сегодня существуют точные методы, позволяющие определять их содержание. По-видимому, и недолговечные и долгоживущие представители этого сообщества вскоре найдут свое применение, например в океанографических исследованиях.