С годами методы изучения микроскопических окаменелостей совершенствовались, становились более точными и разносторонними. Ныне микропалеонтология — ветвь палеонтологии, занимающаяся исследованием остатков мелких организмов, — стала равноправной участницей стратиграфических изысканий.
Размачивая образцы горных пород в воде, палеонтолог иглой выбирает из осадка мельчайшие панцири простейших и ракообразных. Более твердые породы предварительно кипятят в растворе глауберовой соли либо протравливают слабыми кислотами. В результате даже из небольшого количества породы (несколько десятков граммов) удается выделить самые разнообразные остатки организмов: мелкие раковинки брахиопод и фораминифер, хитиновые останки червей, кремнистые иглы губок, членики морских лилий, отолиты костистых рыб.
Все большее значение приобретает сейчас изучение примитивных ракообразных — остракод и филлопод. Эти мелкие рачки, строение которых можно рассмотреть только под микроскопом, интересны тем, что они обитают в бассейнах различной солености. Их можно встретить на морской отмели, в лагуне, реке и пересыхающей луже. Это позволяет сопоставлять отложения различного происхождения, а зная признаки, по которым различают обитателей морских и пресноводных водоемов, можно судить и об условиях, в которых отложились данные осадки.
В последние годы внимание многих исследователей привлекают сколекодонты — ископаемые зазубренные челюсти кольчатых червей-аннелид и конодонты — мелкие, состоящие из кристаллического апатита пластинчатые образования, происхождение которых до сих пор еще недостаточно выяснено. Многие из них, по-видимому, также представляют собой челюсти хищных червей, а некоторые, вероятно, являются частями тела круглоротых позвоночных. Но несмотря на расхождения во мнениях о происхождении этих образований, конодонты наряду со сколекодонтами становятся важным подспорьем при решении вопроса о возрасте слоев, особенно в тех случаях, когда в морских или солоновато-водных отложениях, где эти окаменелости встречаются в большом числе, отсутствуют другие органические остатки.
Скалы, сложенные благородным поделочным камнем — яшмой, кремнистые сланцы и древние вулканогенные толщи открыли для микропалеонтологии еще один объект исследования. Это радиолярии, или лучевики, — микроскопические одноклеточные организмы, отличающиеся необычайной красотой своих кремневых скелетов. Изящные игольчатые, ба-шенковидные и шарообразные скелеты радиолярий, напоминающие то филигранную восточную резьбу, то застывшие звезды снежинок, то фантастические архитектурные конструкции, можно встретить на самых разных глубинах морей. Местами, например на дне Тихого океана на глубине от 3000 до 8000 м, ил состоит на 80, а то и на 100% из скелетов погибших радиолярий.
Известно не менее 5000 различных видов радиолярий. Как выяснилось, они встречаются во всех типах морских осадков начиная с кембрия и позволяют расчленять отложения с точностью до яруса. Есть все основания предполагать, что значение радиолярий для решения геохронологических задач в дальнейшем еще более возрастет.
Все шире вовлекаются в сферу стратиграфических исследований остатки гастропод — брюхоногих моллюсков, которые до недавнего времени не играли существенной роли в биостратиграфии палеозоя и мезозоя и ограниченно использовались лишь при расчленении кайнозойских отложении.
При изучении возраста карбонатных образовании заметно возросло значение иглокожих. Оказалось, что остатки морских ежей и морских лилий могут быть с успехом использованы не только для детального подразделения толщ, сложенных известняками, но и при сопоставлении удаленных друг от друга разрезов.
Не менее перспективными могут стать загадочные группы животных — хиолиты, представляющие собой небольшие планктонные организмы, известные из кембрийских отложений, а также микроскопические хитинозои, следы существования которых сохранились в виде массивных скоплений хитиновых оболочек, напоминающих крохотные сосуды всевозможной формы. Широкое географическое распространение этих организмов и их быстрое изменение во времени придают им стратиграфическую ценность.
Неплохие стратиграфические результаты можно получить, изучая строматолиты — прикрепленные ко дну слоистые образования в форме пластов, столбиков, желваков и караваев, возникшие на мелководных участках соленых и опресненных бассейнов в результате жизнедеятельности сине-зеленых водорослей и бактерий. Строматолиты нельзя назвать окаменелостями в общепринятом смысле этого слова, поскольку кроме органических структур в их создании не меньшее участие принимали продукты химического и механического осаждения карбонатных пород. Но став достоянием палеонтологии, они также начали приносить ощутимую пользу при расчленении и сравнении геологических разрезов.
В последние десятилетия в арсенале науки об относительном возрасте Земли появился еще один метод, получивший название спорово-пыльцевого. При спорово-пыльцевом анализе исследуют ископаемые остатки пыльцы семенных растений и спор, принадлежащих древним споровым, таким как мхи, плауны, папоротники. Ветер и водные потоки разносят мириады этих частиц по поверхности Земли. Одни из них захороняются на суше, другие попадают на дно водных бассейнов. Внутренние оболочки пыльцы и спор со временем разрушаются. Зато плотные внешние их покровы превосходно сохраняются в ископаемом состоянии. Достаточно сказать, что ископаемые споры известны по меньшей мере с кембрия. Впервые примененный для уточнения истории современных лесов и торфяников спорово-пыльцевой метод занял ныне видное место в ряду исследований, позволяющих устанавливать возраст осадочных пород.
Иногда, чаще всего в морских отложениях, вместе со спорами и пыльцой растений встречаются микроскопические организмы — перидинеи и акритархи. Установлено, что пери-динеи представляют собой ископаемые остатки динофлагеллят (или жгутиковых) — одноклеточных существ, имеющих признаки как растений, так и животных. Что же такое акритархи — пока не вполне выяснено. Одни исследователи считают их мелкими колониальными животными, другие — яйцами ракообразных, водорослями или даже динофлагеллятами, облеченными в цисту (оболочка, которой окружают себя некоторые организмы, попадая в неблагоприятные условия). Но хотя природа этих микрофоссилий продолжает еще оставаться неясной, их обилие и широкое распространение заставили ученых взять на вооружение и эту группу, которая также помогает решать вопрос о возрасте пород и условиях их образования.
Вместе с акритархами и динофлагеллятами предметом стратиграфических исследований стали диатомовые и золотистые водоросли. Все эти четыре группы палеонтологических объектов объединяются под общим названием «нанопланктон».
В ряду новых направлений исследований растет значение палеокарпологии (от латинского «карпус» — семя) — отрасли палеонтологии, занимающейся изучением ископаемых плодов, семян и мегаспор папоротникообразных. Судя по успехам, достигнутым при определении возраста кайнозойских отложений, можно надеяться, что палеокарпологические методы окажутся полезными и для стратиграфии более древних образований.
Возникла и развивается еще одна палеонтологическая дисциплина — палеомикология, предметом изучения которой являются ископаемые грибы. Остатки грибов в неисчислимом множестве можно обнаружить в древних осадочных породах, погребенных почвах, углях, горючих сланцах и торфе. Водные грибы-паразиты поражали водоросли, чешую рыб и скелетные образования беспозвоночных. А среди наземных отложений грибы можно найти в окаменелой древесине, в янтаре, на отпечатках листьев и на костях вымерших животных. Столь широкое распространение представителей грибного царства позволяет привлекать палеомикологические данные для восстановления условий обитания организмов, а при изучении докембрийских образований — и для расчленения осадочных толщ.
В стратиграфических целях могут быть использованы не только сами остатки живых существ, но даже свидетельства их жизнедеятельности: ходы роющих и сверлящих животных, следы ползания червей и пресмыкающихся, отпечатки на мягком грунте лап позвоночных, разнообразные жилищные постройки, следы линьки и остатки физиологических отправлений древних животных. Этот класс объектов изучает палео-ихнология (от греческого «ихнос»—след).
Представители того или иного вымершего вида могут встречаться в различных по своей протяженности интервалах разреза осадочных отложений, что косвенным образом указывает на продолжительность существования этого вида. Сравнивая закономерности распределения различных организмов во времени, удается установить стратиграфическую ценность каждого из них и обосновать точность, с которой можно измерить продолжительность геологических событий.
Трудом многих поколений палеонтологов создается шкала относительного времени — геологический календарь фанеро-зоя. В несколько упрощенном виде календарь этот показан в табл. 2.
Ископаемые остатки древних растений и животных позволяют выяснить последовательность залегания земных слоев и достаточно точно сопоставить пласты, заключающие окаменелости. По ним можно судить, древнее или моложе тот или иной пласт по сравнению с другим. Остатки организмов укажут, на каком этапе истории Земли образовались изучаемые отложения, позволят соотнести их с определенной строкой геохронологической шкалы. Но если породы «немые», т. е. не содержат ископаемых организмов, этот вопрос решить невозможно. А между тем многокилометровые толщи докембрийских образований лишены окаменелостей. Стало быть, чтобы определить возраст древнейших слоев Земли, необходимы какие-то иные методы, принципиально отличающиеся от традиционных приемов, взятых на вооружение палеонтологией.
Во второй половине XVIII столетия директор Королевского ботанического сада, французский естествоиспытатель Жорж Бюффон попытался определить возраст Земли. Бюффон предполагал, что Земля первоначально была раскаленным шаром, оторвавшимся от Солнца при столкновении его с большой кометой, и поставил такой опыт. Он добела раскалял в кузнечном горне каменные пушечные ядра и записывал, за сколько времени они успевали полностью охладиться на воздухе. Земля, рассуждал Бюффон, представляет собой огромный каменный шар, и если она была некогда раскаленной, то и остывать должна во столько раз медленнее, во сколько раз она больше пушечного ядра. Расчеты Бюффона показали, что время, необходимое для полного остывания земного шара, составило бы 75 тыс. лет.
Эта цифра, в 15 раз состарившая Землю по сравнению с традиционными библейскими представлениями, вызвала недовольство в церковных кругах. Но Жорж Луи Леклерк, граф де Бюффон — известный ботаник и зоолог, автор знаменитой 36-томной «Естественной истории» — мог не опасаться нападок духовенства. Значительно серьезнее для него была критика со стороны ученых, которые тоже не могли принять новую датировку: ведь если говорить строго, то мы и сегодня достоверно не знаем, остывает ли Земля или, наоборот, разогревается.
Смелые вычисления Бюффона стали достоянием научных архивов. И только почти полстолетия спустя,в 1833 г., искания возобновились.
Во французском городе Лиможе высится старинный собор, сложенный из гранитных глыб. От времени стены его стали понемногу разрушаться и к началу прошлого века покрылись тонкой рыхлой корочкой. Естествоиспытатель Антуан-Сезар Беккерель (дед знаменитого физика) измерил толщину разложившегося слоя гранита и сравнил ее с толщиной такой же корочки на скалах, откуда был взят камень для постройки собора. Зная по историческим документам, в каком году был построен собор, Беккерель вычислил скорость разрушения гранита. Если эта скорость была постоянной, то по ней можно было судить и о том, сколько лет потребовалось для образования коры выветривания на окрестных скалах, не тронутых человеком.
Простой и наглядный метод определения продолжительности разрушения скал заинтересовал геологов и заставил подумать, нельзя ли попытаться подобным образом выяснить возраст и других геологических событий. Подходящее для эксперимента место было найдено в окрестностях Женевского озера.
Еще сравнительно недавно значительная часть европейского материка была покрыта ледниками. Один из ледников, двигаясь, отполировал поверхность известняковых холмов в Савойе. Со временем ледник отступил, и под действием солнца и дождей известняк стал постепенно разрушаться или, как говорят геологи, выветриваться.
Проходили тысячелетия. Территория нынешней Савойи была захвачена римлянами. Завоеватели стали возводить крепости и устроили в известняковой горе каменоломни. За 18 столетий, минувших со времени римского нашествия, стены у входа в каменоломни успели покрыться слоем выветривания, толщина которого достигла 3 мм. Сравнив толщину этой корочки, образовавшейся за 1800 лет, с 35-сантиметровой корой выветривания, покрывающей поверхность отполированных ледником холмов, можно предположить, что оледенение покинуло здешние края около 210 тыс. лет назад. За этими первыми попытками определить истинный возраст геологических событии последовали более точные опыты.
В 1870 г. Фридрих Пфафф, профессор университета в Эрлангене (Швейцария), взвесил на аптекарских весах и положил на пень в своем саду две отполированные пластинки. Одна из них была изготовлена из известняка, другая из кристаллической горной породы — сиенита. Два года пролежали пластинки под открытым небом. Поверхность известняковой плитки сделалась матовой. Потускнела и сиенитовая дощечка. Тогда Пфафф снова взвесил обе пластинки и установил, что они стали легче. Вычислив, сколько каждый образец ежегодно терял в массе, исследователь рассчитал, что известняковые скалы должны разрушаться атмосферными явлениями на 1 м за 72 тыс. лет, а сиенитовые почти в 10 раз медленнее — за 731 тыс. лет.
Такие же опыты были проведены и с другими горными породами: песчаниками, гранитами, базальтами и сланцами. Определять возраст геологических событий по скорости разрушения горных пород оказалось сравнительно несложно. Применение чувствительной лабораторной техники позволило добиться значительной точности результатов, особенно в тех случаях, когда исследовались отложения последней ледниковой эпохи.
Но сторонники этого метода отдавали себе отчет в том, насколько сложно получить эталоны скорости разрушения для всего многообразия горных пород, слагающих земную кору. Даже если бы на протяжении целого столетия все геологи мира только и занимались тем, что определяли скорость выветривания пород различного состава, они все равно не смогли бы учесть громадного разнообразия пластов Земли.
К тому же в различных климатических условиях выветривание протекает с неодинаковой скоростью: одна и та же порода будет по-разному разрушаться в тропиках и в Заполярье. Быстрота выветривания зависит от температуры, влажности воздуха, количества осадков и числа солнечных дней. Значит, для каждой природной зоны нужно вычислять особые графики, составлять специальные шкалы. А можно ли быть уверенным, что климатические условия оставались неизменными с того момента, когда обнажился интересующий нас слой?
Кроме того, по интенсивности разрушения можно установить возраст лишь тех пластов, которые непосредственно выходят на земную поверхность и изо дня в день подвержены действию ветра и атмосферных осадков. Определить же возраст пород, скрытых под чехлом более молодых отложений, этим методом невозможно.
Но может быть, наблюдая за скоростью разрушения горных пород, можно попытаться решить другую задачу — установить продолжительность геологических процессов в сложных природных условиях?
На границе Соединенных Штатов Америки и Канады, между озерами Эри и Онтарио, протекает 40-километровая река Ниагара (что по-индейски значит «Гремящая вода»). Ее всемирно известный водопад, разделенный Козьим островом на два могучих потока, стал одним из первых объектов исследования. Некоторое время назад воды Ниагары обрушивались непосредственно в озеро Онтарио. Но постепенно водопад размывал ложе реки и, врезаясь в толщу осадочных отложений, медленно отодвигался по направлению к озеру Эри. Сейчас он находится на расстоянии около 11 км от устья Ниагары. Подсчитав скорость, с которой перемещается уступ водопада (в конце прошлого века она составляла немногим более 27 см в год), можно заключить, что он проделал свой путь приблизительно за 40 тыс. лет.
Результаты подобных расчетов казались достаточно убедительными. Но они давали только приблизительную оценку длительности события. Действительно, взглянув на геологическую карту бассейна Ниагары, нетрудно убедиться, что по мере своего продвижения к истокам реки водопад последовательно размывал различные породы, которые в этих местах залегают наклонно, погружаясь под дно озера Эри. Сначала размывались преимущественно песчаники, затем — сланцы, после них — известняки. Можно ли быть уверенным, что скорость размыва всегда была постоянной? Да и насколько постоянна она в наше время? Повторные измерения, проведенные в середине XX столетия, подтвердили эти сомнения. Выяснилось, что водопад стал отступать со скоростью около 1 м в год, хотя размываются те же самые известняки, что и несколько десятилетий назад. Почему это произошло? Надолго ли сохранится нынешняя скорость размыва? Не подлежит сомнению, что при подобных натурных экспериментах надо учитывать очень многие факторы, большинство из которых, к сожалению, нам совершенно неизвестны.
Тем не менее такие эксперименты приходится проводить и в наше время, когда при почти полном отсутствии информации необходимо все-таки дать прогноз, как будут развиваться геологические события. Особенно часто такая задача встает в инженерно-геологических исследованиях: при проектировании природоохранных мероприятий, строительстве портов, водохранилищ и защитных дамб. Используя методы фотограмметрии (съемки под различными углами с нескольких точек), удается зафиксировать ничтожные изменения, происходящие с геологическими объектами на протяжении заданного отрезка времени, и высказать предположения о направлении их развития в будущем. Если же наблюдения нельзя осуществить в естественных условиях, то создают уменьшенную модель природной обстановки в лаборатории. Выводы не всегда будут достаточно надежными, но нередко это единственно возможный путь решения задачи.
Кроме оценки возраста по выветриванию пород нужно было найти какой-то иной способ, который бы позволил не только установить момент, когда испытуемый образец был отторгнут от материнской породы или когда началось разрушение горного массива, но и определить непосредственно время образования самого пласта или складчатого сооружения. Оставив попытку узнать возраст Земли по скорости ее остывания и по продолжительности выветривания пород, естествоиспытатели вновь вернулись к проблеме абсолютной геохронологии, сформулировав вопрос иначе: наша планета, по-видимому, образовалась раньше, чем на ней зародилась жизнь; нельзя ли хотя бы приблизительно определить время, прошедшее с тех пор, когда на Земле стало возможным существование живой материи?
Эту задачу взялся решить в конце XIX века английский физик, крупнейший специалист по термодинамике Уильям Томсон (лорд Кельвин). Исходя из распространенной в то время гипотезы о первоначально раскаленной Земле, он предположил, что жизнь могла появиться только после охлаждения поверхности планеты до температуры менее 100° С. Подобно Бюффону, Томсон представил модель Земли в виде однородного раскаленного шара. Время остывания рассчитывалось им с того момента, когда шар находился в состоянии красного каления. Вычисления, выполненные на надежной математической основе, показали, что в зависимости от ряда привходящих условий однородное шарообразное тело, имеющее размеры нашей планеты, могло остыть до температуры, пригодной для существования организмов, от 24 до 100 млн. лет назад. Стало быть. Земля еще старше, но насколько?
Выяснение этого вопроса имело очень большое значение для геологии, располагавшей детальной относительной геохронологической шкалой, но совершенно лишенной возможности судить о реальной продолжительности геологических эпох и периодов.
Еще сравнительно недавно время измерялось при помощи песочных часов. Этот нехитрый прибор, состоящий из двух склянок, соединенных узким горлышком, был обычным предметом обихода в каждом состоятельном семействе. Ежедневно тысячи людей могли наблюдать строгую закономерность: песок, помещенный в верхнюю склянку, с неизменной скоростью сыпался струйкой на дно нижней.
На стенках песочных часов нанесены деления. Заметив, до какого уровня заполнил песок нижнюю склянку, можно сказать, сколько времени идут часы. А нельзя ли, измерив мощность пласта горной породы, узнать, за какое время он накопился? Если бы это было возможно, то тогда, измерив все пласты от самого верхнего, сегодняшнего, до самого нижнего, залегающего где-то на глубине, мы могли бы судить не только о возрасте каждого слоя в отдельности, но и о продолжительности формирования всей толщи осадочных отложений, одевшей Землю.
Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, с какой скоростью происходит накопление осадков на земной поверхности. Начались наблюдения. В озерах и дельтах рек, в степях и на морских отмелях исследователи измеряли толщину наносов и пытались установить время их образования. Для каждой горной породы — своя скорость накопления. Песок может накапливаться со скоростью нескольких сантиметров в год, глина наращивает свои слои на дециметр в тысячелетие. В каждой климатической зоне — своя скорость слоеобразования.
Физические опыты показали, насколько может уплотниться каждый тип осадка под действием тяжести перекрывающих его отложений и вследствие утраты первичной влаги. Стало быть, можно попытаться высчитать время образования даже тех слоев, которые сформировались в достаточно отдаленные эпохи и успели превратиться в плотный камень.
Чарлз Дарвин в своем труде «Образование почвенного слоя дождевыми червями» старался наметить другой путь решения проблемы. Дарвин считал, что благодаря жизнедеятельности дождевых червей толщина почвы с каждым годом увеличивается. Он определил массу земли, которая перерабатывается червями за год, и вычислил, какой слой должен получиться, если бы почва, выброшенная червями, равномерно распределялась по всей поверхности участка. Исходя из этих расчетов Дарвин предлагал по толщине почвы определять, за какой срок она могла образоваться.
Более точные измерения провели русские почвоведы. Василии Васильевич Докучаев в работе «Русский чернозем» описывает один из первых опытов по определению возраста почвы в районе поселка Седнев близ Чернигова. Здесь издавна известны древние курганы, насыпанные свыше 600 лет назад во времена походов Батыя. Толщина почвы, покрывающей эти курганы, составляет 15, а кое-где 23 см. Между тем в окрестностях, в местах, не тронутых человеком, чернозем покрывал неокрашенную песчаную материнскую породу слоем 60-80 см, а местами 1,5 м. Если время, за которое образовался слои чернозема, пропорционально его толщине, легко высчитать, что соседний с курганом целинный чернозем мог получиться за 2400-4000 лет.
Но в почве может содержаться разное количество перегноя. При этом обычно чем больше перегноя, тем старше почва. Кроме того, содержание перегноя зависит от угла наклона местности, состава почвы, силы господствующих ветров, количества атмосферных осадков, от растительности и минеральных составляющих материнской породы. Выяснив, с какой скоростью может накапливаться перегной в различных условиях, исследователи стали вводить в каждое определение возраста почвы необходимую поправку.
Оценка возраста земных слоев по скорости разрушения или накопления геологических осадков быстро завоевала популярность и получила широкое распространение во всем мире. Исследования в этом направлении велись одновременно во многих странах, но результаты, вопреки ожиданиям, оказались неутешительными. Стало очевидным, что даже одинаковые породы в сходных природных условиях могут накапливаться и выветриваться с самой различной скоростью и установить какие-либо точные закономерности этих процессов почти невозможно.
Например, из древних письменных источников известно, что египетский фараон Рамзес II царствовал около 3 тыс. лет назад. Здания, которые были при нем возведены, сейчас погребены под трехметровой толщей песка. Значит, за тысячелетие здесь отлагался приблизительно метровый слой песчаных наносов. В некоторых же областях Европы за тысячу лет накапливается всего 3 см осадков. Зато в устьях лиманов на юге Украины такое же количество осадков отлагается ежегодно.
Или другой пример. Поначалу было установлено, что известняки накапливаются сравнительно медленно - по нескольку десятков сантиметров в тысячелетие. Но в известняковом рифе на острове Парацел на полутораметровой глубине были найдены испанские монеты XV века. Выходит, известняковые рифы могут нарастать на 30 см в столетие. Прошло еще немного времени и выяснилось, что некоторые кораллы, а именно кораллы-меандрины, могут надстраивать свои колонии еще быстрее - по 20 см в год.