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.
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.
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.