Геологические термометры

Животные и растения. Папоротниковые, хвойные, широколиственные и вечнозеленые леса. Беспозвоночные суши и моря. Рыбы, земноводные, пресмыкающиеся и млекопитающие. Все они живут и развиваются, рождаются и умирают в определенных природных условиях, которые мы называем окружающей средой. Температура воды и воздуха, соленость и газовый режим морского бассейна, химический состав воздуха. Эти и многие другие факторы оказывают влияние на жизнедеятельность организмов. А нельзя ли по степени реакции организмов на те или иные факторы попытаться определить их значения, столь необходимые для реконструкции природных условий прошлого? Не только интересно, но и очень важно знать климат далекого геологического прошлого. Длительное время для реконструкции климатов прошлого геологи пользовались методами, которые раскрывают качественную картину. Главную роль здесь играл вещественный состав осадочных горных пород. Наличие среди горных пород углистых прослоев свидетельствует об образовании их в условиях теплого влажного климата, а если имеются слои солей, гипсов или ангидритов, то по аналогии с современными можно считать, что они возникли в жарком засушливом климате. Таких индикаторов климата довольно много. Но важно было знать температурные условия, существовавшие в геологическом прошлом.

Определить температуры сегодняшнего дня или ночи довольно просто. Высоко в горах, в городах и сельской местности, в тайге и тундре, в ледяных пустынях Антарктиды и на дрейфующих полярных станциях ведутся непрерывные наблюдения за погодой. Приборы все время фиксируют температуры, влажность воздуха, скорость ветра, солнечное излучение и ряд других метеорологических элементов. Просторы океанов бороздят корабли науки. Ученые следят за морскими течениями, температурой различных слоев воды, изучают места возникновения циклонов и определяют их направления. В определенных точках Мирового океана устанавливаются специальные буи с самозаписывающимися приборами и автоматически передающими сведения метеорологического характера через спутники в определенные научные центры. В атмосферу запускаются метеорологические ракеты и зонды, пилотируемые и автоматические космические корабли непрерывно следят за погодой на Земле. И все это делается только для того, чтобы полнее раскрыть современный климат нашей планеты, чтобы определить погодные условия на тех или иных участках земной поверхности и дать краткосрочные и долгосрочные прогнозы погоды. Ведь все это очень важно для человека, для нашей хозяйственной деятельности.

А как быть с прошлым? Близким и далеким. Можно ли каким-нибудь образом определить температуру, влажность, количество атмосферных осадков для времени, отстоящего от настоящего на десятки и сотни миллионов лет? Задача очень трудная, но, как оказалось, вполне выполнимая.

Температуру и влажность геологического прошлого определяют по целому ряду косвенных признаков ископаемых находок. Но такие качественные определения климатов прошлого основаны на неукоснительном применении принципа актуализма. Как в современном мире, так и в геологическом прошлом пальмовые и все вечнозеленые деревья произрастали только в тропическом или экваториальном влажном климате. В таком же климате жили крокодилы и бегемоты, слоны и удавы. Ведь невозможно представить этих животных без воды, в пустыне или в условиях снежной зимы. Значит, если мы находим отпечатки нежных побегов и листьев вечнозеленых деревьев и скелеты этих животных, то имеем полное основание сказать, что температуры этого участка земной поверхности в то время, когда жили эти животные или росли деревья, должны были быть высокими, по крайней мере не ниже 22° С. О такой же температуре свидетельствуют находки в ископаемом состоянии рифов, как барьерных, так и атолловых. Ведь современные кораллы, которые построили эти удивительные и грандиозные сооружения, живут только в прозрачной и очень теплой воде. О теплых условиях свидетельствуют и пласты каменных солей и гипса. И наоборот, о холодных условиях свидетельствуют находки остатков мамонтов и животных, имевших волосяной покров, растений, выдерживающих большие температурные колебания, например мхов, лишайников. Очень ценные сведения о холодном климате прошлого дают нам сохранившиеся в ископаемом состоянии конечные и боковые морены, валуны, на которых сохранились штрихи, оставленные движущимся льдом, своеобразные булыжные мостовые и отполированные поверхности, по которым перемещался ледник, осадки приледниковых озер.

Эти и многие другие признаки позволяют палеоклиматологам узнать о том, каким был климат в геологическом прошлом. Но при реконструкциях палеоклиматологи пользуются только качественными характеристиками. Тепло или холодно было много миллионов лет назад? Или не очень. Был ли климат похожим на современный тропический или на умеренный? Был он влажный или очень засушливый? Вот, пожалуй, и все предполагаемые характеристики. Но ведь для того, чтобы представить климат прошлого, а тем более сравнить его с современным, это до обидного "мало. Да и сравнения не всегда бывают объективными.

Долгое время пытались определить абсолютные температуры геологического прошлого. Но всякий раз попытки оказывались неудачными. Но вот в начале 50-х годов XX в. американский ученый Г. Юри оповестил научный мир об открытии «геологического» термометра. Это, конечно, не означало, что изобретен какой-то необыкновенный прибор, похожий на всем известный градусник, который можно приложить к земным слоям и узнать температуру воздуха или воды в далеком прошлом.

Известие об открытии заинтересовало многих. Его ждали. Надеялись. Да, действительно это был термометр, но уж очень своеобразный. Морские беспозвоночные живут в самых разных физико-географических обстановках. Одни свободно плавают, другие только ползают по дну, третьи прикрепляются к неподвижным предметам на поверхности дна, четвертые всверливаются в каменистое дно или в прилегающий скальный берег. Одни могут жить в воде только нормальной солености, другие предпочитают пресную воду. Одни живут в холодной воде, а другие только в теплой. Но все морские беспозвоночные, фильтруя воду, поглощают кислород, выуживают из воды питательные вещества, в том числе и целый ряд химических элементов. Некоторые из них организмы используют для постройки раковин. В морской воде, кроме самых различных химических элементов и соединений, находятся и изотопы кислорода. В природе их существует три. Они имеют атомный вес 16, 17 и 18. Самым распространенным изотопом является изотоп кислорода с атомным весом 16. Он всем хорошо известен. А вот тяжелый изотоп кислорода с атомным весом 18 встречается довольно редко. Но он обладает одной примечательной способностью: чем выше температура морской воды, тем больше в ней находится тяжелого изотопа кислорода.

Г. Юри провел большое число экспериментальных работ и установил, что каждый организм строит свою карбонатную раковину и при этом в ней всегда практически неизменным сохраняется то самое соотношение изотопов кислорода, которое свойственно морской воде при определенной температуре. Самое примечательное состоит в том, что концентрация изотопов кислорода, приобретенная карбонатной раковиной живого организма, без потерь сохраняется и после смерти животного. И не только это. Соотношение изотопов кислорода не изменяется и после захоронения раковины в толщах глин, песков и известняков.

Главная трудность заключалась в точном определении количества изотопов кислорода, которые находились в раковинах в очень небольших количествах. Это можно было сделать с помощью прибора, известного под названием масс-спектрометра.

В начале исследования были определены температуры по соотношению изотопов кислорода (этот метод носит название изотопного) по раковинам организмов, которые ныне живут в морских бассейнах в разных климатических зонах и на различной глубине. Это давало возможность следить за изменением соотношения изотопов кислорода в морской воде и в раковинах организмов в зависимости от температурного фактора и каждый раз вносить определенные коррективы. На основании этого были составлены предварительные таблицы или шкалы изменения соотношения изотопов кислорода в зависимости от температурного режима. Были осуществлены и определенные экспериментальные работы. Искусственно изменялась температура морской воды в аквариумах и проводились наблюдения за изменением изотопов кислорода в раковинах беспозвоночных.

После того как метод изотопной палеотермометрии всесторонне был проверен на современных беспозвоночных, были предприняты попытки определить температуры по соотношению изотопов в раковинах ископаемых моллюсков.

Эффект полученных температур превзошел все ожидания. Многих цифры ошеломили своей точностью, но все-таки выглядели очень неправдоподобно. Нет, никакого подлога не совершалось. Просто сами исследователи давали пищу для недоверия. Нередко в научной статье или в солидной монографии можно было встретить такие цифры. Допустим, в каком-нибудь периоде или геологическом веке, отстоящем от современной эпохи на десятки миллионов лет, оказывалось, что средние температуры составляли 15,3° С, не 15 или 16° С, а именно 15,3. Вот такая точность для столь отдаленного времени вызывала сомнения и даже недоумение. Ведь такой точности мы не можем достичь сегодня, имея для наблюдений самые современные приборы. А здесь для столь далекого времени дается такая точная цифра.

Такие результаты давали основание любому здравомыслящему человеку высказывать определенные сомнения в правильности метода. А не лежит в основе такой точности недобросовестность исследователя? А может, имеет место и подтасовка фактов? Или желаемое выдается за действительное? Такие и подобные недоуменные вопросы возникали очень часто.

На самом деле температуры с десятыми долями градусов получались довольно просто. Десятки определений температур для одного и того же пункта и возраста, полученные по раковинам различных организмов, суммировались и рассчитывались средние арифметические значения. Стремясь к объективности, авторы публикаций работали себе во вред. Надо было быть объективным до конца и писать о температурах прошлого, давая крайние значения. Примерно таким образом. Средние температуры среды обитания такого-то организма изменялись в пределах 12-16° С. Этого было бы вполне достаточно, чтобы судить о температурах прошлого, сравнивать эти значения между собой и сопоставлять с современными.

Изотопный метод определения древних температур довольно сложен и трудоемок. Его можно проводить только в тех лабораториях, где имеются масс-спектрометры. Это обстоятельство в какой-то мере ограничивало применение метода. Надо было искать другой, доступный и легкий в производстве, метод определения температур водной среды геологического прошлого.

Известный советский палеогеограф и геолог, ленинградский ученый Александр Васильевич Хабаков первый предложил и обосновал так называемый магнезиальный метод определения температур древних морских бассейнов. Тщательное изучение работ биохимиков дало многое для открытия нового метода. Среди морских беспозвоночных, так же как и среди других групп животных, имеются формы, которым безразлично, при каких температурах им жить. Они могут жить и в холодной и в теплой воде, но главное, чтобы в ней содержалось необходимое количество питательных элементов и кислорода. Жизнедеятельность стенотермных форм протекает только при определенной температуре. Например, ни одно морское беспозвоночное, составляющее сложный биоценоз, допустим, на Багамской банке или на Большом барьерном рифе, не способно жить в водах Северного или Баренцева моря. Точно так, как и моллюски, привыкшие к жизни в прохладных водах, не могут жить в тропиках. Но этого мало. Необходимо было обнаружить другие признаки. Еще в 20-е и 30-е годы XX столетия было замечено, что в раковинах одного и того же вида беспозвоночных, начиная от экваториальных вод и кончая полярными формами, изменяется количество карбоната кальция, а значит, и сильно меняется толщина самой раковины. В теплых водах обычно живут организмы с толстой раковиной, а в полярных морях раковина у беспозвоночных тонкая. Этот признак все-таки довольно шаткий. Но он пригоден для подтверждения или отрицания полученных температур как косвенный метод, но как самостоятельный метод существовать не может.

А. В. Хабаков убедился в наличии одного примечательного явления. Концентрация растворенных в морской воде химических элементов и соединений, среди них кальция, магния, стронция и некоторых других, зависит от температурных условий. Чем выше температура воды, тем больше в ней растворено магния и стронция, но меньше углекислого газа. Поэтому в теплой воде легко осаждаются карбонаты кальция, обогащенные магнием. Но надо помнить, что организмы при постройке своей раковины всегда извлекают из воды те элементы, которые в ней имеются, и причем соотношение этих элементов всегда одинаковое.

Много сложностей пришлось преодолеть, провести большое число экспериментов, прежде чем удалось получить первые обнадеживающие результаты. Оказалось, что, определяя обычным химическим методом содержание кальция и магния в карбонатных раковинах, можно узнать не только качественные характеристики морской воды, но и количественные значения. Температуры удавалось определить не только по скелетным образованиям древних головоногих моллюсков, имеющих торпедо-образную форму тела (белемниты), но и по многим раковинам двустворчатых моллюсков, кораллам, мшанкам, брахиоподам и даже по микроскопическим одноклеточным животным - фораминиферам и нанопланктону.

Оказалось, что температуры можно установить не только по остаткам ископаемых животных, которых встретить можно не везде и не всегда, но и по существенно органогенным известнякам, т. е. горным породам, которые практически целиком состоят или из обломков раковин вымерших беспозвоночных, или слагаются микроскопическими раковинками одноклеточных форм.

В настоящее время как изотопным, так и магнезиальным методом установлены температуры поверхностных и придонных участков древних морских бассейнов вплоть до начала фанерозоя, т. е. почти за 570 млн. лет.

Цифры привлекают. Цифры завораживают. Но возникает закономерный вопрос: а все-таки действительно ли они отражают температурный режим геологического прошлого? Полученные температуры проверялись и проверяются геологическими данными, и практически не было случая, чтобы они противоречили им. Как ведется проверка? Объективная проверка проводится путем сопоставления полученных температур с реконструированным растительным покровом суши или биоценозом наземных и морских животных, по степени преобразования горных пород и по вещественному составу накопившихся горных пород.

Современная средняя глобальная температура на Земле составляет 14,3° С. Давайте сравним ее с температурами прошлого. В истории Земли были периоды, когда было холоднее, чем в настоящее время, но были и эпохи, когда средняя глобальная температура достигала 22-26 °С. Означает ли это, что в прошлом на экваторе было не 26-28 °С, а в 2 раза и более теплее, чем ныне. Ни в коей мере. На экваторе даже в очень далекие времена температура мало чем отличалась от современной. Просто ширина экваториального и тропического поясов в 2 с лишним раза была больше, а на полюсах отсутствовали ледяные шапки.