Глава третья. Слои и геологическое время [1978 Флинт Р.Ф.

Изучая магматические и метаморфические породы, люди узнали многое о температурах, давлении и других условиях, существующих глубоко в толще земной коры. Однако для наших целей важнее изучение осадочных пород. Важнее потому, что структуры пород и ископаемые остатки, заключенные в них, дают нам главную информацию о жизни и условиях среды в прошлом, а история живых существ интересует многих больше, чем все остальное в истории Земли. За редкими исключениями, ископаемые остатки встречаются только в осадочных породах.

Давайте рассмотрим осадочные породы как последовательность слоев, а содержащиеся в них остатки - как ряд живых организмов, сменявших друг друга в исторической последовательности.

Слои и ископаемые остатки

Как показано на рисунке 6, большая часть наносов, которые сносятся с суши, в конце концов осаждается в бассейнах, частично в пределах суши, но главным образом вне суши - в море. Эти осадки широко распространены и образуют почти горизонтальные слои; осадки со временем постепенно переходят в осадочные породы. Впоследствии территория бассейна может претерпеть поднятие и быть прорезана реками. При этом становятся видны слои, как в ломтике слоеного пирога. Если долина глубока и не покрыта растительностью, на ее бортах можно наблюдать весьма впечатляющую последовательность слоев. Перед нами как бы предстают страницы, на которых записана большая часть истории Земли. Едва ли нужно пояснять, что залегающий в самом низу слой должен быть самым древним, так как он отлагался первым, и что выше залегают все более молодые слои.

Большая часть слоев Земли содержит ископаемые остатки, главным образом остатки морских животных. Данный факт свидетельствует о том, что значительная часть (по крайней мере три четверти) известных в настоящее время слоев имеет морское происхождение. Это едва ли удивит нас, если мы представим себе, что моря - это впадины, в которых скапливаются отложения; для осадков, отложившихся на суше, вероятность размыва гораздо больше, чем для морских отложений.

Фото 3. Слои осадочных пород, выходящие в стенке Большого каньона вблизи устья Шинумо-Крик (вид на северо-запад, вниз по течению). Расстояние по вертикали от края обрыва до русла реки Колорадо (на переднем плане) около 1600 метров

Сравнение ископаемых морских организмов с подобными же организмами, живущими сейчас, хорошо показывает, что они жили не в глубоком море, а на мелководье, глубиной около 200 метров, напоминающем современные моря континентального шельфа. Многие виды жили совсем на мелководье, у самого берега. И тут мы подходим к главному пункту в наших рассуждениях. Хотя многие организмы, найденные в ископаемом состоянии в пластах пород, напоминают современные, лишь немногие из них относятся в точности к тому же виду, что и организмы, живущие в настоящее время. Они отличаются, причем эти отличия больше всего выражены в нижних, самых древних слоях и меньше в верхних, молодых. Другими словами, ископаемые организмы постепенно изменяются при переходе от нижних слоев к верхним, а как мы помним, переход от нижних слоев к верхним соответствует движению вперед во времени. Эти различия означают, что организмы изменялись с течением времени, и мы можем проследить эти изменения по остаткам, которые сохранились в пластах. Конечно, перемены происходили очень медленно.

Как мы увидим позднее, процесс эволюционных изменений не является процессом, автоматически совершающимся в самих организмах. В своей основе этот процесс состоит из изменений, являющихся косвенной реакцией на условия среды, в которых живут эти организмы. По мере того как под влиянием медленных движений земной коры или других причин моря заливали сушу или отступали, сообщества морских организмов соответственно распространялись или смещались и при этом медленно эволюционировали, то есть изменяли форму. Скорость расселения организмов была гораздо больше, чем скорость, с которой они сами изменялись. Поэтому измененные формы легко распространялись повсеместно, так что сейчас ископаемые, совершенно одинаковые или близкие по форме, могут встретиться в приблизительно одновозрастных слоях на территории двух и более континентов.

Фото 4. Ископаемые остатки беспозвоночных, обнаруженные на поверхности слоя известняка. Этот слой когда-то был дном мелководного моря, покрывавшего часть американского континента сотни миллионов лет назад

В качестве современного примера быстрого распространения организма можно привести моллюска Littorina littorea, обычно встречающегося в прибрежном мелководье. До 1852 г. этот моллюск обитал только на побережье Европы. Между 1852 и 1857 гг. он обосновался в бухте порта Галифакса (провинция Новая Шотландия, Канада), куда он предположительно был завезен с каким-либо кораблем, прибывшим из Европы. Моллюск быстро распространился к югу и, как было установлено, к 1880г. достиг гавани Нью-Хейвен, .штат Коннектикут, США, причем на сей раз он двигался самостоятельно, не прибегая к помощи кораблей. Отсюда следует, что средняя скорость его движения составляет около 50 километров в год. При такой скорости, если бы он мог двигаться повсюду, не встречая преград, чего в действительности не было, этот моллюск распространился бы по всему земному шару менее чем за 1000 лет.

Сходство эволюционного процесса, которое прослеживается в общих чертах во всем мире, имеет большое значение. Мы можем сказать, что два пласта, встреченные на двух разных континентах, но содержащие близкий комплекс ископаемых, должны быть близки по возрасту. Справедливость этого заключения стала очевидной за сто лет до того, как оно было подтверждено измерениями возраста, основанными на радиоактивности. Благодаря этому соответствию возможно сопоставление или корреляция пространственно разобщенных пластов в различных частях одного и того же континента или на различных континентах (Это утверждение только приблизительно правильно. Земная поверхность своим разнообразием влияет на эволюцию организмов и их расселение. Поэтому одновозрастные слои могут содержать в разных местах и существенно различные ископаемые остатки организмов. - Прим. ред).

Геохронологическая шкала

Корреляция, осуществленная на основе ископаемых остатков, сделала возможным составление стандартного перечня слоев, имеющего форму диаграммы, называемой геохронологической шкалой. Эта шкала составляет основное содержание стратиграфии - науки о слоях. Она является той основой, к которой мы пытаемся привязать большую часть накопленной нами информации о Земле. В ней объединены все известные слои, согласно тому положению, которое они занимают друг относительно друга. Таким образом, получается график, имеющий вид колонки, состоящей из слоев. Простейшая форма его дана в таблице 1, где показаны наиболее крупные единицы стратиграфической шкалы, без многочисленных подразделений. Основные единицы шкалы названы по названиям слоев пород, содержащих характерные ископаемые. Эти единицы группируются в системы, отделы и т. д., как показано на схеме. Названия их обозначают также и соответствующие промежутки времени. Таким образом, мы можем сказать, что слои, составляющие девонскую систему (или просто девонские слои), отлагались в течение девонского периода. Этот период, как показывает таблица, длился от 415 до 360 миллионов лет назад, то есть приблизительно 55 миллионов лет.

В деталях геологическая шкала представляет собой систему, подобную системе расстановки книг на полках большой библиотеки. Новые книги, поступающие в библиотеку, зандсятся в каталог и затем расставляются на полках в соответствии с их положением в системе. Таким образом, библиотека постоянно пополняется. Подобным же образом поступают и с вновь открытыми слоями. В конце 50-х годов двадцатого века, когда геологи начали изучать горные породы Антарктиды на основе имевшейся системы, они нашли в почти неизвестных слоях этого континента характерные ископаемые, по которым смогли выделить в различных районах отложения, относящиеся ко многим крупным подразделениям геологической шкалы. Это один из примеров постоянно происходящего пополнения стратиграфической колонки.

Главная причина, по которой геологическая шкала представляет собой идеализированный, а не реально существующий объект, заключается в том, что ни в одной части континента не встречаются отложения всех крупных и мелких подразделений шкалы, образующие непрерывную последовательность. Это происходит потому, что все слои ограничены в своем распространении. Площадь, на которой встречается какой-либо слой осадочных пород, не превышает площадь соответствующего морского бассейна, в котором отлагались эти осадки. Правда, некоторые мелководные моря были очень обширными. Около 100 миллионов лет назад один из таких бассейнов простирался от южной Мексики к северу через всю Северную Америку до Северного Ледовитого океана, разделяя континент на два отдельных массива суши. Однако большинство морских бассейнов были меньших размеров, и ни один из них не занимал в какой-либо момент времени целый континент. Таким образом, каждый слой первоначально занимал ограниченную площадь. Площадь многих слоев далее еще более уменьшалась в результате эрозии, которая во многих бассейнах уничтожала часть - и даже, большую часть - слоя до того, как этот слой перекрывался следующим. Обычно следы эрозионной деятельности сохраняются на поверхности, разделяющей верхнюю часть эродированного слоя и основание вышележащего (рис. 8).

Рис. 8. Две серии морских слоев, обнажающиеся на склоне современной долины. После того как была отложена более древняя серия А, мелководное море отступило, и поверхность П подверглась размыву. Реки прорезали долины Д. Позднее море вторглось на эту территорию и затопило размытую поверхность Я, которая постепенно оказалась погребенной под новой серией осадков Б. Затем море снова отступило, и осушенная поверхность подверглась расчленению современными долинами СД. Серии А и Б залегают несогласно (с перерывом) по отношению друг к другу, что можно видеть на поверхности раздела П

Таким образом, геологическая шкала представляет собой одновременно схему и каталог. К началу XX в. были уже известны основные подразделения шкалы, показанные в таблице 1, а также характерные для каждого из них ископаемые. Не хватало только временных характеристик, для которых требовалось определение возраста.

Геологическое летоисчисление

Потребность в надежных способах определения времени стала ощущаться задолго до того, как были выделены основные подразделения геохронологической шкалы. Были сделаны попытки определить возраст наиболее древних осадочных пород. Пытались, например, разделить суммарную мощность морских осадочных пород на континентах на толщину слоя осадков, ежегодно выносимого с континентов реками. Считалось, что полученный результат представляет минимальное время, за которое могла накопиться толща осадочных пород. Но этот простой расчет включал некоторые неизвестные факторы, которые поэтому должны были оцениваться произвольно. Наиболее ошибочные выводы влекло за собой предположение о том, что скорость поступления осадков всегда была одинаковой; сейчас мы знаем, что это не так. Величины, полученные с помощью этого расчета - от 100 до 300 миллионов лет - не удовлетворяли большинство ученых, которые полагали, что наиболее древние осадочные пласты должны быть гораздо старше.

Определение возраста радиометрическим методом. Следующий этап в определении времени событий истории Земли начался в 1896 г. с открытием естественной радиоактивности. Исследования, последовавшие за этим открытием, положили конец приблизительности оценок, так как радиоактивность дает способ непосредственного измерения действительного возраста пород. В первой главе книги упоминалось, что внутреннее тепло Земли предположительно наполовину - результат естественной радиоактивности. Химические элементы, обладающие в той или иной степени естественной радиоактивностью, входят в состав большого количества минералов. К таким элементам относятся уран, торий, рубидий, стронций и углерод. Радиоактивные формы этих элементов обладают свойством самопроизвольного и постоянного распада атомов. При этом атомы испускают элементарные энергетические частицы и превращаются в "дочерние" атомы, которые по строению отличаются от исходных.

Для любого радиоактивного элемента скорость распада постоянна и может быть измерена с достаточной точностью. На этом основан способ определения возраста некоторых пород, сущность которого сводится к следующему. Породы состоят из минералов, а минералы содержат различные элементы, в том числе и радиоактивные. В любом минерале, входящем в состав магматических пород, радиоактивный распад начинается с того момента, как минерал выкристаллизовался из магмы. Для каждого радиоактивного элемента известны две величины: исходное количество этого элемента в минерале и скорость распада. Третья величина - количество элемента в минерале в данное время - может быть измерена. Если все эти три величины известны, можно рассчитать время, прошедшее с момента кристаллизации минерала из магмы и определить приблизительно - с точностью до 5% - возраст магматической породы, в состав которой входит этот минерал.

Подобным же образом для минерала, входящего в состав метаморфической породы, мы можем рассчитать время, прошедшее с момента кристаллизации новых минералов в породе из элементов, присутствовавших в ней до начала метаморфизма. Таким образом, измерения радиоактивности дают важную информацию о времени образования магматических и метаморфических пород. Иначе обстоит дело с осадочными породами.

В чем же их отличие? Хотя радиоактивный минерал может входить в состав осадочной породы, образовался он не в этой породе. Он был принесен откуда-то извне и представлял собой вещество иного происхождения и более древнее, чем порода, в образовании которой он участвовал. С тех пор, как минерал был отложен, он не подвергался перекристаллизации. Таким образом, естественный радиоактивный распад в некоторой, возможно в значительной, степени уже произошел в этом минерале до того, как он стал частью осадочной породы. Предположим, что мы измерили степень распада в этом минерале и таким образом получили его возраст. Все, что можно сказать на этом основании об осадочной породе как пласте, это то, что порода моложе, чем рассматриваемый нами минерал. Короче говоря, слой осадочной породы не может быть датирован непосредственно радиометрическим способом, то есть путем измерения радиоактивности. На первый взгляд это ставит нас в затруднительное положение, поскольку геохронологическая шкала основана на осадочных породах, и определение возраста требуется главным образом для подразделений этой шкалы.

Выход, однако, был найден. Геохронологическая шкала была датирована, по крайней мере частично, как можно видеть в таблице 1, и эти даты были получены для магматических пород. Каждая дата в таблице соответствует границе между двумя системами или двумя отделами. Большинство таких дат являются производными, не измеренными непосредственно, а полученными путем интерполяции данных, измеренных для образцов магматических пород. Тела магматических пород, выбиравшиеся для датирования, в большинстве случаев залегают на контакте с известными осадочными пластами. В таких случаях характер контакта ясно указывает, старше или моложе магматическое тело соседних осадочных пород. Зная это возрастное соотношение, возраст магматического тела можно принять за верхний или нижний предел возраста осадочного пласта.

Таблица 1. Геологическая шкала, основные планетарные подразделения, датировки и события в развитии жизни (датировки приведены по неопубликованным данным Р. Л. Армстронга, 1971)

Чтобы увидеть этот принцип в действии, рассмотрим рис. 9, на котором показана последовательность осадочных пластов. Принадлежность их к определенным системам устанавливается по содержащимся в них ископаемым, поэтому они поименованы в соответствии с геохронологической шкалой. Между верхними пластами залегают два древних лавовых потока; в нижних пластах имеются две дайки (рис. 5), представляющие результат интрузий магмы. Возраст этих даек по радиометрическим определениям составляет соответственно 250 и 210 миллионов лет. Во время затвердевания магмы, послужившей исходным материалом для образования этих даек, осадочные пласты в узкой зоне соприкосновения с магмой "спеклись" и подверглись химическим изменениям в результате воздействия горячей магмы. Однако измененная зона отсутствует на верхней поверхности даек. Это означает, что во время образования интрузии и затвердевания магмы слой, который сейчас перекрывает дайку, еще не образовался. В противном случае, он также подвергся бы изменениям под действием тепла и химических реакций. Поэтому поверхности раздела, к которым приурочены кровли обеих даек, должны быть результатами двух длительных периодов, в течение которых эрозия уничтожила слои, некогда залегавшие выше современных поверхностей раздела. Следовательно, эти поверхности, подобно поверхности (П) на рис. 8, являются поверхностями несогласия. Учитывая радиометрические датировки этих двух даек, можно видеть, что триасовый пласт, который моложе одной из даек, но старше другой, должен иметь возраст менее чем 250, но более чем 210 миллионов лет. Вычитая одну цифру из другой, получаем 40 миллионов лет - максимальную продолжительность триасового периода, определенную для этого частного случая.

Рис. 9. Определение возраста осадочных пластов на основе их соотношения с телами магматических пород, возраст которых известен

Обращаясь к двум древним лавовым потокам, мы применяем тот же принцип. Лава изменила нижележащие породы, но не воздействовала на вышележащие, так как последние отлагались лишь после затвердевания потока лавы. Радиометрический возраст слоев лавы свидетельствует о том, что в данном случае юрские слои не старше 200 миллионов лет и не моложе 140 миллионов лет и что продолжительность юрского времени (по этим данным) составляет 60 миллионов лет. Эти цифры постоянно уточняются с помощью новых радиометрических датировок магматических пород, находящихся в подобном соотношении с осадочными слоями в других частях света. Цифры, приведенные в таблице 1, представляют собой результат, полученный к настоящему времени, однако в будущем и данные цифры должны быть в свою очередь уточнены. Датировка подразделений геохронологической шкалы, как и строение самой шкалы, постоянно уточняется.

Как показывает таблица 1, систематические датировки слоев заканчиваются на уровне 580 миллионов лет, вблизи основания кембрийской системы. Нижележащие докембрийские породы включают лишь небольшое количество осадочных пластов и главным образом состоят из сложного комплекса магматических и метаморфических пород. Многие из этих пород, были датированы. Измеренный до настоящего времени возраст наиболее древних пород достигает 3,7 миллиарда лет, но, конечно, будут обнаружены и более древние. Что касается возраста самой Земли, то он не определен точно, но различные данные, в том числе астрономические, позволяют предположить, что Земля как планета насчитывает 4,5 миллиарда лет.

Радиоактивный углерод. Определение возраста радиоактивных атомов (изотопов) в минералах имеет в большинстве случаев один существенный недостаток. Скорости радиоактивного распада настолько малы, что многими существующими методами измерений нельзя установить различие между совсем молодыми породами, имеющими возраст в несколько сот тысяч лет. Поэтому, в общем, у нас мало надежных определений возраста в интервале, скажем, последних 500 000 лет; одним из исключений являются датировки, полученные измерениями содержания радиоактивного углерода (С¹⁴). Этот изотоп углерода распадается довольно быстро, что делает его пригодным для датировки объектов, возраст которых заключен в пределах около 50 000 лет. Радиоактивный углерод играет важную роль в биосфере, что дает возможность определять возраст не самих пород, а органического вешества, содержащегося в горных породах.

Радиоактивный углерод постоянно возникает в атмосфере под действием радиации, поступающей из космического пространства. Он смешивается с обычным, нерадиоактивным углеродом, образует углекислый газ (СО₂) и быстро распространяется по всей атмосфере, гидросфере и биосфере. Его количественное соотношение с обычным углеродом остается постоянным во всей системе, так как скорость радиоактивного распада находится в равновесии со скоростью образования радиоактивного углерода, пока последняя сохраняется постоянной. Поэтому концентрация радиоактивного углерода, его "устойчивое содержание", должна быть постоянной в пробах воздуха, пресной или соленой воды, древесине или листьях дерева, в тканях тела любого животного до тех пор, пока дерево или животное живы. Но со смертью организма содержание радиактивного углерода в его тканях убывает, поскольку его потери вследствие радиоактивного распада не восполняются. Путем измеоений и расчетов может быть определено содержание радиоактивного углерода (часто с погрешностью всего в несколько процентов), оставшееся в образце органического вещества, и, следовательно, время, прошедшее после смерти организма.

Радиоуглеродное датирование необычайно важно. Оно дает возможность проследить историю первобытного человека, а также животных и растений в течение последних 50 000 лет. С его помощью определяется также время многих событий последнего из великих оледенений, включая грандиозное вторжение льда в Северной Америке и Европе, достигшее максимума приблизительно 20 000 лет назад. В нашем рассказе мы используем многие радиоуглеродные датировки, а также другие определения возраста гораздо более древних объектов, обычно самих горных пород.

Литература

Paul Henry, 1966, Ages of rocks, planets, and stars: McGraw-Hill Publishing Co., New York.

Кay G. M., Соlbert E. H., 1965. Stratigraphy and life history: John Wiley 8c Sons, New York.

Woodford A. O., 1965, Historical geology: W. H. Freeman & Co., San Francisco, p. 191-220, discussion of radiometnc ages.