Пульс галактики. О великих оледенениях, слоистой глине и космическом пути Солнца

Попытки исчисления геологического времени на основании периодической смены систематических групп древних организмов предпринимались уже давно. Еще в прошлом веке высказывались соображения о том, что можно найти единицу измерения времени, использовав биостратиграфические подразделения, установленные в отложениях наиболее хорошо изученных геологических систем.

В 1889 г. Мельхиор Неймайр в работе "Племена животного царства" утверждал, что интервалы времени, в которые происходило развитие каждого из видов наиболее распространенных морских животных, можно считать приблизительно одинаковыми по их продолжительности. Значит, и отрезки геологических разрезов, охарактеризованные равноценными в стратиграфическом отношении комплексами видов ископаемых организмов, можно принять за единицу шкалы, отражающей протяженность геологической истории.

Подобные отрезки геологических разрезов, в пределах которых древние морские животные продолжали оставаться в большинстве своем одинаковыми, были названы зонами. Продолжительность геологических периодов и эпох должна была, по предположению Неймайра, измеряться количеством зон, наблюдаемых в составе тех или иных отложений.

Действительно, еще за 20 лет до выхода в свет труда Неймайра известный немецкий палеонтолог Вильгельм Вааген развивал гипотезу о том, что мутации видов головоногих моллюсков - аммонитов - возникают через определенные и приблизительно равные интервалы времени.

Но хронологическая единица Ваагена и Неймайра, соответствующая времени образования зоны (ее называют зональным моментом), есть величина относительная. Какова же ее абсолютная протяженность? И можно ли утверждать, что смена комплексов животного мира всегда происходит через равные промежутки времени? Палеонтологический материал не мог предоставить достаточных оснований для ответа.

Пришлось обратиться к изучению сил, способных вызывать изменение внешних условий, в которых протекает жизнь органического мира. Исследования географической обстановки минувших времен показали, что наряду с признаками, присущими той или иной эпохе, существует множество характерных черт, проходящих через всю доступную для изучения земную историю.

Одной из таких черт, оставивших свои следы в отложениях всех геологических периодов, являются свидетельства изменения климатических условий на земном шаре. Мимо внимания геологов не могло пройти крайне интересное явление: во всех осадочных образованиях - от кембрия и доныне - упорно повторяется некая единообразная последовательность процессов.

Начали систематизировать наблюдения, обрабатывать их, и оказалось, что эта циклическая повторяемость условий формирования осадков подчинена хорошо выдержанным во времени ритмам, характер которых напоминает периодичность изменения климата в современную эпоху. Общая закономерность была такая же: малые ритмы объединялись в более крупные, а те в свою очередь оказывались подчиненными следующим, еще более грандиозным циклам. Вставал вопрос: можно ли измерить в абсолютных единицах протяженность этих этапов развития земной коры? Казалось, что историческая геология и абсолютная геохронология еще не располагают достаточным количеством сведений, чтобы решить эту сложную проблему. Остановились перед нею в нерешительности и астрономы.

Выяснилось, что далеко не все ритмы, нашедший отражение в слоистых толщах, могут быть использованы для воссоздания хода древних климатических процессов. Очень часто слоистость пород бывает обусловлена действием внутренних геологических сил, проявляющихся на сравнительно ограниченной территории. Она может порождаться особыми колебаниями дна бассейна, где происходит накопление осадков.

В древних вулканических областях, например на Алтае и Южном Урале, можно встретить иной вид слоистости, возникший в результате деятельности нагретых вод. Своеобразную слоистость можно наблюдать в отложениях, связанных с извержениями некоторых вулканов. Во всех этих образованиях тоже наблюдается ритмичность. Но это явления местного порядка. В лучшем случае они составляют особенность той или иной геологической провинции. Поэтому геологи обратились к слоистости другого типа, имеющей более широкое, возможно даже планетарное, распространение.

Самые короткие по продолжительности периодические колебания погоды проявляются в ежедневном изменении температуры земной поверхности и воздуха. Геологическое влияние этих суточных изменений может увидеть каждый. Если взглянуть на разрез свежеобразованных наносов в устье оврага, нельзя не заметить чередования простейших осадочных циклов, вызванных бурной деятельностью водотока в дневное время и сменяющим ее спокойным течением в ночные часы.

Подобные суточные ритмы хорошо известны в отложениях временных потоков пустынных предгорий и в солевых осадках мелких озер засушливой зоны. Некоторые минеральные источники также подчиняют свою жизнь размеренной смене дня и ночи. Примеров таких можно привести множество. И значение суточных ритмов в формировании лика планеты огромно. Но в отложениях геологического прошлого суточная цикличность почти неизвестна.

Значительно чаще геологи встречаются с проявлением ритмов слоистости, обусловленным чередованием времен года. Количество выпадающих осадков, интенсивность засух, ветры и ливни - все эти сезонные изменения метеорологических условий сказываются на характере слоистости.

Уже давно было замечено, что слоистость такого типа наиболее отчетлива в солевых и ледниковых образованиях. Классическим объектом изучения годичной смены слоев стали ленточные глины - осадки приледниковых озер. Эти глины состоят из чередующихся слоев песчаных и глинистых частиц.

В летнее время ледниковые воды приносили в озеро много обломочного материала и на дне осаждался светлый слой песка. Зимой озеро покрывалось льдом, песчаные частицы не поступали, взмученная за лето вода постепенно отстаивалась и на дно ложился тонкий темный слой глинистого осадка. Каждый летний слой постепенно переходит в зимний, образуя двухцветный пласт. Эти пары сменяющих друг друга слоев похожи на ленты, отсюда и название породы "ленточная глина". Переход же от зимнего слоя к очередному летнему всегда выражен очень резко. На поверхности весенней границы зимних лент нередко можно увидеть отпечатки кристаллов льда либо сложный рисунок мерзлотного растрескивания породы.

Поскольку осадки каждого года разделены отчетливо выраженным рубежом, можно подсчитать, сколько лет потребовалось для образования всей толщи ленточных глин. А сравнив результаты подсчета числа лент в отложениях различных районов, можно установить скорость движения ледника. Было выяснено, например, что с начала формирования ленточных глин под Ленинградом прошло 16,5 тыс. лет; приблизительно в это же время ледник находился на территории Финляндии и Дании, а 15 тыс. лет назад он коснулся южного побережья Швеции.

Но палеоклиматологи не успокоились на достигнутом. Измеряя толщину ежегодного прироста осадочных отложений, они заметили, что количество вещества, выпадающего на дно водоемов, в разные годы неодинаково. В ход было пущено простое, но действенное оружие - ритмограммы.

Ритмограмма представляет собой несложный график. По его горизонтальной оси откладывают равные отрезки, соответствующие годам, а по вертикальной - годичный прирост осадков. Этот прирост можно фиксировать для каждого года в целом, а можно строить и отдельные графики для летнего и зимнего сезонов. Полученные таким способом спектры кривых вскрывают интересные подробности. Теперь вместо общих соображений о наличии цикличности нескольких порядков можно установить достоверность существования таких циклов и измерить их продолжительность с точностью до одного года.

Циклы первого порядка, как уже говорилось, представлены чередованием зимнего и летнего накопления осадков. В поисках более длительных периодических изменений климата геологи прежде всего продолжили изучение древних ледниковых образований.

Известно, что ледниковые отложения присутствуют во всех (вернее, почти во всех) геологических системах. Предстояло сравнить между собой ледниковые толщи различных континентов и выяснить, действительно ли все эти оледенения имели планетарное распространение. Задача была не из легких. При попытке очертить площади, захваченные в былые времена ледниками, надо было учитывать условия, регулирующие характер проявления и сохранности ледниковых образований. А условия эти существенно зависят от взаимного расположения морей и материков, которое в ходе геологической истории многократно менялось и не всегда может быть установлено бесспорно.

Тем не менее усилиями геологов многих стран была выполнена огромная работа, позволившая собрать воедино разрозненные факты и восстановить общую картину. Теперь мы знаем, что крупные материковые оледенения оставили свои следы лишь в отложениях на границе докембрия и палеозоя, в верхнепалеозойских и четвертичных. Обычно же геологи встречаются с ледниковыми образованиями, формировавшимися на стыке суши и моря - в области так называемого шельфа. Такие ледниково-морские отложения известны, например, в Боливийских Андах, а в Советском Союзе - на Патомском нагорье.

Оледенения же палеогенового, юрского, триасового, девонского и кембрийского периодов, по-видимому, были местными; они не дают возможности говорить о наступлении холодных эпох планетарного масштаба. Свидетельств подобных местных оледенении множество. Их находят почти повсюду: от окрестностей Красноярска в СССР до горных хребтов Колорадо в США.

Ритмограммы ледниковых отложений различного возраста имеют много общего.

Сказать о том, каковы были изменения климата в древнейшую - архейскую - эру, трудно. Можно лишь утверждать, что и в это время тонкослоистые ленточные отложения имели правильный сезонный характер.

Но в зеленоватых сланцевых породах, так называемых филлитах, образовавшихся в конце архейской эры, уже обнаруживаются климатические ритмы. В классическом обнажении этих пород, расположенном на берегу оз. Нисаярви на юго-западе Финляндии, была изучена серия сланцев, отлагавшаяся на протяжении 40 тыс. лет. В течение всего этого времени накопление осадков подчинялось постоянным циклам, сменявшим друг друга каждые три года. А на фоне трехлетних циклов достаточно отчетливо заметна периодичность, повторявшаяся через 10 или 11 лет.

В нижнепротерозойских ленточных сланцах Енисейского кряжа выступает ритмичность несколько иной длительности. Если от устья Подкаменной Тунгуски подняться вверх по Енисею до оз. Монастырского, можно увидеть наряду с трехлетними циклами ритмы пяти- и шестилетней продолжительности.

В еще более молодых отложениях на западных склонах Южного Урала заметны трех- и одиннадцатилетние циклы. Кроме того, в распространенных здесь озерно-морских ленточных породах верхнего докембрия намечается менее четкая тридцати- или тридцатипятилетняя периодичность.

Правильная повторяемость трех- и одиннадцатилетних циклов прослеживается в докембрийских отложениях из многих мест земного шара. Тридцатилетние циклы тоже наблюдаются достаточно часто. А в бассейне Ангары к ним присоединяются ритмы продолжительностью 70 лет.

Сквозь весь фанерозой проходит трехлетняя смена циклов, и столь же постоянны одиннадцатилетние колебания климата. Их можно наблюдать и в нижнем кембрии бассейна Лены, и в ордовике Центральной Сибири, и в каменноугольных отложениях Тянь-Шаня, и в эоценовых сланцах Северной Америки.

А диаграммы слоистости четвертичных отложений с завершающей полнотой подчеркивают общую закономерность. И здесь протяженность планетарных колебаний климата сохраняется прежней: 3, 11 и 25-35 лет.

Проявление трехлетних ритмов можно проследить в колебаниях уровня замкнутых морей (например, Каспийского) и в современном изменении количества ежегодно выпадающих атмосферных осадков. Одиннадцатилетний период соответствует появлению солнечных пятен. Не исключено, что и другие циклы также отражают влияние на климат Земли каких-либо изменений солнечной активности, природа которых сегодня еще не установлена.

Можно только отметить, что если трехлетние циклы соответствуют некоторому "нормальному" состоянию климата, то ритмы более высоких порядков связаны с процессами, вызывающими периодическое понижение среднегодовой температуры и общее ухудшение климатических условий. Такую же роль, по-видимому, играют и семидесятилетние климатические периоды, которые можно проследить и в четвертичное время, например, в дюнных отложениях Средней Азии. Однако циклы более высоких порядков изучены пока еще недостаточно.

В 30-х годах нынешнего века в Берлине была опубликована любопытная работа. Ее автор сербский физик Милютин Миланкович предлагал вниманию специалистов построенную им кривую солнечной радиации. Такие кривые и раньше вычерчивались астрономами, но новое построение отличалось от всех предшествующих: оно охватывало интервал времени протяженностью 600 тыс. лет.

На кривой Миланковича хорошо заметны периоды, приближающиеся к 21 тыс. лет, т. е. отвечающие солнечному циклу предварения равноденствий. Возможно, что отражением этих периодов в геологической истории является чередование ледниковых и межледниковых эпох.

Из анализа фактов, собранных геологами и палеоклимато-логами, напрашивается вывод о планетарном значении и постоянстве крупных климатических циклов на протяжении всего доступного изучению геологического времени начиная с архея или, во всяком случае, с протерозоя. А это в свою очередь заставляет предположить, что существуют некие формирующие климат силы, действующие на планету извне. На передний план снова выступают признаки похолодании и связанных с ними оледенении. Особенно интересны в этом отношении оледенения, сказавшиеся на флоре и фауне всей или почти всей планеты.

Последнее оледенение произошло в четвертичном периоде. Ему предшествовало повсеместное похолодание. Более 2 млн. лет назад появились первые признаки понижения температуры. Они оставили слабые следы в плиоценовых отложениях Черноморского бассейна. Но во второй половине плиоценовой эпохи новые волны холода залили Землю. Горные области покрылись ледниками.

На территории нынешних Испании, Франции, Северной Италии, Австрии и Украины развивались в это время отложения, свидетельствующие об изменении климата. Сходная обстановка наблюдалась и в Азии: на Алтае, на севере Патомского нагорья, в Западном Приверхоянье и в приуральской части Западно-Сибирской низменности. Влияние наступивших холодов сказалось и на температурном режиме морских бассейнов. Беднее и однообразнее стал органический мир морей, далеко на юг проникли водные животные арктического облика. Затем волна холодов ненадолго отхлынула, чтобы вернуться с удвоенной силой.

Около 500 тыс. лет назад началось настоящее материковое оледенение. Оно охватило Европу, Сибирь и Канаду. Временами ослабевая, холод продолжал натиск и около 230 тыс. лет до наших дней достиг своего максимума. После этого оледенение стало отступать. Заметное похолодание коснулось Земли в меловом периоде. Последний раз ледники пытались возобновить свою атаку 25 тыс. лет назад.

Мощное оледенение произошло на грани каменноугольного и пермского периодов. Оно продолжалось несколько миллионов лет. Основное поле его действия располагалось в Южном полушарии, где, по мнению многих геологов, простиралась в это время обширная, ныне не существующая провинция Гондвана.

В Северном полушарии следы этого оледенения изучены недостаточно. Может быть, его свидетелями являются неслоистые, мелкозернистые, наполненные валунами породы - тиллиты, найденные близ Бостона в Северной Америке. Не исключена возможность, что к ледниковым относятся также родственные им породы, открытые на р. Сакмаре (Южный Урал). Правда, надо оговориться, что некоторые видные геологи не разделяют этого мнения. Зато можно считать установленным, что на западе Сибирской платформы в это время был прохладный климат с отчетливо выраженной многолетней цикличностью.

Значительное материковое оледенение происходило и в ордовикском периоде. На территории Англии, Тюрингии, на крайнем севере Европы, в бассейне р. Святого Лаврентия (Канада), в Боливийских Андах и Южной Африке встречаются ледниковые отложения этого возраста. Имеются они и на Среднем Урале в бассейнах рек Вишеры и Косьвы.

Куда более сильный холод охватывал Землю еще раньше - на границе позднего протерозоя и кембрия. Нет на земном шаре ни одной значительной области распространения верхне-докембрийских отложений, где не были бы встречены следы этого грандиозного понижения температуры.

Радиологические методы позволили установить абсолютный возраст эпох, в которые наша планета подвергалась нашествию холода. Оказалось, что эти критические моменты истории Земли располагаются через приблизительно равные промежутки времени.

Факты планетарных похолодании известны и в докембрийских образованиях. 700 или 800 млн. лет назад, очевидно, произошли какие-то серьезные изменения в химическом составе газовой оболочки Земли. По всей вероятности, они были тесно связаны с изменением климата.

1 млрд. лет до наших дней имело место крупное оледенение, получившее название гуронского. А рубеж в 1,2 млрд. лет охарактеризован еще одним - тимискаминским - наступлением ледника. Таким образом, на протяжении около 1 млрд. лет великие оледенения, по-видимому, повторяются через каждые 190-200 млн. лет. Эти цифры, конечно, весьма приблизительны и требуют уточнения, но общая закономерность отражает действительное положение вещей.

Для более древних отложений имеется значительно меньше данных о времени, характере и площадях распространения оледенении. Но сколь ни скудны эти сведения, обращает на себя внимание интересное совпадение: среди оценок абсолютного возраста предполагаемых ледниковых образований часто фигурируют даты 1200, 1650, 2000 и 2650 млн. лет. Создается впечатление, что и здесь временные интервалы кратны 200 млн. лет.

Интересно, что протяженность вычисленного ныне промежутка между великими оледенениями совпадает с очень важной величиной, которая совершенно независимо от геологов была установлена астрономами. Эта величина - продолжительность космического, или галактического, года, т. е. то время, за которое Солнечная система совершает полный оборот вокруг центра Галактики. Она тоже составляет 190- 200 млн. лет. Едва ли такое совпадение может быть случайным.

Движение Солнечной системы из внутренних, изобилующих звездными мирами областей Галактики в ее разреженные периферические участки (а также обратное перемещение), по всей вероятности, не может не оказывать влияния на нашу планету. Такое перемещение неизбежно должно сказаться на скорости движения Земли, а следовательно, должно отразиться и на характере энергетических процессов, протекающих в атмосфере, гидросфере и твердых оболочках планеты.

Можно предположить, что общее похолодание и великие оледенения наступали в то время, когда Солнечная система находилась на участке своей орбиты, расположенном в наиболее далеко отстоящих от центра Галактики областях, обладающих минимальной звездной плотностью.

За последние 3 млрд. лет по крайней мере 15 раз приходили на Землю подобные космические зимы. Возможно, они не были полностью похожи друг на друга и могли различаться степенью похолодания. Некоторые астрономы предполагают, что Земля и сейчас находится в разреженной наружной зоне Галактики.

Но космическая зима намного короче того периода, когда Солнце/пребывает в пространстве, насыщенном звездными системами. Поэтому одна из ближайших задач геологов - найти/такие признаки, по которым можно было бы изучать тепловую палеоклиматическую зональность космического года.

Галактическая орбита Солнечной системы. Для наглядности размах отклонений траектории Солнечной системы от плоскости Галактики значительно увеличен

Не подлежит сомнению, что кроме циклов в 200 млн. лет существуют и другие - более короткие - геологические и палеоклиматические ритмы. 10 млн. лет - это примерная продолжительность космической зимы. Но за время каждого оледенения происходило неоднократное чередование волн тепла и холода. Еще предстоит выяснить их периодичность и отыскать причины, вызывающие эти перемены.

До недавнего времени было предпринято много попыток объяснить оледенения как результат процесса образования гор, поглощающего большое количество энергии. Гипотеза о связи оледенении с горообразованием, казалось, находила подтверждение при изучении местных горных оледенении. Однако закономерности материковых оледенении никак не укладывались в рамки этой гипотезы.

Было установлено, что крупные этапы горообразования проявляются примерно каждые 38-45 млн. лет. Эти цифры никак не согласовываются с возрастом великих оледенении. Время формирования гор не совпадает с эпохами похолодании и даже не предшествует им.

В 1954 г. советский астроном Павел Петрович Паренаго установил, что в процессе движения по своей орбите Солнечная система совершает плавные волнообразные колебания, направленные перпендикулярно к плоскости Галактики. Период таких колебаний равен приблизительно 85 млн. лет.

Эта величина сразу заинтересовала геологов. Она была в среднем вдвое больше, чем интервал между соседними фазами горообразования. Так наметился еще один цикл в развитии планеты, равный полупериоду колебания Солнечной системы по отношению к плоскости ее движения. И уже имеются соображения, что горообразующие силы наиболее интенсивно проявляются в те отрезки времени, когда Солнечная система (и Земля в том числе) пересекает плоскость Галактики.

Нет сомнения, что космические причины влияют не только на климат нашей планеты. Их видимая связь с горообразовательными процессами заставляет искать и другие отзвуки космической жизни Земли, которые позволили бы установить продолжительность геологических явлений.