Краткая история планеты Земля: горы, животные, огонь и лед - Дж. Д. Макдугалл

КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ДАТИРОВАНИЯ

Во многих случаях удается определить возраст породы без прямого измерения количества «родительского» и «дочернего» изотопов. Это особенно полезно для осадков, которые, как показано выше, зачастую не подходят для прямого измерения возраста. Возраст осадков можно определить косвенным способом, притом иногда вполне точно, используя окаменелости.

Окаменелости — это сохранившиеся остатки живых организмов. Иногда они представляют собой просто отпечатки мягких тканей, не полностью разложившихся, как в случае многих растительных остатков. Но чаще это твердые части организмов — раковины, зубы, кости. К сожалению, во всех таких остатках обычно отсутствуют радиоактивные изотопы в количествах, достаточных для применения изотопных методов датировки; во всяком случае, первоначальный химический состав ископаемых остатков бывает совершенно изменен циркулирующей водой спустя долгое время после их отложения, при этом слабо повлияв на их внешний вид. Тем не менее, поскольку жизнь эволюционирует, ископаемые остатки организмов тоже являются природными хронометрами, ведь их морфология и другие особенности изменяются с течением времени. Если можно определить временной промежуток, в течение которого на земле жил какой-либо организм или группа организмов, тогда находка в породе такого ископаемого организма автоматически датирует породу, в которой он найден.

К счастью, геологи смогли довольно точно приписать определенный возраст большинству ископаемых организмов, поскольку существуют хотя бы некоторые составные части осадка, которые могут быть точно датированы, даже если сами органические остатки не поддаются такому датированию. Например, взрывные вулканические извержения выбрасывают в воздух большие количества пепла, которые очень быстро, за очень короткие в геологическом смысле промежутки времени оседают в виде слоев зернистой или комковатой породы и обломков минералов, о чем, к своему несчастью, узнали многие жители штата Вашингтон после взрыва вулкана горы Святой Елены в 1980 году. Но геологи питают симпатию к слоям вулканического пепла, поскольку последние образуют четко выделяющиеся и легко прослеживаемые (маркирующие) слои в однородных толщах пород. Минералы, которые содержат такие слои, часто могут быть датированы различными методами, например, калий-аргоновым, давая нам точные даты для различных интервалов осадочной толщи. Таким образом, используя слой пепла и другие датируемые компоненты осадков, на основании десятков тысяч химических анализов образцов пород со всего мира, был разработан временной каркас для истории Земли, в котором для каждого ископаемого организма есть своя ячейка. Именно таким способом были приписаны определенные даты для геологической шкалы, приведенной на рис. 1.1, которая существовала как относительная последовательность комплексов пород до того, как были открыты методы датировки пород, основанные на явлении радиоактивности. Точный возраст некоторых из границ на временной шкале в наши дни продолжает уточняться с помощью тщательных и детальных исследований, сочетающих анализ ископаемых сообществ организмов и точную датировку некоторых компонентов осадочных пород, таких как слои вулканического пепла.

Еще один косвенный метод датировки горных пород основывается на периодически повторяющейся смене полярности магнитного поля Земли, о которых говорилось в предыдущей главе. Путем анализа базальтовых потоков на материках с определением как их возраста (используя вышеописанные изотопные методы), так и магнитных свойств, была довольно точно разработана хронология таких изменений полярности. Фактически она сейчас столь детальна, что возраст различных частей морского дна можно определить просто путем сопоставления зеброобразных магнитных аномалий на морском дне с датированными последовательностями базальтовых потоков на материках.

Но магнитная хронология не ограничивается только изверженными породами. Как и базальты океанского дна, осадки также нередко содержат магнитные минералы; по мере медленного оседания на дно они ориентируются в соответствии с преобладающим направлением изолиний земного магнитного поля. Поэтому смены направления земного магнитного поля также оказываются записанными в осадках и опять же путем корреляции с известной уже хронологией можно по ориентировке магнитных осей в зернах минералов установить возраст осадка.

Геологи приложили огромные усилия, чтобы установить и довести почти до совершенства временную шкалу истории Земли. Самые лучшие определения возраста древнейших, докембрийских пород содержат ошибку меньше одного процента; это означает, что события, отстоящие друг от друга всего на несколько миллионов лет, можно расположить в их истинной последовательности даже по породам, имеющим возраст три миллиарда лет.

Это поистине замечательное достижение. Оно равноценно возможности правильно расположить во времени события, отстоящие друг от друга всего на несколько часов, но случившиеся год назад, измеряя каким-либо образом их последствия, которые проявились только сегодня. Замечательно также то, что мы теперь знаем темп эволюции, точную дату исчезновения динозавров, время раскола и расхождения одних континентов и столкновения других. Все это знание получено с помощью описанных в этой главе радиоактивных часов. Всякий раз на протяжении нашего рассказа, когда говорится о возрасте пород, или ископаемых остатках организмов, все данные основываются на показаниях этих геологических хронометров.

Глава 7.

КЕМБРИЙСКИЙ ВЗРЫВ

После того как в двух последних главах мы отвлеклись на тектонику плит и геологическое время, пора возвратиться к моменту геологической истории Земли, где мы ее оставили, а именно к концу протерозойской эры. Следующим крупным подразделением геологического времени (опять посмотрим на рис. 1.1) является палеозойская эра, которая началась кембрийским периодом около 540 миллионов лет назад. Для порядка следует отметить, что остается некоторая неопределенность в отношении точного возраста границы между протерозоем и кембрием. Даже последние оценки ее колеблются между 530 и 600 миллионами лет. Такая изменчивость является составной частью естественного прогресса науки, а отнюдь не признаком слабости научного подхода, как думают некоторые. Причины этой неопределенности лежат как в технических трудностях датировки пород, так и в поисках подходящих образцов, характеризующих эту границу (поскольку не все породы могут быть датированы). Существует также проблема, куда конкретно поместить физическую границу в данной последовательности осадочных пород. Принятое здесь значение в 540 миллионов лет основывается на тщательной ураново-свинцовой датировке кристаллов циркона, извлеченных из слоя вулканического пепла, найденного в осадках из провинции Юннань, Китай. Точность определения возраста самого слоя пепла сомнений не вызывает. Неопределенность состоит в том, что неясно, как располагается сам этот слой относительно действительной границы. Палеонтологи на основании содержания в породах различных ископаемых остатков организмов сделали вывод, что осадки, залегающие непосредственно выше и ниже этого слоя пепла, отложились очень близко к началу кембрийского периода (кембрия) — первого периода палеозойской эры. Но независимо от точной даты с начала кембрия и ближе к нашему времени геологическая история Земли неразрывно связана с историей жизни на нашей планете, сага о которой рассказывается ископаемыми остатками, сохранившимися в породах.

ОКАМЕНЕЛАЯ ЛЕТОПИСЬ

Окаменелости, используемые геологами для прослеживания путей эволюции и реконструкции моделей климата Земли, дошли до нас в различных формах. Некоторые остались почти неизменными по сравнению с их первоначальным состоянием, как, например, скелеты саблезубых тигров, открытые в смоляных карьерах около Ла-Бриа в районе Лос-Анджелеса, но большей частью они в разной степени изменены химическими реакциями при сохранении внешнего вида. Наиболее распространенными окаменел остями являются твердые части животных, сложенные обычными минералами, — кости или зубы, состоящие из фосфатных минералов, и раковины, сложенные карбонатом кальция. Мягкие ткани обычно разлагаются слишком быстро, чтобы от них что-нибудь сохранилось, хотя в некоторых видах среды осадконакопления они тоже сохраняются. И это большая удача, потому что большинство докембрийских и раннекембрийских животных были мягкотелыми и их остатки имеют критическое значение для понимания природы кембрийского взрыва.

Химические реакции, которые резко изменяют минеральный и химический составы остатков — как твердых, так и мягких их частей, — обычно оставляют нетронутой морфологию и внутреннюю структуру растений или животных. В типичных случаях реакции происходят после погребения организма в осадках, когда циркулирующая в осадке вода, несущая растворенные в ней минералы, реагирует с первичным материалом погребенного организма, трансформируя его. Хорошим примером такой реакции является окаменевшее дерево, которое сохраняет тончайшие детали своего первоначального строения — годичные кольца и т. п., несмотря на тот факт, что целлюлоза и другие химические компоненты первоначального дерева полностью замещены кремнеземом — той самой составной частью, которая слагает обычный минерал кварц. Как показывает само название, в данном случае древесина была превращена в камень.