Читая каменную летопись Земли...: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Другие персонажи

В природе распространены не только обломочные частицы. Другая, самая разнообразная их группа порождена жизнью. Многообразие ее форм находит отражение в структуре этой группы. В нее входят карбонатные, кремнистые и углеродистые остатки различных организмов, живших в разных средах — на поверхности суши, в реках, озерах, болотах, морях, в различных зонах океана. При этом карбонатные и кремнистые остатки имеют для геолога особую значимость, так как в них фиксируются прижизненные черты обитавших в ту или иную эпоху животных и микроорганизмов.

Органический мир находится в непрерывном развитии, и новые формы в меняющихся условиях среды обитания вытесняли (и вытесняют сейчас) архаичные и нежизнеспособные виды, постепенно, а то и очень резко изменяя облик био- и танатоценозов. Однако и новые формы не вечны. С течением времени они также сходят со сцены, оставляя как память о себе раковины, скелетные фрагменты минерального каркаса, прижизненные отпечатки в осадочных породах. Наиболее характерные из подобных остатков становятся символами временного интервала, в котором жили их хозяева.

Впрочем, хорошо сохранившиеся палеонтологические остатки — символы или «метки» своего времени, встречаясь в изобилии в одних слоях осадочного разреза, зачастую совершенно отсутствуют в других. Хороший образец древней фауны сродни княжескому захоронению в степном кургане: оно одно на тысячи других, безвестных могил. Так же обстоит дело с остатками карбонатстроящих и других древних организмов. Огромные их массы, скопившиеся на ограниченном пространстве, могут в силу плохой сохранности не нести значительной научной информации. Однако ими сложены пласты и толщи органогенных пород, которые скрыты в недрах осадочных бассейнов либо выступают в виде горных хребтов. Они интересны тем, что способны вмещать залежи фосфоритов и бокситов, различных металлов, а главное, скопления нефти и газа.

Жизнь пронизывает всю поверхностную оболочку Земли. Здесь также выстраивается своя пирамида. В водной среде в ее основании находятся мельчайшие фотосинтезирующие организмы (планктон), защищающие свои тела кремнистой или карбонатной оболочкой. Именно их остатки микронных и субмикронных размеров, попадающие в алевритовую и пелитовую фракции, составляют основную массу органогенных частиц, взвешенных в водной толще морей и океанов. Они либо растворяются при опускании на дно, либо образуют рыхлые осадки.

Поражают многообразие форм, неистощимость выдумки природы. Рассмотрим для примера группу диатомей и радиолярий. Эти мельчайшие кремнестроящие организмы обитают в поверхностных водах не только океана, но и пресноводных озер, осолоненных лагун, других водоемов. Некоторые из них можно встретить даже в поде одиноких колодцев, разбросанных в пустыне: идеальные сферы с шиповидными отростками, изящные рюмочки, перевернутые ножкой вверх, разнообразные шлемы и кубки, мыльницы и т. д. Эти формы позволяют их владельцам выжить в конкурентной борьбе за пищу и пространство. Не менее удачным дизайном отличаются те многокомнатные плавающие «квартиры» фораминифер, которые они строят в течение всей своей жизни, предпочитая кремнезему карбонатный материал. В этом микромире есть свои карлики и настоящие гиганты. К числу последних можно отнести птеропод, чьи арагонитовые раковинки с игольчатыми выступами, напоминающими антенны, видны невооруженным глазом. Птероподы — типичные обитатели средиземноморских карбонатных илов (их размер от 0,3 до 1 см).

Далекие предки фораминифер — швагерины были еще более искусными строителями. Если раковины современных глобигерин и глобороталий можно сравнить с космическим модулем, к которому «пристыкованы» различной величины жилые отсеки, то швагерины создавали многокамерные диски. В них верхние ряды наслаиваются на нижние и являются одновременно их продолжением наподобие свернутой кинопленки. Подобные образования, плававшие в морской воде, были похожи на космические станции будущего, как их представляют писатели-фантасты.

Однако не только (и не столько) остатки этих гигантов микромира слагают массу тонкозернистых карбонатных отложений, например пласты обыкновенного мела. Как показали исследования в поле электронного сканирующего микроскопа, внедренного не так давно в научную практику, они состоят из фрагментов мельчайших растений, объединенных в группу нанопланктона. Это кокколитофориды — крошечные существа, не способные слепить раковинку и защищающие себя с помощью отдельных кальцитовых дисков. Последние скрепляются органическими молекулами в единое целое. В группу нанопланктона входят и организмы, предпочитающие использовать кремнезем для построения внутреннего каркаса. Он обычно представляет собой кольцо с перекладинами разного вида. Вокруг кольца располагается водорослевая клетка с нитевидными выступами для перемещения в водной среде. Благодаря нитевидным отросткам и кремневому каркасу эти организмы были названы силикофлагсллятами. В нанопланктон включают также динофлагелляты и перидинисвые водоросли.

Естественно, на дно попадают только устойчивые фрагменты организмов, которые в условиях малого поступления с континента или островов обломочного материала становятся ведущими компонентами донных осадков. По размерам остатки нанопланктона соответствуют тонкому пелиту, т. е. в гранулометрическом отношении принадлежат к тому же классу, что и глинистые частицы. Панцири диатомовых и перидиниевых водорослей и раковинки мелких фораминифер примерно на порядок-два крупнее, а многие фораминиферы обладают размерами песчинок. В тех частях моря, где происходит дифференциация осадочного материала по крупности, они, как правило, встречаются вместе с терригенным песком. В то же время тонкие органогенные частицы распространяются и оседают вместе с чешуйками глин.

Зоопланктон и рыбы, питающиеся фитопланктоном, а также другие рыбы и кальмары, живущие за счет зоопланктона и мелкой рыбешки, сохраняются чаще всего в виде отпечатков в породах, редко можно найти части скелета (например, зубы акул). Мезозойские родственники кальмаров — белемниты являлись одной из широко распространенных в юрское и меловое время групп морских организмов. Она хорошо изучена благодаря особому кальцитовому ростру — элементу хвостовой части организма, часто сохраняющемуся в окаменелом состоянии. По их находкам устанавливается возраст вмещающих отложений.

Широко распространены и бентосные, т. е. живущие на дне, организмы: моллюски, мшанки, известь выделяющие водоросли, морские ежи и лилии, кораллы, полихеты и др. У большинства из них тело защищено наружными известковыми покровами, другие имеют внутренний карбонатный скелет, у третьих (водорослей) метаболизм сопровождается выделениями извести. После гибели организмов минеральные форменные элементы оставались на дне, где при благоприятных условиях накапливались огромные массы карбонатных остатков, которыми сложены пласты и мощные толщи известняков.

Бентосом особенно плотно населен шельф — затопленный морскими водами край континента, и прежде всего его прибрежная зона с глубинами дна до 60–70 м. Это область с активным гидродинамическим режимом, где действуют штормовые волны, океанская зыбь, приливно-отливные и разрывные течения. Все они воздействуют на донные осадки, перемещая отдельные его компоненты. Особенно велика роль штормовых волн и зыби, разрушающих и перетирающих в зоне прибоя огромные массы крупнозернистого материала, в том числе раковины, кусочки кораллов и др. Образующиеся при этом разнокалиберные обломки раковин и другие фрагменты организмов получили название органогенного детрита. В количественном отношении детрит обычно преобладает над целыми, с ненарушенной структурой, скелетными остатками, хотя такие устойчивые образования, как коралловые и водорослевые рифы, устричные и другие банки, строматолитовые постройки, как правило, переходят в ископаемое состояние, претерпев лишь частичное разрушение.

Органогенный детрит, имея самые разные размеры, разбивается на те же гранулометрические классы, что и обломочные частицы. Крупные глыбы и отдельные обломки строматолитов или коралловых рифов по форме и размерам нередко соответствуют обычным валунам. Остроугольные обломки, встречающиеся в зоне осушки в лагунах аридных областей, называются интеркластами. Большинство современных органогенных построек сложено пористым, малопрочным материалом. Из них не получается хорошо окатанных, полированных галек. В то же время очень широко распространен карбонатный детрит гравийной и песчаной размерности. Та карбонатная галька, которой изобилуют морские побережья, образовалась из древних плотных и прочных известняков и доломитов, т. е. по своему генезису является обломочной.

Органогенные частицы карбонатного и кремнистого состава не так сильно разнятся по свойствам и поведению в разных средах, как терригенные частицы, о которых говорилось выше. Они сохраняют однородный минеральный и химический состав, попадая в разные гранулометрические фракции. Если обломочные терригенные частицы вездесущи, то органогенный детрит принадлежит водной среде, как и те организмы, производными от которых он является. В основном карбонатный и кремнистый материал «путешествует» водным путем, используя такие транспортные средства, как волны, течения, мутьевые и зерновые потоки.

Существуют, однако, «пассажиры», которые предпочитают воздушный транспорт. Это частицы вулканического происхождения. Они также могут иметь самые разные размеры. При этом самые крупные — глыбы и вулканические бомбы, называемые лапилли, встречаются лишь вокруг жерла вулкана, из которого они были выброшены при извержениях. Это камни неправильной формы со спекшейся ноздреватой поверхностью и застывшие в воздухе сгустки магмы. Для них характерны самые причудливые очертания, черный цвет, оплавленные края, сложная система каверн и канальцев.

Основные продукты извержений — вулканический пепел и пемза могут разноситься на огромные расстояния потоками ветра. Естественно, что большая часть этого вещества оседает в радиусе нескольких десятков — первых сотен километров от вулкана. Однако при некоторых сильнейших извержениях, когда выбросы направлены вверх и не отклоняются ветром, огромные массы тонких частиц поднимаются в верхние слои стратосферы и огибают весь земной шар, сначала в пределах определенной широтной зоны, а затем, распространяясь и над другими районами, от полюса до полюса. Именно таковым было в недавнем прошлом извержение мексиканского вулкана Эль-Чичон, вызвавшее необычные атмосферные явления, похожие на северное сияние, но наблюдались они в средних широтах (в частности, осенью 1984 г. в Париже). Это эксплозивное извержение большой силы привело к изменению в последующие два года климата во многих странах, и прежде всего расположенных в пределах Тихоокеанского кольца.

Пепел — это в основном частички вулканического стекла с размерами от мелкопесчаных до пелитовых. В зависимости от силы вулканического извержения и направления ветра они покрывают черным шлейфом территорию, засыпая посевы, вызывая пожары и гибель людей. Этот воздушный десант опускается и над морем, где вулканические частицы подхватываются волнами, течениями и разносятся наряду с другим материалом, терригенным и органогенным. Большинство частиц вскоре достигает дна, где на огромных пространствах образуется пласт или прослой, датирующий вмещающие осадки.

Таковы три основных источника осадочного материала, из которого построена верхняя оболочка стратисферы, получившая название земной коры. В современных и плейстоценовых рыхлых осадках встречаются и редкие следы космических «пришельцев». Это мелкие, различимые только под электронным сканирующим микроскопом шарики — продукты сгорания в земной атмосфере метеоритов и других мелких небесных тел. Их, как правило, наблюдают при исследовании глубоководных океанических осадков, отличающихся очень низкими скоростями накопления.

Время и место действия

Со времени возникновения на Земле биосферы у ее поверхности сталкивались три потока частиц — обломочных, органогенных и вулканических. Сочетание этих трех начал определяло облик будущей породы. На суше всегда господствовал обломочный материал, в водной среде — органогенный. Вулканические частицы в большинстве случаев оставались экзотической «приправой» к основному «блюду» из терригенных или карбонатных зерен и лишь в областях с высокой тектонической активностью, а таковые, как правило, расположены на границе континента и океана (точнее, на конвергентных границах литосферных плит), начинали играть заметную, иногда ведущую роль.

Жизнь изначально возникла в океане, а уж потом через многие сотни миллионов лет завоевала сушу. Эволюция живых существ шла в основном неспешно, лишь на определенных рубежах совершая драматические скачки. Многие из живших на том или ином этапе развития жизни организмов вообще исчезли бесследно. Сведения о других, а таких большинство, мы черпаем, изучая отпечатки, раковины и другие форменные элементы, а если говорить о колониальных формах — то органогенные постройки, конструкция которых менялась по мере исчезновения одних видов и распространения других. Среди обитавших давным-давно организмов встречаются виды, существующие и сегодня. Это геологические «долгожители». В целом же в калейдоскопе сменявших друг друга форм исследователь находит не так уж много тех, что сохранились и в современную эпоху. Каждый геологический век был отмечен определенным набором ископаемых форм организмов, и, чем больше вымерших видов с ним связано, тем точнее палеонтологи могут датировать вмещающие эти формы слои. Таким образом, когда вместе с обломочными частицами на дно поступают органические остатки, сформированные из них отложения оказываются как бы мечеными. Осадки, содержащие подобные маркеры, получают своего рода удостоверение личности. Сопоставляя подобные данные, геологи могут определить возраст отложений.

Узнаваемые органические формы, по которым можно датировать осадки, появились на поверхности планеты с геологической точки зрения не так уж давно, всего 1,2–1 млрд лет назад. Поистине разнообразным органический мир стал в более поздние геологические эры, например палеозойскую, начало которой относится к рубежу 0,6 млрд лет назад. Более древние, докембрийскис образования почти не содержат надежных биологических маркеров, и расчленять их по возрасту по-прежнему чрезвычайно трудно. Надо сказать, что далеко не все молодые осадочные толщи удастся датировать палеонтологическими методами.

В разрезах земной коры много так называемых немых слоев, лишенных палеонтологических остатков. Их возраст определяется по сопоставлению с ниже- и вышележащими отложениями, имеющими «визитную карточку», если под таковой понимать заключенную в них фауну или флору.

Подобно тому как по лицу человека можно определить его возраст, так и по внешнему облику породы можно составить самое общее представление о времени, прошедшем с момента ее образования. Есть целый ряд таких признаков: высокая плотность, неспособность размокать в воде, трещиноватость, сливная структура и др. Породы относительно молодые по возрасту в некоторых ситуациях имеют все признаки очень древних образований. Чаще всего это наблюдается в областях тектонического сжатия, где гигантские массы осадков скучиваются, деформируясь и образуя складки. Огромные давления, а нередко и температуры, существующие в недрах Земли, способны трансформировать облик относительно молодых отложений почти до неузнаваемости. Напротив, древние осадки, не погружавшиеся глубоко, сохраняют большую часть первичных характеристических черт.

Частично проблему определения возраста пород удалось решить за счет радиоизотопов. Периоды полураспада радиоактивных элементов хорошо известны. Поэтому если в осадок при его формировании попало достаточное количество радиоактивных элементов, то, установив содержание этих последних и продуктов их распада в породе, можно с достаточной точностью рассчитать длительность того промежутка времени, в течение которого происходил распад того или иного элемента. Это и будет та величина, которая принимается за абсолютный возраст вмещающей породы.

Наиболее универсальными для датировки древних осадочных образований считаются калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и уран-свинцовый методы. Радиоактивный ⁴⁰К попадает в осадок в составе вулканического пепла, который уже после захоронения обычно раскристаллизовывается в слоистые силикаты глин — К-бентонит, феррисмектит и другие минералы. Он входит в кристаллическую решетку и при образовании калийсодержащих минералов in situ. Если аргон, возникающий в процессе распада ⁴⁰К, остается в их кристаллической решетке, то, установив величину K/Ar, можно рассчитать возраст породы. Одним из минералов, пригодных, помимо калиевых полевых шпатов, для определения абсолютного возраста калий-аргоновым методом, является глауконит. В его составе довольно много калия. К тому же он формируется на морском дне в условиях, как правило исключающих массовое переотложение. По глаукониту, лишенному признаков разрушения в процессе вторичного перемыва, удается получить довольно точные возрастные определения.

Возраст многих древних пород, содержащих минералы урана или тория, устанавливают, исследуя соотношения радиоактивных изотопов ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th и стабильных изотопов свинца — продуктов их распада. Период полураспада ²³⁸U составляет 4,5·10⁹ лет, a ²³²Th — 14·10⁹ лет, поэтому, применяя свинцовый метод определения абсолютного возраста, можно, казалось бы, охватить практически всю геологическую историю Земли. Беда, однако, в том, что в большинстве пород осадочного генезиса торий и уран находятся в ничтожных количествах. К тому же различные вторичные процессы, протекающие в недрах, зачастую искажают реальную картину распределения радиоактивных элементов и производных от них изотопов свинца.

Для датирования совсем молодых осадков используется радиоуглеродный метод, основанный на определении ¹⁴С. Этот изотоп содержится в растительных органических остатках, например в древесине, в определенной пропорции с другими, стабильными изотопами углерода. Период полураспада ¹⁴С относительно невелик, поэтому радиоуглеродный метод применяется для датирования молодых отложений, с возрастом до 40 тыс. лет, если в них находятся кусочки древесины или прослойки торфа.

В последнее время разработаны и другие радиоизотопные методы, базирующиеся на определении более редких радиоизотопов, например ¹⁰Ве. Последний используется для оценки интервалов времени небольшой длительности — первые тысячи лет. Эти методы анализа требуют привлечения дорогостоящей аппаратуры и применяются для изучения относительно быстротекущих процессов и решения экологических проблем.

Если с определением возраста осадков дело в настоящее время обстоит более или менее благополучно, то установить место прошедшего геологического действия зачастую очень сложно. Здесь, к сожалению, почти неприменимы какие-либо геохимические показатели, необходимо выявить сложный комплекс признаков, которые отражают как внешнюю, так и внутренние особенности строения осадка или породы. Эти исследования находятся в компетенции литологов — специалистов по изучению осадочных пород.