"Геологические часы" - читать интересную книгу автора (Олейников Александр Николаевич)

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ КАЛЕНДАРЬ О корненожках, благородной яшме и шкале относительного возраста

В результате изучения последовательности залегания земных пластов и их взаимоотношений друг с другом возникла наука стратиграфия, занимающаяся исследованием закономерностей и очередности отложения слоев, составляющих земную кору.

Крупные события геологической истории Земли и изменения в составе органического мира позволили установить существование четырех наиболее значительных глобальных стратиграфических единиц — эонотем, каждая из которых включает отложения, образовавшиеся на протяжении одного зона. Протерозойская и фанерозойская эонотемы подразделяются на эратемы, или на геологические группы. Эратема — это отложения, сформировавшиеся за одну эру.

Архейская эонотема может быть подразделена на три эратемы: нижнюю, среднюю и верхнюю. Протерозойские отложения обычно делятся на две эратемы. Вместе они включают три крупные единицы (некоторые исследователи возводят их в ранг самостоятельных эратем): карельскую, получившую название в честь Карелии, где развиты породы этого возраста; рифейскую («Рифей» — древнегреческое наименование Уральских гор) и вендскую («венды» или «венеды» — древнеславянское племя, населявшее территорию Прибалтики). Все эти стратиграфические подразделения установлены сравнительно недавно — уже в XX столетии.

Эратемы фанерозоя, о которых говорилось в предыдущей главе, были намечены еще в XVIII веке. В наши дни отложения выделенной тогда «первичной группы» частично отнесены к докембрийской эонотеме, а более молодые из них вошли в состав палеозоя. «Вторичная группа» получила название мезозойской эратемы, а «третичная» составила основу кайнозойской эратемы.

Соотношение эонотем и эратем показаны в табл. 1.

Эратемы подразделяются на системы. Каждая система состоит из двух или трех отделов, которые в зависимости от их положения в разрезе называются соответственно верхним и нижним или верхним, средним и нижним. Во времени отделы отвечают эпохам.

Отделы расчленяются на более мелкие подразделения — ярусы, а ярусы в свою очередь — на зоны. Ярусам обычно даются географические названия, а зоны лолучают латинские наименования по наиболее характерным для них представителям животных или растений. В четвертичных отложениях выделяются еще более дробные составные части — звенья.

Из этих единиц и слагается календарь относительного геологического возраста, названный так в отличие от «абсолютного» календаря, ведущего исчисление времени в годах. Геологический календарь состоит из двух параллельных шкал: стратиграфической, отражающей подразделения земных пластов, и геохронологической, называющей время, за которое сформировались соответствующие отложения.

В необходимых случаях в стратиграфическую шкалу вводятся еще дополнительные единицы: подотделы, подъярусы, подзоны.

Для большего удобства в работе каждому стратиграфическому и геохронологическому подразделению кроме его названия присваивается сокращенный буквенно-цифровой индекс (как показано в этом примере).

Мезозойская эратема (эра) — MZ

Юрская система (период) — J

Верхний отдел юрской системы (позднеюрская эпоха) — J₃

Волжский ярус (век) — J₃V

Средневолжский подъярус — J₃V₂

Зона Virgatites virgatus — J₃V₂

Еще в начале прошлого века все основные выводы об относительной геохронологии строились главным образом на изучении более или менее крупных и сравнительно высокоорганизованных животных, таких как моллюски, кораллы, трилобиты, некоторые ракообразные, брахиоподы и позвоночные. По этим организмам устанавливались и главные этапы развития животного мира планеты. На остатки простейших и других микроскопических организмов геологи обычно не обращали серьезного внимания, ибо в свете господствовавших тогда эволюционных воззрений предполагалось, что эти животные крайне незначительно изменяются во времени и не могут быть использованы в качестве указателей возраста отложений.

Однако при бурении скважин часто бывает совершенно невозможно обнаружить в тонком столбике (керне) поднятой на поверхность породы какие-либо признаки «традиционной» фауны. А если остатки таких животных и встречаются — это нередко разрезанные буром фрагменты, определить которые удается далеко не всегда. Поэтому пришлось обратить внимание и на те организмы, которые раньше считались бесперспективными для стратиграфии.

Одной из первых новых групп, которой особенно заинтересовались геологи-стратиграфы, были фораминиферы. Это небольшие простейшие животные из класса корненожек, населяющие ныне тысячи квадратных километров морского дна. Одни из них имеют шарообразную форму, другие — звездчатую, третьи — линзовидную. Еще до того как биологи обнаружили эти существа в современных морях, людям были известны их ископаемые остатки.

Двадцать веков назад древнегреческий географ Страбон отмечал, что в Египте встречаются в большом количестве мелкие плоские камни, которые египтяне считают окаменевшей чечевицей. Впоследствии было выяснено, что мнимая чечевица представляет собой панцири животных. Но только в XX столетии фораминиферы заняли достойное место в шкале геохронологии.

Представители этой группы животных охотнее всего селятся в таких местах, где их хрупкая раковина может найти защиту от действия волн. На мелководье они обитают в чаще водорослей или находят убежище в теле губок. Но и воды открытого моря не препятствуют их свободному размножению. Пробы глубоководного грунта, взятые из самых разных морей земного шара, почти всегда содержат раковины фораминифер. Их скелеты составляют основную массу океанического ила. Стало быть, изучение этих организмов позволяет сопоставлять между собой отложения, образовавшиеся в различных частях морского бассейна.

Как в палеозойскую, так и в мезозойскую эру фораминиферы играли огромную роль в накоплении осадков морского дна. Еще большее количество их скелетов содержится в отложениях кайнозойского возраста. Сравнительное изучение морфологического строения этих простейших показало их быструю эволюцию во времени. Определив виды и роды фораминифер, встреченных в керне скважины, геолог может уверенно судить об относительном возрасте вмещающих их горных пород. Благодаря исследованию древних фораминифер были внесены серьезные уточнения в стратиграфические схемы многих районов.

Иногда раковин этих животных накапливалось на дне морей так много, что они образовывали мощные пласты толщиной до нескольких сотен метров. Такие породы, почти полностью состоящие из скелетов фораминифер, даже получили название по преобладающим формам этих организмов. Подобного происхождения известняки, названные альвеолииовыми, встречены на западе Франции и к востоку от Адриатического моря. Другой известняк — нуммулитовый — прослеживается в широкой полосе, простирающейся от Альп и Южного Средиземноморья до Гималаев. В нашей стране нуммулитовые известняки тянутся вдоль северных склонов Крымского хребта от Севастополя до Феодосии, а за Каспийским морем встречаются в палеогеновых отложениях Устюрта и Мангышлака.

С годами методы изучения микроскопических окаменелостей совершенствовались, становились более точными и разносторонними. Ныне микропалеонтология — ветвь палеонтологии, занимающаяся исследованием остатков мелких организмов, — стала равноправной участницей стратиграфических изысканий.

Размачивая образцы горных пород в воде, палеонтолог иглой выбирает из осадка мельчайшие панцири простейших и ракообразных. Более твердые породы предварительно кипятят в растворе глауберовой соли либо протравливают слабыми кислотами. В результате даже из небольшого количества породы (несколько десятков граммов) удается выделить самые разнообразные остатки организмов: мелкие раковинки брахиопод и фораминифер, хитиновые останки червей, кремнистые иглы губок, членики морских лилий, отолиты костистых рыб.

Все большее значение приобретает сейчас изучение примитивных ракообразных — остракод и филлопод. Эти мелкие рачки, строение которых можно рассмотреть только под микроскопом, интересны тем, что они обитают в бассейнах различной солености. Их можно встретить на морской отмели, в лагуне, реке и пересыхающей луже. Это позволяет сопоставлять отложения различного происхождения, а зная признаки, по которым различают обитателей морских и пресноводных водоемов, можно судить и об условиях, в которых отложились данные осадки.

В последние годы внимание многих исследователей привлекают сколекодонты — ископаемые зазубренные челюсти кольчатых червей-аннелид и конодонты — мелкие, состоящие из кристаллического апатита пластинчатые образования, происхождение которых до сих пор еще недостаточно выяснено. Многие из них, по-видимому, также представляют собой челюсти хищных червей, а некоторые, вероятно, являются частями тела круглоротых позвоночных. Но несмотря на расхождения во мнениях о происхождении этих образований, конодонты наряду со сколекодонтами становятся важным подспорьем при решении вопроса о возрасте слоев, особенно в тех случаях, когда в морских или солоновато-водных отложениях, где эти окаменелости встречаются в большом числе, отсутствуют другие органические остатки.

Скалы, сложенные благородным поделочным камнем — яшмой, кремнистые сланцы и древние вулканогенные толщи открыли для микропалеонтологии еще один объект исследования. Это радиолярии, или лучевики, — микроскопические одноклеточные организмы, отличающиеся необычайной красотой своих кремневых скелетов. Изящные игольчатые, ба-шенковидные и шарообразные скелеты радиолярий, напоминающие то филигранную восточную резьбу, то застывшие звезды снежинок, то фантастические архитектурные конструкции, можно встретить на самых разных глубинах морей. Местами, например на дне Тихого океана на глубине от 3000 до 8000 м, ил состоит на 80, а то и на 100% из скелетов погибших радиолярий.

Известно не менее 5000 различных видов радиолярий. Как выяснилось, они встречаются во всех типах морских осадков начиная с кембрия и позволяют расчленять отложения с точностью до яруса. Есть все основания предполагать, что значение радиолярий для решения геохронологических задач в дальнейшем еще более возрастет.

Все шире вовлекаются в сферу стратиграфических исследований остатки гастропод — брюхоногих моллюсков, которые до недавнего времени не играли существенной роли в биостратиграфии палеозоя и мезозоя и ограниченно использовались лишь при расчленении кайнозойских отложении.

При изучении возраста карбонатных образовании заметно возросло значение иглокожих. Оказалось, что остатки морских ежей и морских лилий могут быть с успехом использованы не только для детального подразделения толщ, сложенных известняками, но и при сопоставлении удаленных друг от друга разрезов.

Не менее перспективными могут стать загадочные группы животных — хиолиты, представляющие собой небольшие планктонные организмы, известные из кембрийских отложений, а также микроскопические хитинозои, следы существования которых сохранились в виде массивных скоплений хитиновых оболочек, напоминающих крохотные сосуды всевозможной формы. Широкое географическое распространение этих организмов и их быстрое изменение во времени придают им стратиграфическую ценность.

Неплохие стратиграфические результаты можно получить, изучая строматолиты — прикрепленные ко дну слоистые образования в форме пластов, столбиков, желваков и караваев, возникшие на мелководных участках соленых и опресненных бассейнов в результате жизнедеятельности сине-зеленых водорослей и бактерий. Строматолиты нельзя назвать окаменелостями в общепринятом смысле этого слова, поскольку кроме органических структур в их создании не меньшее участие принимали продукты химического и механического осаждения карбонатных пород. Но став достоянием палеонтологии, они также начали приносить ощутимую пользу при расчленении и сравнении геологических разрезов.

В последние десятилетия в арсенале науки об относительном возрасте Земли появился еще один метод, получивший название спорово-пыльцевого. При спорово-пыльцевом анализе исследуют ископаемые остатки пыльцы семенных растений и спор, принадлежащих древним споровым, таким как мхи, плауны, папоротники. Ветер и водные потоки разносят мириады этих частиц по поверхности Земли. Одни из них захороняются на суше, другие попадают на дно водных бассейнов. Внутренние оболочки пыльцы и спор со временем разрушаются. Зато плотные внешние их покровы превосходно сохраняются в ископаемом состоянии. Достаточно сказать, что ископаемые споры известны по меньшей мере с кембрия. Впервые примененный для уточнения истории современных лесов и торфяников спорово-пыльцевой метод занял ныне видное место в ряду исследований, позволяющих устанавливать возраст осадочных пород.

Иногда, чаще всего в морских отложениях, вместе со спорами и пыльцой растений встречаются микроскопические организмы — перидинеи и акритархи. Установлено, что пери-динеи представляют собой ископаемые остатки динофлагеллят (или жгутиковых) — одноклеточных существ, имеющих признаки как растений, так и животных. Что же такое акритархи — пока не вполне выяснено. Одни исследователи считают их мелкими колониальными животными, другие — яйцами ракообразных, водорослями или даже динофлагеллятами, облеченными в цисту (оболочка, которой окружают себя некоторые организмы, попадая в неблагоприятные условия). Но хотя природа этих микрофоссилий продолжает еще оставаться неясной, их обилие и широкое распространение заставили ученых взять на вооружение и эту группу, которая также помогает решать вопрос о возрасте пород и условиях их образования.

Вместе с акритархами и динофлагеллятами предметом стратиграфических исследований стали диатомовые и золотистые водоросли. Все эти четыре группы палеонтологических объектов объединяются под общим названием «нанопланктон».

В ряду новых направлений исследований растет значение палеокарпологии (от латинского «карпус» — семя) — отрасли палеонтологии, занимающейся изучением ископаемых плодов, семян и мегаспор папоротникообразных. Судя по успехам, достигнутым при определении возраста кайнозойских отложений, можно надеяться, что палеокарпологические методы окажутся полезными и для стратиграфии более древних образований.

Возникла и развивается еще одна палеонтологическая дисциплина — палеомикология, предметом изучения которой являются ископаемые грибы. Остатки грибов в неисчислимом множестве можно обнаружить в древних осадочных породах, погребенных почвах, углях, горючих сланцах и торфе. Водные грибы-паразиты поражали водоросли, чешую рыб и скелетные образования беспозвоночных. А среди наземных отложений грибы можно найти в окаменелой древесине, в янтаре, на отпечатках листьев и на костях вымерших животных. Столь широкое распространение представителей грибного царства позволяет привлекать палеомикологические данные для восстановления условий обитания организмов, а при изучении докембрийских образований — и для расчленения осадочных толщ.

В стратиграфических целях могут быть использованы не только сами остатки живых существ, но даже свидетельства их жизнедеятельности: ходы роющих и сверлящих животных, следы ползания червей и пресмыкающихся, отпечатки на мягком грунте лап позвоночных, разнообразные жилищные постройки, следы линьки и остатки физиологических отправлений древних животных. Этот класс объектов изучает палео-ихнология (от греческого «ихнос»—след).

Представители того или иного вымершего вида могут встречаться в различных по своей протяженности интервалах разреза осадочных отложений, что косвенным образом указывает на продолжительность существования этого вида. Сравнивая закономерности распределения различных организмов во времени, удается установить стратиграфическую ценность каждого из них и обосновать точность, с которой можно измерить продолжительность геологических событий.

Трудом многих поколений палеонтологов создается шкала относительного времени — геологический календарь фанеро-зоя. В несколько упрощенном виде календарь этот показан в табл. 2.

Ископаемые остатки древних растений и животных позволяют выяснить последовательность залегания земных слоев и достаточно точно сопоставить пласты, заключающие окаменелости. По ним можно судить, древнее или моложе тот или иной пласт по сравнению с другим. Остатки организмов укажут, на каком этапе истории Земли образовались изучаемые отложения, позволят соотнести их с определенной строкой геохронологической шкалы. Но если породы «немые», т. е. не содержат ископаемых организмов, этот вопрос решить невозможно. А между тем многокилометровые толщи докембрийских образований лишены окаменелостей. Стало быть, чтобы определить возраст древнейших слоев Земли, необходимы какие-то иные методы, принципиально отличающиеся от традиционных приемов, взятых на вооружение палеонтологией.