Читая каменную летопись Земли...

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.

Любое место на земном шаре, кроме разве что крутых и отвесных склонов гор или жерла огнедышащего вулкана, пригодно для седиментации (осадкообразования). Собственно, оно и осуществляется на любом участке земной поверхности, под водой (в том числе в глубоководных впадинах океана), в пещерах и даже подо льдами Антарктиды, сползающими на шельф и перекрывающими здесь огромные площади. Процессы накопления и аутигенеза (формирования in situ) осадков чрезвычайно многообразны и определяются той средой, в которой они реализуются. Осадки же обычно хранят память о той обстановке, где произошло их образование. Она запечатлена в мельчайших деталях внутреннего строения и во многих внешних признаках. Их совокупность именуется текстурой осадка или породы. Как у взрослого человека сохраняются черты, присущие ему в детстве, так по прошествии десятков и сотен миллионов лет в осадочной породе можно найти признаки, которые сложились на стадии осадка. Подобные сравнения можно продолжить. Каждому человеку присущи конкретные генетические особенности, по которым можно судить о его национальности. Так и осадочные породы. Те, что отложены в океане, ничего общего не имеют с речными или болотными осадками, а ледниковые наносы, громоздящиеся в конечных моренах Русской равнины, выглядят совершенно иначе, нежели барханные пески в пустыне. Ни один специалист по осадочным породам не даст ответа на вопрос: сколько разновидностей осадочных пород существует на Земле? Дело не только в том, что литология как наука находится в постоянном развитии и чуть ли не каждый год открывается какое-нибудь новое осадочное образование. Основная сложность заключается в различии подходов к выделению и классификации осадочных пород. В данной области знания еще не сложилась такая система, которую разработал Карл Линней в отношении животного и растительного мира, выделив типы, классы, отряды, роды, виды и подвиды.

В этом разделе мы не будем рассматривать классификацию осадков и производных от них пород. Нас интересует другое — как по нескольким признакам установить происхождение камня. Та отрасль геологического знания, которая занимается воссозданием древних обстановок седиментации и на их основе реконструирует облик древних континентов, очертания морей и условия обитания вымершей фауны и флоры, называется палеогеографией. Единственным источником информации, лежащей в основе палеогеографических построений, являются осадочные толщи и слагающие их породы. Взаимоотношение тех и других в пространстве и во времени (как говорят геологи, в разрезе) позволяет судить о трансгрессиях и регрессиях моря, об аридизации климата и о связанном с этим процессом разрастании древних пустынь или, напротив, о его изменениях в сторону большей гумидности, о продвижении ледников и многом другом.

Метод актуализма, или Занавес приподнимается

Историки говорят: чтобы понять настоящее, надо знать прошлое. Однако в геологии оказалось верным и обратное положение: понять прошлое можно, только изучив настоящее. Действительно, как реконструировать древние ландшафты, климаты и обстановки по осадочным породам, если не иметь представления о том, где и в каких условиях накапливаются подобные или близкие к ним образования? Как, например, отличить ледниковые континентальные наносы от отложений пустынь и полупустынь, а береговые осадки от отложений морских глубин?

Надо сказать, что знания в этой области начали накапливаться уже на ранних этапах хозяйственной деятельности людей. Тот, кто рос в деревне или проводил лето на даче, прекрасно знает, что пески в средней полосе концентрируются на пляжах по берегам рек. Ими же сложено дно на участках с быстрым течением. Напротив, в зарастающих руслах — старицах ступать по дну неприятно, так как оно сложено вязким илистым осадком. Тем же, кто побывал на море, известно, что галькой и камешками выложены многие морские пляжи, а под береговыми уступами лежат валуны и каменные плиты, что песчаное дно в прозрачной воде изрыто выемками, которые вместе с разделяющими их валиками делают поверхность дна похожей на пчелиные соты. Горцы обладают иным запасом знаний, а бедуины — обитатели пустыни — легко отличают мигрирующие дюны от стоячих и висячих их разновидностей и знают, что в сухих руслах (вади, или уэдд) можно провалиться в песок и утонуть в потоке грунтовых вод, который не виден с поверхности.

Все эти знания, систематизированные и углубленные, составляют предмет седиментологии (от англ. sediment — осадок) — науки, изучающей процессы переноса и отложения осадочных частиц на поверхности Земли или вблизи нее. В ведение этой дисциплины входит исследование процессов разрушения берегов, заиливания судоходных каналов и русел, выявление участков, опасных в связи с возможным сходом селевых лавин или образованием оползней, и многое другое. В этом большое практическое значение седиментологии. Кроме того, она дает ключ для расшифровки древних обстановок формирования осадков, что, в свою очередь, позволяет судить о палеоландшафтах и палеоклиматах. В арсенале седиментологов — богатый набор инструментов и методов. С помощью ударных, поршневых и вибротрубок они отбирают пробы осадков в самых разнообразных обстановках; устанавливают на суше и в толще воды специальные седиментационные ловушки; погружаются на океанское дно в обитаемых подводных аппаратах; изучают содержимое донных тралов и драгируют крутые уступы на склонах подводных гор и в подводных каньонах; замеряют силу и направление течений, волн, гравитационных потоков. С помощью нефелометров оценивают объем взвеси, транспортируемой течениями и потоками; изучают распространение помеченных краской или радиоизотопами осадочных зерен и т. д. Седиментологи научились моделировать многие геологические процессы в лабораторных условиях и успешно пользуются этим методом. К их заслугам относится открытие ряда неизвестных ранее явлений, играющих важную роль в формировании многих аккумулятивных форм на речном, морском и океанском дне.

Метод, использующий различные признаки и характеристики осадков, накапливающихся в тех или иных современных обстановках седиментогенеза, для объяснения геологических ситуаций прошлых эпох получил название метода актуализма. Несмотря на то что он был разработан и применен Ч. Лайелем еще в прошлом веке, споры о его пригодности для анализа палеообстановок ведутся до сих пор. Многие геологи продолжают считать, что геологическая история Земли необратима и тождества условий, существовавших в протерозое, силуре, юре, мелу и господствующих в современную эпоху, не было и не могло быть. Собственно говоря, никто и не оспаривает это утверждение. Многое, в частности взаиморасположение материков, климата, систем атмосферных и океанских течений, состав биоты и атмосферы, действительно было специфично для того или иного отрезка геологического времени. Как ныне установлено, менялись даже параметры земной орбиты, что также влекло определенные геологические и другие последствия. Более того, отчетливо выделяются так называемые талассократические эпохи в развитии Земли, когда большая часть континентов была погружена в морские воды, в противовес теократическим эпохам, которые характеризовались отступлением моря и осушением большей части шельфов. Различаются также спокойные и бурные в тектоническом отношении временные интервалы. Последние получили название тектонических фаз. С ними были связаны широкомасштабные горообразовательные процессы, высокая сейсмичность и обилие вулканических продуктов, выброшенных из недр Земли.

Однако во все времена текли по суше реки, ветры разносили песок и разгоняли в море штормовые волны, на крутых склонах гор возникали оползни, а под водой на континентальном склоне еще и мутьевые течения. Действовали и приливные силы. Все эти геологические агенты увлекали массы осадочных частиц, перемещали их на разные расстояния. С каждым конкретным геологическим агентом всегда был связан определенный тип (типы) накопленных осадков, обладающих только для них характерными чертами. В соответствии с генезисом выделяются аллювиальные (речные), эоловые (отложенные ветром), приливно-отливные, штормовые (волновые), пролювиальные (отложенные горными водными потоками, вырвавшимися на равнину), ледниковые (гляциальные) и другие отложения.