Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №10
Шрифт:
Пусть мы имеем горную породу, содержащую соединения урана. Если она остается нераздробленной, то все атомы свинца (в которые постоянно превращаются атомы урана) остаются внутри породы, и в результате уран все более "загрязняется" свинцом. Поскольку, как мы помним, внешние факторы не влияют на скорость этого процесса, степень "загрязнения" будет зависеть только от времени, в течении которого порода оставалась монолитной. Последнее обстоятельство весьма важно: таким способом можно устанавливать время образования изверженных пород, но не осадочных — те всегда разрушены, и уран/свинцовое соотношение в них необратимо нарушено миграцией этих элементов в окружающую среду.
Определять возраст изверженных пород уран-свинцовым методом (впоследствии появились калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и некоторые другие [2]) начали в 1907 году, и очень скоро обнаружили граниты с возрастом 1 млрд лет. По мере дальнейших поисков этот "максимальный известный возраст" быстро увеличивался, пока не достиг 3,5 млрд лет, после чего, несмотря на все усилия, почти не прирастал; древнейшие же из известных минералов были недавно найдены в Австралии — 4,2 млрд лет (известный Сибирский "рекорд" — 4,5 млрд лет — не подтвердился повторными анализами). Значит, Земля никак не моложе 4,2 млрд лет; но, может быть, она еще старше, и породы с возрастом 7 или, скажем, 20 млрд лет просто пока не найдены? Судя по всему, нет — и вот почему. Дело в том, что возраст всех изученных на этот предмет метеоритов составляет 4,5–4,6 млрд лет; возраст всех горных пород, собранных в девяти районах Луны американскими экспедициями "Аполлон" и советскими автоматическими станциями "Луна", также варьирует от 4 до 4,5 млрд лет. Все это свидетельствует о том, что цифра "4,6 млрд лет" верно отражает реальный возраст не только Земли, но и всей Солнечной системы.
Итак, физики преподнесли геологам поистине царский подарок: стало возможным достаточно точно определить время существования Земли и протяженности различных периодов ее истории (палеозоя, мезозоя, и т. д.). Как же отнеслись к этому геологи? Спокойно, если не сказать — равнодушно: дело в том, что к собственно геологическим проблемам все это, как ни странно, имеет весьма косвенное отношение.
Физики мыслят в категориях абсолютного времени: для них существенно, когда именно произошло некое событие, а главная проблема, которую они при этом решают — это проблема часов (ведь распадающийся уран — это, по сути дела, песочные часы хитрой конструкции). Однако совершенно очевидно, что время существует вне зависимости от того, есть ли у нас приборы для его измерения. Во множестве случаев для нас существенна лишь очередность событий ("это произошло после., но до…"), тогда как строгие их датировки куда менее важны; рассказывая о неком происшествии, часто говорят не "в 15 часов", а "после обеда"; не "20 марта", а "как только сошел снег"; не "в 1939 году", а "перед войной" — и в этом есть достаточно глубокий смысл. Любая последовательность событий уже сама по себе является временем — относительным временем. Так вот, геологи всегда работали в мире этого самого относительного времени. Точность, с которой мы можем определить положение некого события на шкале относительного времени, прямо зависит от ее дробности (т. е. числа составляющих шкалу событий) и полноты (события должны распределяться по шкале более или менее равномерно, не оставляя "пустот"). Поэтому геологи видели свою задачу в том, чтобы совершенствовать в указанных направлениях шкалу относительного времени — палеонтологическую летопись (это не художественная метафора, а строгий термин), а не в том, чтобы искать "часы".
Есть два фундаментальных принципа (фактически — это аксиомы, принимаемые без доказательства), которыми пользуются геологи при изучении истории. Во-первых, это принцип Стено, или закон напластования: если один слой (пласт) горных пород лежит на другом, то верхний слой образовался позднее, чем нижний. Во-вторых — принцип Гекели, или закон фаунистических и флористических ассоциаций: слои, содержащие ископаемые остатки одних и тех же видов животных и растений, образовались в одно и то же время. Первый принцип позволяет установить хронологический порядок образования горных пород в одном месте, второй — синхронизировать между собой пласты, залегающие в разных местах (см. рисунок 1, а).
РИСУНОК 1. а — составление сводной стратиграфической шкалы на 5 разрезах; б — образование запрокинутого залегания (линия, складка и эрозия "нормальной" половинки).
Принципы эти, казалось бы, предельно просты, однако при их практическом применении нас подстерегает целый ряд ловушек. Так, исходная последовательность слоев в результате тектонических движений зачастую сминается в более или менее горизонтальные складки. Если в дальнейшем вышележащая половинка складки (с "правильной" последовательностью) окажется полностью уничтоженной эрозией, то установить, что в нашем распоряжении осталось лишь искаженное, запрокинутое залегание слоев, будет весьма непросто (см. рисунок 1, б). Еще большие проблемы возникают с законом фаунистических ассоциаций. Синхронные, но пространственно удаленные фауны всегда будут отличаться друг от друга; в частности — они будут иметь в своем составе разную долю реликтов, унаследованных от предшествующих эпох. Представьте-ка себе, что вам предложено "вслепую" сопоставить выборки из современных фаун млекопитающих Европы и Австралии (со всеми ее сумчатыми и однопроходными); много ли у вас будет оснований для заключения об их синхронности? Сведение множества региональных последовательностей фаун и флор в единую глобальную шкалу — одна из основных задач специального раздела геологии, стратиграфии (от латинского "стратум" — слой).
Трудности, возникающие на этом пути, велики — но вполне преодолимы. Последовательное применение принципов Стено и Гекели (плюс накопление огромного эмпирического материала) позволило геологам уже в самом начале XIX века разделить все отложения на первичные, вторичные, третичные и четвертичные; это деление полностью соответствует современному делению осадочных толщ на палеозойские, мезозойские и кайнозойские (объединяющие два последних подразделения). А к 30-м годам прошлого века в составе этих отложений были выделены и почти все принятые ныне системы (юрская, меловая, каменоугольная и пр.); последняя из них — пермская — была выделена Р.Мурчинсоном в 1841 году.
Так была создана всеобъемлющая шкала относительного времени — геохронологическая шкала — к которой может быть однозначно "привязана" любая содержащая ископаемые осадочная порода. Шкала эта оказалась столь совершенной, что двадцатый век не внес в нее сколь-нибудь существенных корректив, за исключением чисто формального изменения ранга некоторых ее подразделений (в пятидесятые годы единый третичный период был разделен на два — палеогеновый и неогеновый, а ордовик, считавшийся частью силура, получил ранг самостоятельного периода)[3], и лишь снабдил ее подразделения абсолютными датировками. Основная проблема, которую с той поры пришлось решать геологам — это создание такой же шкалы для наиболее древних пород, которые считались "немыми" — т. е. лишенными сколь-нибудь сложных (и, соответственно, диагностичных) ископаемых остатков (рисунок 2, а также форзац).
РИСУНОК 2. Геохронологическая шкала. (Для того, чтобы запомнить последовательность периодов, составляющих фанерозой — кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь, триас, юра, мел, палеоген, неоген, антропоген — студенты испокон веков пользуются мнемонической фразой не вполне педагогичного свойства: "Каждый отдельный студент должен купить поллитра. Ты, Юрик, мал — подожди немного, а то…").
Самыми крупными подразделениями геохронологической шкалы являются зоны; хорошо известные вам палеозой, мезозой и кайнозой — это эры, на которые подразделяется последний из эонов — фанерозой (от греческого "фанерос" — видимый, явный, и "зоэ" — жизнь), начавшийся 0,54 млрд лет назад. Зоны, предшествующие фанерозою, — протерозой (0,54-2,5 млрд лет) и архей (2,5–4,5 млрд лет) — часто объединяют под названием криптозой ("криптос" — по гречески скрытый), или докембрий (кембрий — самый первый период фанерозоя). Фундаментальное разделение геохронологической шкалы на фанерозой и докембрий основано на наличии или отсутствии в соответствующих осадочных породах ископаемых остатков организмов, имевших твердый скелет. Первая половина архея, катархей — время, из которого осадочные породы не известны по причине отсутствия тогда гидросферы.
Последний отрезок докембрия, венд — время появления бесскелетных многоклеточных животных (рисунок 2).
С каждой из единиц, составляющих существующую последовательность осадочных пород, можно однозначное соотнести определенное подразделение временной шкалы
— и наоборот; так, все отложения, образовавшиеся на Земле на протяжении юрского периода, образуют юрскую систему, или просто юру. Системы объединяются в группы (юра входит в состав мезозоя), и делятся на отделы (нижняя, средняя и верхняя юра), ярусы (верхняя юра — на келловей, оксфорд, кимеридж и титон) и, далее, на зоны ("Cardioceras cordatum"); временным же эквивалентом группы является эра, отдела — эпоха, яруса — век, зоны — время (см. рисунок 3). Названия подразделений геохронологической шкалы обычно происходят от той местности, откуда были впервые описаны "эталонные" для этого времени осадочные породы (пермский период, оксфордский век); исключение составляет низшая единица шкалы, всегда называемая по так называемому "руководящему ископаемому", характерному для этого момента геологической истории (время Cardioceras cordatum).