Краткая история планеты Земля. Горы, животные, огонь и лед

Магдугалл Дж. Д.

Тем не менее отнюдь не все изменения флоры и фауны в палеозое вытекали из изменчивости климата, во всяком случае, непосредственно. Так, численность строматолитов, столь широко распространенных в протерозое, постройки которых возникали слой за слоем из водорослевых пленок, или «циновок»; в течение палеозоя резко уменьшилась. Но в этом случае нет никаких признаков того, что это как-то связано с изменениями климата. Наоборот, их упадок большей частью связывается с появлением хищников, питавшихся водорослями, и роющих животных, которые пожирали тонкие водорослевые слои строматолитов, как только те разрастались. Строматолиты нашего времени живут только в очень ограниченной среде, в которой такие хищники отсутствуют или редки.

Многие вымирания, возможно, связаны с изменениями уровня моря, хотя почти нет данных, свидетельствующих о том, что это может быть приложено к трилобитам или строматолитам. Все же даже сравнительно небольшие изменения в уровне океанов могли коренным образом изменить среду обитания вдоль береговых линий океанов или в мелководных внутренних морях. Поэтому они могли вызвать большие перерывы в геологической

истории организмов, живших в такой среде. Но как мы можем узнать что-нибудь об изменениях уровня моря, происходивших сотни миллионов лет назад? Очевидно, что в то время некому было проводить измерения, но опять же, в горных породах есть ключи для решения и этой задачи. Камни рассказали нам одну интересную историю,

и следующий раздел — небольшое отклонение от подробностей истории палеозоя — иллюстрирует ход рассуждений, с помощью которого ученые разыскивают детали подъема и опускания уровня океана.

ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ОКЕАНА

Как показывает каменная летопись, большую часть палеозоя уровень океана относительно континентов был довольно высок. Но при этом происходили его значительные колебания. Море нередко проникало в глубь континентов, но и периодически отступало. Некоторые особенно хорошо документированные свидетельства изменения уровня моря найдены в породах западной части Северной Америки

Ключ к пониманию того, как изменения уровня моря отмечаются на страницах каменной летописи, очень прост: большинство осадочных пород первоначально было отложено в воде, а все водные бассейны накапливают на своем дне какие-нибудь осадки. Под воздействием дождей и эрозии все породы континентов рассыпаются и сносятся вниз; обломки минералов — результат этого процесса — смываются реками в озера и моря, где оседают в виде слоев осадка. Более того, грубозернистый материал выпадает первым, тогда как более тонкие зерна остаются взвешенными в воде и выносятся дальше в море. Таким образом, тип формирующегося осадка зависит от глубины водного бассейна. Имея в виду эти очевидные принципы, можно многое узнать об изменениях уровня океанов, которые происходили в палеозое.

Осадочные породы западной части Северной Америки особенно поучительны в этом отношении, поскольку в самом начале кембрия и в течение всего времени отложения сланцев Берджесс-Шэйл территория, ныне занимаемая Скалистыми горами, располагалась на окраине континента. Реконструкция мировой географии показывает, что в кембрии этот континент был повернут относительно своего нынешнего положения и то, что мы сейчас называем западной частью Северной Америки, фактически лежало на северной окраине континента, рядом с экватором (рис. 7.1). Но для нашего рассказа это несущественно. Главное то, что большая часть западной части континента была весьма устойчивой — там не было ни столкновений с другими плитами, ни вулканизма, приуроченного к областям субдукции океанических плит. Большую часть палеозоя вдоль этой спокойной континентальной окраины откладывались осадки. Если вам когда-либо доводилось бывать в Большом Каньоне, вы видели результаты этого процесса: горизонтально залегающие пласты пород, слагающие большую часть стен карьера, простираются во времени от кембрия до перми (пермского периода), то есть охватывают всю палеозойскую эру. А если вы посмотрите внимательно, то заметите, что стены каньона сложены различными породами, каждая из которых представляет в разрезе особую среду осадкообразования. По существу, часть красоты этого каньона обусловлена именно этим разнообразием пород, поскольку каждая из них эродируется особым образом, так что одни из них образуют уступы и крутые обрывы, другие дают при выветривании более мягкие склоны. Не так очевиден случайному наблюдателю тот факт, что в последовательности осадков, наблюдающейся в стенках каньона, имеются большие перерывы, соответствующие значительным периодам времени в течение палеозоя, которые не представлены какими-либо породами. Как эти отсутствующие части разреза, так и изменчивость типов пород являются, по крайней мере частично, результатом флуктуации уровня моря в палеозое.

Совершенно очевидно, что на окраинах континентов наиболее распространенным типом осадков является песок. Вдоль большей части морских побережий вам не нужно далеко ехать или идти, чтобы найти песчаный пляж, хотя бы маленький. Берега представляют собой активное место, где океанские волны дают массу энергии для переноса и сортировки материала, приносимого к ним реками; тонкозернистые осадки типа глины, являющейся главным минералом сланцев, просто не накапливаются в таких местах. Сравнительно грубозернистый песок откладывается у берега, в то время как более мелкие частицы остаются во взвешенном состоянии (в суспензии) в воде и переносятся в более глубокие и спокойные воды, где они медленно оседают на дно в виде ила, который в течение долгих периодов времени затвердевает, превращаясь в глинистый сланец. Еще дальше от берега большая часть тонкозернистого материала уже выпала в осадок из водной толщи; здесь основная масса накапливающегося осадка состоит главным образом из остатков морских организмов, живших близ морской поверхности и формировавших свои раковинки или скелеты из карбоната кальция. Такие отложения в конце концов превращаются в известняки. Таким образом, если бы вы захотели изучить последовательность типов осадков, начиная от береговой линии, в сторону моря и не в одном месте, а во многих местах берега, вы обнаружили бы одну и ту же последовательность, состоящую из песка, ила или (дальше от берега) глинистого сланца и, наконец, осадка, состоящего в основном из карбоната кальция. А теперь представьте себе, что бы получилось, если бы уровень моря стал повышаться. Вся последовательность осадков сдвинулась бы в сторону континента. Песчаные осадки прежней береговой линии располагались бы дальше от края моря, в более глубокой воде.

Глинистый сланец отлагался бы поверх песчаных слоев. Дальнейшее поднятие уровня моря привело бы к тому, что прежняя береговая линия оказалась бы на еще большей глубине и на сланец стал бы отлагаться осадок, богатый карбонатом кальция. Таким образом, последовательность осадков (от берега к глубоким водам) песчаник — сланец-известняк стала бы с течением времени вертикальной последовательностью тех же пород для положения старой береговой линии. Это именно то, что наблюдается в Большом Каньоне. Но можем ли мы действительно применить принцип актуализма и интерпретировать вертикальную последовательность Большого Каньона как результат постепенного изменения глубины воды вдоль края палеозойского континента? Ответом на этот вопрос будет решительное «да», поскольку на протяжении всей западной части Северной Америки одна и та же последовательность пород наблюдается как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Геологические карты, составленные для какого-нибудь определенного момента времени, показывают почти одинаковую последовательность типов осадочных пород сходную с той, что и сейчас можно наблюдать вдоль береговых линий, как, например, на Золотом Берегу в Соединенных Штатах: песчаник — глинистый сланец-известняк (в направлении с востока на запад). Карты, составленные для более ранних или более поздних моментов времени, показывают ту же последовательность, но сдвинутую географически, что отражает факт поднятия и опускания уровня моря, при которых береговая линия мигрировала на восток и на запад. Эти особенности геологического разреза схематически показаны на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Распределение песчаников, сланцев и известняков в западной части Соединенных Штатов, показанное на карте (слева),, отражает распределение глубины моря в некоторый момент геологического времени в начале палеозойской эры. Песчаники отмечают положение края континента, более глубокие воды располагались западнее. В приведенном поперечном разрезе (показанном здесь в увеличенном вертикальном масштабе) возраст пород увеличивается сверху вниз, а горизонтальная поверхность (на рисунке ей соответствует горизонтальная линия) отмечает распределение типов пород в конкретный момент времени. Таким образом, можно видеть, что береговая линия постепенно передвигалась с запада на восток. Приводится с изменениями по рисункам 19-3 и 19-4 из книги: С. В. Барнз «Земля, время и жизнь». Изд-во «Джон Уайли и Сыновья», 1988. Использовано с разрешения.

Но даже если эти наблюдения принять как свидетельство поднятия и опускания уровня моря, то все еще остается вопрос: а что же на самом деле происходило — поднимался или опускался континент, или же изменялся абсолютный уровень моря? В конце концов, смена осадков регистрирует только относительные изменения, а мы знаем, что континенты испытывают вертикальные движения — породы на вершинах высоких гор, таких как Альпы или Скалистые горы, часто содержат ископаемые остатки существ, живших в океане, а мы знаем, что океаны никогда не были столь глубокими. И тем не менее вопрос об истинном уровне океана и его изменениях мог бы быть убедительно решен, если бы данные, подобные только что описанным для западной части Северной Америки, были бы получены для пород того же возраста, но из других географически широко распространенных регионов. Геологи довольно подробно нанесли на карты распространение различных типов осадочных пород почти на всем земном шаре; в результате синтеза этих данных в настоящее время достигнут довольно высокий уровень понимания как степени, так и времени глобальных изменений уровня Мирового океана на протяжении всего фанерозоя. Итог всей этой информации для палеозойской эры подведен на рисунке данной главы, где показаны временная шкала и главнейшие события этой эры. Из этого рисунка очевидно, что на протяжении всей этой эры уровень океана был высок.

Если каменная летопись говорит о больших изменениях уровня океанов, то возникает очевидный вопрос — почему? Насколько нам сейчас известно, существует, в сущности, только две возможности: в прошлом могли происходить изменения либо объема самой воды в океанах, либо тех образований, которые замещают воду, как, например, континенты, острова или океанские хребты. Например, мы знаем, что ледниковые периоды характеризуются понижением уровня моря, поскольку большие количества воды, находящейся на суше, связаны в виде ледниковых щитов. Было подсчитано, что в период наибольшего продвижения ледового покрова на суше, приблизительно 20 000 лет назад, уровень моря был ниже, чем сейчас, более чем на 100 метров. И хотя большая часть этой массы льда растаяла, на Земле остается большое количество замерзшей воды в виде ледяных покровов вокруг полюсов. Если бы они растаяли, то уровень моря поднялся бы на 65 метров. Может быть, это звучит не так уж грозно, но вспомним, что значительная часть населения Земли живет вдоль берегов морей и океанов. Город Мехико при такой катастрофе уцелел бы, но большая часть таких городов, как Лос-Анджелес, Нью-Йорк, Токио и Берлин — назовем лишь несколько для примера — подверглась бы затоплению.

Хотя оледенения сильно влияют на уровень моря, большая часть его колебаний, которые отразились в палеозойских породах, не приходится на те моменты, для которых имеются независимые свидетельства глобальных оледенений. Очень вероятно, что они обусловлены изменениями объема океанических хребтов. Как описано в главе 5, вдоль продольных разломов в океанических хребтах изливается горячая магма, создавая новое океанское дно. Когда средняя скорость расширения морского дна увеличивается, — то ли потому, что образуются новые сегменты хребта, то ли оттого, что старые расширяются быстрее, — объем системы океанических хребтов в целом также возрастает. Примерно то же произойдет, если бросить кирпич в ведро с водой — уровень воды поднимется в соответствии с объемом кирпича. Кажется вероятным, что общий высокий уровень океана в палеозое обусловлен системой океанических хребтов, объем которой в целом был больше, чем теперь.