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

Магдугалл Дж. Д.

Работы Агассиза и других ученых показали, что Северная Европа, большая часть Великобритании, Канада и северная половина Соединенных Штатов были погребены под слоем льда толщиной в несколько километров в не слишком далеком геологическом прошлом (рис. 12.1). Эти первые исследователи не имели под рукой радиоактивных хронометров и других современных инструментов анализа, и они смогли прийти к заключению, что некогда на Земле был один грандиозный ледяной покров, вероятно, простирающийся от Северного полюса до обитаемых широт Европы и Северной Америки. Они указали на Гренландию как на аналог тех условий, которые они увидели в прошлом для окрестностей Эдинбурга или Монреаля. Сейчас мы знаем на основании деталей геологической летописи, что Ледяной Век прошлых нескольких миллионов лет был гораздо более сложным явлением. Мысль о том, что когда-то существовал единый ледяной щит, простирающийся на юг от полюса, была, конечно, неверной. На самом деле в Северном полушарии было много центров накопления льда в Северной Америке, Европе и Азии, от которых толща льда растекалась во всех направлениях. Мы знаем также, что происходили многочисленные наступления и отступления льда, причем через удивительно правильные интервалы, и что климат в высоких широтах колебался соответствующим образом — от близкого к теперешнему до крайне холодного. В северном полушарии растительные пояса — тундра на севере на границе со льдом, далее к югу — еловые леса, затем листопадные леса,

шагающие по континентам то на север, то на юг, подобно многочисленным армиям, то наступающим, то отступающим по мере того, как в битве отступали или наступали ледники. Около экватора изменения были гораздо менее заметны, но в средних широтах они были поразительны. Самое последнее наступление ледников достигло своего максимума всего лишь около 20 000 лет назад. В это время льды простирались южнее Великих озер в Северной Америке и покрывали Скандинавию, Северную Европу, отдельные части северной России и большую часть Великобритании. Почти треть всей современной суши была под покровом льда. Такие же условия могут возобладать в не слишком отдаленном будущем, поскольку если прошлое может служить проводником в будущее, то наш современный теплый период скоро закончится. Тем не менее, поскольку мы точно не знаем, что именно вызывает оледенение, эта возможность все еще остается в значительной степени умозрительной.

Рис. 12.1. Карта мира, на которой показана область максимального распространения льдов во время последнего оледенения. Протяженность суши за пределами современной береговой линии во время этого пика оледенения, когда уровень океана был на 120 метров ниже, чем теперь, показана серым тоном. Обратите внимание на мост суши между Азией и Северной Америкой. Толстый ледяной покров над континентами показан косой штриховкой, а ледяной покров над водой — точками.

ЛЕДНИКОВАЯ ЛЕТОПИСЬ СУШИ

Как мы видели в предыдущей главе, содержание изотопов кислорода в морской воде зависит как от температуры океанов, так и от объема ледников на континентах. К счастью, как понижение температур, так и образование льда изменяют содержания изотопов в одном направлении, так что даже если оба этих воздействия нельзя разделить в деталях, время наступления ледниковых колебаний очень хорошо документируется. Внезапные изменения, которые произошли около 35 миллионов лет назад, близ границы эоцена с олигоценом, и снова в последние несколько миллионов лет (рис. 11.4), интерпретировались как отражение появления и быстрого роста полярных шапок в антарктическом и арктическом районах соответственно.

Лучше всего, конечно, документировано последнее оледенение в северном полушарии. Данные кислородно-изотопного анализа образцов из глубокого моря показывают, что оно началось уже всерьез около трех миллионов лет назад, и другие данные подтверждают этот вывод. Хотя геология ледниковых эпох уже давно имеет горячих почитателей, только в течение нескольких последних десятилетий были привлечены очень широкие по масштабу и международные силы, чтобы подробно изучить те климатические изменения, которые произошли во время «Великого Ледяного века», и понять их причины. Если существует хоть какая-нибудь надежда предсказать будущий климат и пертурбации его, вносимые деятельностью людей, то очень важно для этого понять хотя бы недавнее прошлое.

Продолжая традицию своих предшественников, геологи, впервые начавшие изучать ледниковые отложения Европы и Северной Америки, пытались организовать свои наблюдения в виде геологических последовательностей. У них еще не было радиоактивных часов, появившихся в последующие годы, и им приходилось полагаться на корреляцию (сопоставление) разных характеристик ледниковых отложений от одной местности к другой, чтобы создать основу в виде относительной временной шкалы. В большинстве мест каждая фаза наступающих ледников стирала признаки предыдущего оледенения, но в некоторых местностях исследователи смогли найти повторяющиеся слои ледниковых отложений, между которыми они нашли почвы, развившиеся в течение свободных ото льда межледниковых эпох, чтобы затем оказаться снова погребенными под нагромождениями обломков, оставленных во время следующего наступления ледника. В Европе и Северной Америке подробная запись этих событий указывала, по-видимому, на существование в прошлом четырех или пяти отдельных периодов, когда льды покрывали большую часть северного полушария. Каждый из них был назван, согласно освященной временем геологической традиции, по местности, где соответствующий геологический разрез особенно хорошо сохранился. Однако в противоположность более древним частям геологической временной шкалы, в Европе и Северной Америке были сохранены различные названия для, видимо, одних и тех же периодов времени — частично по той причине, что в ледниковых отложениях окаменелости встречаются редко и поэтому трудно было осуществить корреляцию отдельных эпизодов через всю Атлантику. В Северной Америке самое последнее наступление ледника названо Висконсинским оледенением; для большей части Европы одновременное с ним оледенение называется Вексельским. Оно началось около 130 тысяч лет назад, а конец его условно помещается на 10 000 лет назад, хотя, как показали данные кислородно-изотопного анализа (рис. 12.4), объем льда начал резко падать вскоре после ледникового максимума около 20 000 лет назад и продолжает уменьшаться вплоть до настоящего времени. Теперь мы знаем, что в течение современного Ледяного века было намного больше отдельных эпизодов наступания и отступания льда, чем четыре или пять, установленные первыми исследователями. По керну глубоководных скважин было установлено целых двадцать циклов. Этот керн, в отличие от ледниковых отложений на континентах, содержит практически непрерывную запись изменений климата на протяжении длинных периодов времени.

Выяснение последовательности последних нескольких наступлений и отступлений ледников на суше было трудным и кропотливым делом. Оно потребовало детального картирования отложений, оставленных ледниками, и поскольку, очевидно, было очень много местных вариаций поведения льдов — например, наступление в одном районе и одновременно отступление в другом, — не всегда легко, оказывается, коррелировать события на больших пространствах. Методика датирования, описанная в главе 6, оказала серьезную помощь, но даже и она не является панацеей, поскольку самый полезный метод — датирование с помощью изотопа углерода 14 — ограничен возрастом около 50 000 лет, который охватывает менее половины последнего ледникового цикла. Что касается большинства других методов, то остается вечная проблема датировки по осадкам, описанная в главе 6: в ледниковых отложениях, как правило, отсутствуют компоненты, образовавшиеся во время выпадения осадка. Это значит, что показатели возраста, измеренные, скажем, для галек в ледниковой морене, не имеют ничего общего со временем оледенения, а представляют время образования материнской (коренной) породы. Но геологи — народ изобретательный, и ими был найден целый ряд других методов, позволяющих измерять возраст ледниковых образований. В западной части Соединенных Штатов вулканы Каскадного хребта (Каскэйд-Рэйндж), например гора Святой Елены, за последние несколько миллионов лет периодически извергались, и тучи пепла, выброшенные во время крупных извержений, оставляли тонкие слои в ледниковых отложениях всего Запада и Среднего Запада Соединенных Штатов. Эти прослои можно датировать с

помощью обычных методов и даже проследить их до их материнских вулканов. Было также открыто, что та самая бомбардировка космическими лучами, которая образует в атмосфере углерод 14, достигает и земной поверхности, хотя и в более слабой форме, и образует радиоактивные изотопы в горных породах. Когда свежерасчищенная коренная порода выходит на дневной свет после погребения под толстым слоем льда, она подвергается облучению этим космическим излучением, и то количество радиоактивных изотопов, которое накапливается в таких образцах породы, является мерой времени, прошедшего после того, как порода освободилась от ледяного покрова. Впоследствии было разработано несколько других более тонких методов датировки, в результате применения которых была построена точная хронология циклов оледенения.

Но что собой конкретно представляют те особенности каменной летописи, которые картируются и датируются, чтобы определить степень и время оледенения в далеком прошлом? Среди них наиболее распространены отложения продуктов разрушения пород ледниками, как, например, ледниковая морена, валунные глины и эрратические валуны — то, что можно наблюдать и сейчас около современных ледников. Эрратические валуны, как показывает их название, сложены горными породами, не имеющими никакого сходства с коренными породами данной местности, в которой они найдены, — например, большие обломки гранита в регионе, где встречаются только известняки. Первые наблюдатели, понимая, что такие валуны должны были иметь свой источник вдали от своего теперешнего местоположения, думали, что они были принесены водой во времена библейского потопа. Джеймс Хаттон, как уже указывалось, одним из первых предположил, что они были принесены ледниками. Валунная глинка, или тиль, — это общий термин, обозначающий неотсортированную смесь обломков пород разного размера — от тонкозернистой почвы и глины до гравия и валунов, — принесенных и отложенных ледниками. Тиль очень распространен по всей северной Европе, северной части Соединенных Штатов и в Канаде и особенно там, где он был рассортирован водными потоками, является источником ценного побочного продукта ледников — песка и гравия, используемых в строительстве. Морена представляет собой тиль, нагроможденный в виде отчетливых насыпей, образовавшихся вдоль краев ледника. Их размеры позволяют представить себе огромность ледников: например, большая часть острова Лонг-Айленд в Нью-Йорке сложена мореной. Эти созданные ледником насыпи определяют и приятный пологий рельеф местности, столь обычный в большей части района Великих озер в Северной Америке.

Большая часть тиля, отложенного огромным континентальным ледяным щитом, происходит из весьма отдаленных источников. Ледники, медленно расплывающиеся во все стороны из регионов с максимальной толщиной ледяного покрова, соскребали по пути всю существовавшую тогда почву и даже часть коренных пород. Таща под собой гравий и обломки пород, они действовали наподобие гигантских листов наждачной бумаги, протягиваемых по местности, сглаживая рельеф в одних местах и подчеркивая его в других, где более мягкие породы были содраны и унесены, а более твердые остались на месте. Оставшиеся после такой обработки ледниковые царапины и штрихи все еще видны на обнаженных поверхностях твердых пород или в рельефе и в наши дни; их размеры колеблются от нескольких сантиметров до нескольких километров или даже больше. Используя аэрофотоснимки и спутниковые фотографии, геологи нанесли на карты ориентировку этих отметок и длинные насыпи моренных отложений, некоторые из которых протягиваются на сотни километров, чтобы выяснить направления течения льда и определить территории с наибольшей толщиной ледяного щита. Такого рода исследования показали, что существовало множество центров — даже в пределах одного континента, например Северной Америки. Когда в каждую межледниковую эпоху льды начинали таять и отступали к таким центрам, они оставляли после себя свой груз песка, гравия и «муки» из дробленых обломков пород и эрратических валунов, а многие местности, находившиеся до этого под покровом ледника, оказывались погребенными под слоем тиля.

В качестве интересного примечания к изучению ледниковых тилей, или валунных глин, отметим, что в нескольких местах на территории Соединенных Штатов они, как оказалось, содержат алмазы. В штатах, расположенных непосредственно к югу от Великих Озер, близ южной границы распространения великих ледяных щитов, в ледниковых отложениях было найдено около восьмидесяти алмазов разного размера. Первые из них были открыты более ста лет назад и очень скоро был сделан вывод, что их принесли ледники откуда-то с севера. Алмазы образуются в глубинах Земли, на глубине 200 километров или более, и выносятся на поверхность вместе с редкими магматическими породами, называемыми кимберлитами. Существование алмазосодержащих тилей говорит о том, что где-то к северу от области Великих Озер существуют выходы кимберлитов — вероятно, поблизости от Гудзонова залива или залива Джеймса. Хотя с тех пор здесь были проведены тщательные поиски на большой территории, никаких признаков кимберлитов не было найдено. Так что где-то в Канадской тундре ждут своего открытия месторождения алмазов.

Лед — не особенно твердый материал, тем не менее трехкилометровая толща льда создает огромную нагрузку на земную кору. Подобно тому как удаление вещества путем эрозии с горных областей вызывает поднятие земной коры (см. об этом в главе 4), увеличение их веса заставляет кору погружаться. Поверхностные породы центральной Гренландии в наши дни грузом лежащей на них ледяной шапки опущены вниз до уровня моря. Плотность льда составляет приблизительно одну треть от плотности пород мантии, поэтому добавление трехкилометрового слоя льда к коре должно вызывать в качестве компенсации опускание ее приблизительно на один километр в нижележащую мантию. В действительности это воздействие может быть и не таким значительным, поскольку мантия, хотя и поддается, является очень вязкой. Поэтому реакция на изменение массы ледникового льда как при погружении, так и при всплытии будет медленной. Тем не менее в Скандинавии, в Северной Америке, вокруг Гудзонова залива, и в других областях с толстым ледяным покровом во время максимума накопления льда кора находилась под особенно большим давлением. По мере отступления льда во время нынешнего межледникового периода кора снова начала подниматься, но медленно. В некоторых местах это поднятие, связанное с отступлением ледника, все еще продолжается. Хотя по мере таяния больших ледниковых щитов уровень океана также быстро поднимался, в большинстве местностей суша освобождалась ото льда быстрее и продолжала подниматься даже после исчезновения льдов, часто образуя при этом ряд приподнятых террасообразно пляжей, прежних береговых линий, которые сейчас располагаются высоко над уровнем моря. Подобно другим характеристикам оледенения, эти бывшие береговые линии были тщательно нанесены на карту и прекрасно показывают, где находились места с наибольшей толщиной ледяного покрова, поскольку они представляют собой области наибольшего погружения, которые именно поэтому оказались наиболее приподнятыми над уровнем моря. Во многих случаях эти приподнятые берега были датированы с помощью изотопа углерод 14 и кусков дерева или другого органического материала, который был на них найден, и по этим данным оказалось возможным рассчитать скорость поднятия. Классическим примером, показанным на рис. 12.2, является Скандинавия. С помощью карт приподнятых берегов и других особенностей были построены овальной формы изолинии высоты поднятия коры, которое произошло после таяния здесь всего льда, что произошло около 10 000 лет назад и все еще продолжается.