Новые методы исторической геологии

Новые методы исторической геологии

Одно и то же явление существенно изменяет свой характер в зависимости от времени, в котором оно протекает, и это особенно важно тогда, когда мы имеем дело с геологическим или астрономическим временем огромной длительности.

Самый простой способ определения геологического времени при помощи палеонтологии — по остаткам ископаемых животных и растений неточен и страдает многими существенными недостатками.

Применение новейших методов физики и химии в исторической геологии составляет главный стержень будущего этой науки и прежде всего открывает новые возможности в измерении геологического времени.

Уже довольно давно известен способ исчисления абсолютного геологического времени по радиоактивному распаду содержащихся в некоторых редких минералах урана или тория и превращения их или радия в свинец и гелий. Этот способ дал возможность впервые вычислить возраст Земли и грубо определить относительную длительность важнейших периодов геологической истории земной коры.

С дальнейшим развитием физики выяснилось, что почти каждый химический элемент имеет по несколько изотопов — разновидностей с одинаковыми зарядами ядер. Многие изотопы радиоактивны и могут служить для измерения абсолютного времени по скорости своего распада. Уже применяются и служат проверкой урановых геологических часов изотопы калия, рубидии и углерода.

Но радиоактивные вещества распадаются с различной скоростью. Поэтому, если время их возникновения, появления в данной горной породе, морском осадке, животных или растительных остатках было не настолько древним, чтобы элемент мог успеть нацело распасться, мы можем измерять с довольно большой точностью разные отрезки геологического времени.

Например, радиоактивный C 14, возникающий под воздействием космического излучения в верхних слоях атмосферы из обычного C 12, распадается наполовину или, как говорят физики, обладает периодом полураспада в 18 тыс. лет. Очевидно, что этим изотопом мы можем измерять время геологически недавнее, а исторически очень древнее. Так, с помощью анализов был установлен возраст костей мастодонтов, древесины в ископаемых торфяниках, предметов материальной культуры человека разных народов и времен, вещей в гробницах фараонов, зерен пшеницы из Вавилона и т. д. Полученные цифры показали малое расхождение с историческими свидетельствами, например, с датами древнеегипетской истории, вычисленными астрономически по указаниям на затмения Солнца, луны и восхождения звезд.

Радиоактивный изотоп ионий обладает периодом полураспада в 300 тыс. лет и может послужить для измерения геологических отложений позднечетвертичного времени. С помощью иония ведутся любопытные работы по определению возраста осадков на дне ряда морей и океанов, показавшие, как относительно недавно появились некоторые океанские образования.

Как бы ни были еще несовершенны эти методы, очевидно, что за ними огромное будущее. С развитием физико-химических исследований удастся подобрать большое количество изотопов с самыми различными периодами полураспада, с помощью которых мы измерим геологическое время в разных эпохах прошлого Земли. Значение этого для познания истории Земли и жизни не требует пояснения.

Не только время может быть измерено при помощи радиоактивных изотопов. Изотопический состав какого-либо элемента, иными словами, процентное соотношение разных его изотопов в каком-либо минеральном образовании (руде, горной породе и т. п.) может многое сказать нам об условиях, в которых образовывался минерал.

Недавно разработан способ определения температуры окружающей среды по содержанию радиоактивного изотопа O 18. Пользуясь этим, еще ждущим дальнейшего усовершенствования методом, мы можем, например, по ископаемым раковинам моллюсков, некогда обитавших в древнем море, установить его температуру. Нет сомнения, что физические методы определения времени, температуры, даже освещенности и давления будут сильно усовершенствованы. Тогда отложения горных пород и окаменелые палеонтологические остатки заговорят для нас совершенно иным языком — не косвенных сопоставлений и удачных догадок, а прямыми указаниями на период времени и общие физические условия, при которых они формировались.

Такова роль физики радиоактивных веществ и вообще физико-химии изотопов в будущем для геологии. Но не только этот раздел физики приобретает важное значение для познания нашей планеты. Разнообразные геофизические исследования уже сейчас подходят к решению больших задач геологии. Пока единственным способом познания глубин Земли является изучение преломления и отражения поперечных сейсмических волн. Эти колебания земной массы возникают в результате землетрясений и, пронизывая всю толщу земли, ведут себя по-разному на разных глубинах. По характеру прохождения волн можно судить о физическом состоянии и строении вещества, залегающего в недоступных недрах планеты на глубинах в тысячи километров. Можно производить искусственные сильные сотрясения с образованием поперечных сейсмических волн путем взрывов.

Менее глубокие зоны земной коры изучаются другими способами. Наблюдения над качанием очень чувствительных маятников, тщательно изолированных от всех внешних воздействий, устанавливают разницу между силой тяжести, вернее, ускорением силы тяжести в различных участках земной коры. По этому мы можем судить о различной плотности и других свойствах пород, образующих земную кору на глубинах до 120 км. Такие же и еще большие глубины достижимы для электрических зондирований земной коры постоянным током, которые также подводят нас к представлению о строении пород в основании гранитного слоя. Методы электрического и маятникового исследования еще несовершенны, однако дальнейшая работа в этом направлении обещает интересные открытия.

Еще в 1944 году я написал фантастическую повесть «Тень минувшего», высказав в ней, казалось, совершенно невозможную идею о существовании световых отпечатков-фотографий на поверхности различных слоев земной коры. Прослеживая отпечатки и перенося их на обычную фотографию, герой повести, ученый Никитин, получил изображения неслыханной древности — берега силурийского моря, каменноугольного болота, гигантского хищного динозавра…

Через два года оказалось, что идея отпечатков на поверхности горных пород не столь уже «безумна», так как физиком Габором была разработана теория голографии, т. е. как раз получение изображений в натуральных цветах без помощи фотоаппаратов и пластинок. Практическая неосуществимость голографии (как и «теней минувшего» в моей повести) вызывалась отсутствием в те годы достаточно мощного источника света. Теперь, с изобретением лазера, голография становится осуществимой, и кто может поручиться, что несколько лет спустя геологи в самом деле не станут, проявлять «тени минувшего» в осадочных горных породах,

К физическим исследованиям Земли как планеты, небесного тела примыкает астрофизика. Изучение развития разновозрастных планет, звезд, метеоритов дает нам возможность в известной мере восстановить ту часть истории Земли, которая не записана в геологической летописи — слоях земной коры и относится к эпохе начального образования Земли.

Понимая все глубже строение Солнца и работу его энергетической машины — ядерных реакций и превращений, мы подходим к представлениям о том, что работа этой атомно-энергетической машины теснейшим образом связана с жизненными процессами в биосфере. Влияние солнечных вспышек на здоровье и психику людей, на размножение бактерий и вирусов только сейчас становится понятным. Многие стихийные бедствия, эпизоотии, ураганы и смерчи связаны с деятельностью Солнца и, следовательно, в прошлом также могли отражаться на истории Земли и особенно ее живом населении. Периоды большего разогрева Солнца сопровождаются холодными, ледниковыми эпохами, как это имеет место в настоящее время. Метеорологи объясняют нам, как от усиления нагрева возрастает количество водяных паров. Состав атмосферы изменяется таким образом, что усиливается отражение излучения Солнца и общий климат Земли становится холоднее, несмотря на сильный нагрев самых верхних слоев атмосферы.

Восстановление истории солнечной радиации имеет первостепенное значение для истории Земли и жизни.

Такова в общих слоях перспектива познаний геологии методами физических наук. Здесь взяты лишь некоторые, кажущиеся сейчас главными из всего обилия намечающихся в последнее время задач и вопросов. Нет никакого сомнения, что действительные возможности открытий и разных путей исследования гораздо более широки. Но и в изучении непосредственного материала исторической геологии — геологической летописи как совокупности слоев земной коры, скрыто неисчерпаемое разнообразие.

Тонкие химические, спектроскопические и оптические анализы минералов, слагающих изверженные или метаморфические горные породы, приводят к определению температуры и давления в условиях образования пород. Изучение редких минералов и элементов дает пространственное распределение вулканических очагов и тех географических провинций, в которых образовывались эти породы. Осадочные породы таят в себе еще больше письмен земной истории.

Химический состав пород, размеры и формы зерен, содержание различных минералов, окраска, так же как и характер залегания и форма напластования отдельных слоев — все это требует подробнейшего изучения, так как отвечает на очень серьезные вопросы истории Земли. Остатки древней жизни — окаменелости также могут дать очень много для понимания условий образования горных пород.

Приведем примеры. Очень кропотливые, требующие большой настойчивости и терпения исследования были проведены на Урале известным советским геологом А. В. Хабаковым. Вдоль западного склона Урала на сотни километров тянутся выходы громадной серии пластов около 5 км толщины (мощности) древних конгломератов нижнепермской эпохи. Конгломератом называется порода, по существу представляющая окаменевший галечник — смесь галек и песка, превратившегося в крепкий песчаник. В песчанике сохранились следы очень тонких прослоек, располагающихся в породе в разных направлениях и называемых косой слоистостью. Профессор Хабаков произвел тысячи измерений этих маленьких прослоек и определил общее направление тех давно исчезнувших потоков, которые стекали с Уральского хребта 220 млн. лет тому назад, отлагая конгломераты.

Затем А. В. Хабаков со своими помощниками измерил расположение многих тысяч галек и валунов, произвел статистические подсчеты изменения формы галек, установил, как изменяется в определенном направлении величина галек разной крепости. Все эти измерения позволили А. В. Хабакову рассчитать, что вековая средняя скорость рек и потоков была около 2–3 м в секунду при довольно крутом уклоне русла. Предельная длина рек определилась в 90 км, средняя — в 70 км. Умножив среднюю длину рек на величину уклона русла, можно высчитать среднюю высоту Уральского хребта 220 млн. лет тому назад. Полученная высота гор — 2900 м. Следовательно, в отдаленную эпоху земной истории Уральский хребет был высоким горным кряжем!

Очень многие видели или нащупывали ногами во время купания на песчаном дне реки или морского пляжа ряды маленьких невысоких гребешков, изгибающихся в различных направлениях, но всегда параллельных друг другу. Это значки ряби — следы течения воды или движения волн. Очень похожие гребешки образуются от ветра и на поверхности песков, но их можно отличить от знаков водной ряби по профилю каждого отдельного гребешка.

Там, где открыты большие поверхности напластований горных пород, покрытых знаками ряби (например, во многих подмосковных каменоломнях есть такие песчаники каменноугольного периода), тщательные и многочисленные измерения направлений и ориентировки склонов гребешков ряби дадут там точные направления течений или ветра.

Так определили по плитам песчаника, образовавшегося из прибрежных песков в нижнепермскую эпоху (230 млн. лет назад), распределение тогдашних ветров. Составленная карта распределения ветров была передана метеорологам и там вычислили, где в то время находились горы, где равнина; установили их приблизительные размеры и расстояние до моря.

Так, по ничтожным, казалось бы, знакам на горных породах были восстановлены ветры, дувшие на берегу давно исчезнувшего моря, с гор, рассыпавшихся в песок 200 млн. лег тому назад!

Расположение и сохранность окаменелостей в горных породах являются для геолога знаками, письменами давно прошедших событий. В очень древних сланцах, известняках и песчаниках, образовавшихся в море нижнесилурийского времени около 400 млн. лет назад, находится множество остатков странных животных граптолитов. По образу жизни граптолиты были подобны современным свободно плавающим колониям морских животных — сифонофор, внешне схожих с медузами. Подобно сифонофорам, граптолиты двигались по направлениям морских течений и ветров в море. Многолетние измерения остатков граптолитов в разных местах, где находились нижнесилурийские морские отложения, дали картину их кольцевого расположения на огромном пространстве, центр которого оказался занятым кремнистыми сланцами, прежде бывшими глубоководными морскими илами. Здесь, в середине, воды моря были неподвижны, но вокруг существовал круговорот течений, приносивших и накоплявших остатки граптолитов. Оказалось, что на этом месте 400 млн. лет назад существовало глубокое море, окаймленное кругом течений, подобное теперешнему Саргассову морю в Атлантическом океане. В этом море середина тоже занята неподвижной массой густых водорослей, а течения вокруг приносят медуз, сифонофор и других не передвигающихся самостоятельно морских животных, стволы деревьев из тропических лесов, полузатонувшие обломки кораблей.

Мало этого, известно, что органы передвижения — газовые «колпаки» сифонофор отличаются асимметричными очертаниями. Это приспособление отбрасывает несомую течением сифонофору в краевую зону и не дает сразу загнать колонию животных в стоячие бухты или воды типа Саргассова моря, где она неминуемо погибнет, так как не сможет выбраться оттуда. Сила, отбрасывающая сифонофору, та же самая, что заставляет реки размывать один берег (правый или левый в зависимости от полушария планеты). Своим возникновением она обязана вращению Земли и называется Кориолисовой силой. Соответственно разному направлению действия Кориолисовой силы в Южном и Северном полушарии сифонофоры севера и юга различаются зеркально противоположной асимметрией несущих колпаков! Изучая асимметрию несущих. органов у граптолитов, есть возможность определить, откуда они явились, и также восстановить морские течения четырехсотмиллионлетней давности.

Детальное изучение всех «письмен» и «знаков», оставшихся в пластах земной коры от событий давно прошедших времен, от отдельного слоя к целым их толщам и от одного выхода к систематическому обследованию обширных пространств, дает нам возможность восстановить историю целых морей, озер и других элементов земных ландшафтов.

Но для того, чтобы понять значение письмен геологической летописи и разобраться в очерчиваемой ими общей картине, необходимо подробнейшим образом знать все детали проявления геологических процессов в настоящее время. Без изучения современных процессов мы не сможем вникнуть в детали явлений и понять даже в общих чертах те отличия, которыми характеризуется прошлое.

Выше уже говорилось, что наша планета отличается обилием воды — семь десятых ее поверхности залиты водой. Вода на земле размывает, разрушает материк и является главнейшей средой отложения осадочных горных пород.

С развитием геологических знаний мы приходим к выводу, что почти вся основная масса слоистых пород геологической летописи была отложена в воде. Поэтому очень важно проводить исследование дна морей и океанов с теми осадками, которые отложены на нем в геологически недавнее время, изучать устья больших рек, крупных озер и выяснять, в каких условиях накопляются в них осадки.

Океанические исследования при современной технике проникают в недоступные глубины не только вод океана, но и в его осадки. Скоростные методы исследований — ультразвуковое зондирование, определение радиоактивности, эхографы для записи кривой рельефа дна, быстроходные лебедки для подъема проб — позволяют обследовать огромные пространства.

Последние открытия океанологии дают более точные объяснения явлениям, встреченным в геологическом прошлом. Например, изучение дна Средиземного и Карибского морей, равно как и Индийского океана, показало, что огромные площади дна заняты вулканическими лавами и пеплами, неоднократно переслаивающимися с нормальными морскими осадками. В центральной части Средиземного моря дно перекрыто несколькими слоями вулканических туфов, чередующимися с морскими илами.

Становится понятным, в каких условиях отложены мощные толщи древних лав и туфов с глинистыми и кремнистыми сланцами на огромных пространствах Восточной Сибири. Подобные отложения, в которых переслаиваются лавы и обычные осадки, очень часто встречаются в геологической практике.

Открытие подводных каньонов — глубоко врезанных в материковые склоны подводных речных долин, заходящих на тлубины до 4 км, привело к пониманию, каким образом среди типичных морских осадков могут залегать отложения речного, материкового типа с остатками наземных животных и растений нагромождениями древесных стволов и скоплениями костей.

Можно предполагать, что многие толщи материковых отложений, сохранившиеся от древних эпох геологического прошлого, скопились в образованиях типа подводных каньонов.

Вместе с тем современные подводные каньоны указывают на значительные колебания уровня океанов или высоты материков, происходившие в очень недавнее геологическое время. О том же говорят так называемые плосковерхие банки Тихого океана — обширные подводные плоскогорья, поверхность которых находится на глубине около 2 тыс. метров.

Плоскогорья как формы рельефа не могли образоваться в неподвижной воде глубокого океана и представляют собой наземные образования, недавно погруженные под уровень моря.

Все эти наблюдения говорят о том, что значительные колебания земного рельефа это не только медленные процессы, происходившие в течение миллионов лет, а и гораздо более быстрые изменения. Непосредственные наблюдения над поднятием гор Азии и Кавказа, произведенные с помощью геодезических методов, подтверждают данные геологии моря.

Здесь уместно еще раз вернуться к научной фантастике. В 1930 году, почти сорок лет назад, в статье о новых методах изучения геологии морского дна были поставлены вопросы об извлечении коренных пород из океанических впадин, подводном фотографировании выходов этих пород и робко намекалось об использовании в отдаленном будущем телевизора. Статья, посланная в известный тогда теоретический немецкий журнал «Геологише Рундшау», была немедленно забракована крупнейшим специалистом по геологии морского дна Отто Пратье, Ученый утверждал, что мои измышления лишены всякого серьезного основания, потому что глубины морей не имеют течений и дно океанических впадин сплошь покрыто толстым слоем ила, без каких-либо выходов коренных пород. Я «утешил» себя много позже, написав фантастический рассказ «Атолл Факаофо» об использовании телевизора в изучении океанских глубин вместе с «лапами» для отрыва кусков коренных пород. Теперь этот рассказ уже не фантастика. Подводные телевизоры, кино и фотокамеры действуют вовсю, глубинные подводные лодки скоро начнут, геологическую съемку дна океана, а драги ниших советских океанологических кораблей уже вытащили на поверхность образцы горных пород из обрывов скал на многокилометровой глубине. В недалеком будущем изучение истории Земли и жизни достигнет еще более грандиозных успехов.

Определив геологическое время в самые различные эпохи земной истории, мы вычислим скорость образования углей, руд, солей, выразим цифрами темпы эволюции разных групп животных и растений, после чего удастся точно связать геологические процессы и изменения органического мира. Это сделает не только неоспоримой причинную связь между теми и другими, но и даст возможностъ понять, как отражаются на живом населении изменения условий существования.

Другими изотопами мы измерим температуры давно исчезнувших морей, глубин мрачных каменноугольных лесов, жарких южных степей четвертичного времени. Выясним условия освещенности земной поверхности и характер ее колебаний (с преобладанием то ультрафиолетовой, то рентгеновской или инфракрасной радиации), отражавшихся на климатических особенностях и жизни. На основе геологической истории палеонтологические изыскания приобретут большую точность и сравняются с другими биологическими науками.

Множество сейсмических станций будут прослушивать сердце земного шара, улавливая естественные волны землетрясения. Будут созданы специальные приборы интерферометры и «телескопы» сейсмических волн, которые раскроют тысячекилометровые глубины планеты, будто сказочный луч, делавший прозрачными камни. Глубокие зондирования земной коры электротоком и маятниками создадут ясное представление о строении фундаментов материков, дна океанических впадин, глубин залегания вулканических очагов, цоколей горных сооружений, помогут проследить рудообразование, без чего не сможет обойтись практическая геология будущего.

Глубокие подводные ущелья в склонах материков, где в океанских пучинах захороняются продукты разрушения и остатки наземной жизни, огромные дельты, накопляющие тысячеметровые толщи выносимых реками осадков, тектонические провалы, окаймленные барьерными рифами или вулканическими островами, широкие подводные разливы лав — вот те исполинские лаборатории природы, в которых создается сейчас геологическая летопись современной эпохи. Проникнув в тайны этих лабораторий, мы обратимся к прошлому.

Десятки тысяч химических анализов, наблюдений над залеганием слоев, расшифровка множества знаков геологических процессов прошлого в осадочных породах — все это восстановит для нас течения исчезнувших морей; глубины бухт и заливов (на месте которых сейчас высятся горные кряжи); полет ураганов, случавшихся десятки и сотни миллионов лет назад; движение ледников на заре геологической истории и многое, многое другое.

Задача исследования прошлого очень трудна. Но так же как с тяжелым подъемом на горные кручи перед нами развертывается все шире окружающий мир, так с изучением великой книги природы все глубже становится необъятная перспектива прошедшего времени. И величественная, захватывающая картина истории нашей планеты окрыляет нашу мысль.