ГЛАВА 8: ИСТОРИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

Происхождение жизни, первичные микроорганизмы. Древнейшие следы жизни. Эволюция растений. Происхождение типов животных. История членистоногих. История позвоночных животных - рыб, земноводных, пресмыкающихся, птиц, млекопитающих. Эволюция биомассы. Эволюция форм организмов, мутации и адаптация. Живые ископаемые. Гигантизм. Вымирание. Миграции. Происхождение человека

Если бы стало известно, что на какой-то планете есть жизнь, то первым вопросом о ней был бы вопрос: «Какая жизнь?». Ответ для Земли: белков о-нуклеинокислотная. Второй вопрос - «Сколько ее?» (т. е. какова суммарная биомасса). Ответ для Земли: сейчас 2-3 триллиона т. Третий и четвертый вопросы - «Каковы формы живых организмов? Какие из них преобладают?». Ответы для Земли: 35 типов наземных и водных растений и животных; из суммарной биомассы сейчас 98-99% находится на суше, в основном это растительность лесов, и 34 млрд. т - в океане (из них две трети - зоопланктон, около трети - донные животные, 5% - водоросли и 3%, или 1 млрд. т, - рыбы и кальмары). Можно было бы задавать еще много разных вопросов, но в этой книге хочется отдать первое место следующему: как менялись в течение истории Земли формы и количества живых организмов? Ответу на этот вопрос мы и посвящаем настоящую главу.

При решении вопроса о происхождении жизни на Земле прибегать к гипотезе о панспермии, т. е. о переносе «семян жизни» с одних планет на другие и даже из одних планетных систем в другие, нам казалось бы попыткой уйти от поисков естественных процессов развития высокоорганизованной материи. Изложение возможных процессов образования живого из неживого потребовало бы специальной книги. Мы имеем возможность отослать читателя к книгам А. И. Опарина [45] и А. И. Опарина и В. Г. Фесенкова [46], а также к обсуждению вопроса о сущности жизни в книгах Э. С. Бауэра [47], Э. Шредингера [48] и И. С. Шкловского [49], ограничжваявь дало лишь несколькими короткими формулировками.

Жизнь на Земле зародилась, когда на дне мелких теплых морей катархея, богатых сложными органическими веществами до аминокислот включительно, начали образовываться двойные сахаро-фосфатные спиральные нити высокополимерных нуклеиновых кислот с закрепленными на них последовательностями оснований (служащими «кодами» для синтеза белков), способные при некоторых условиях разворачиваться в одинарные спирали и синтезировать на каждой из них недостающую вторую спираль, т. е. порождать пару себе подобных (и передавать им информацию о процедурах синтеза белков, закодированных последовательностями оснований). Такие полимеры, которые синтезировали белки, обеспечивающие им достаточно длительное самосохранение, по-видимому, уже можно считать первичными организмами.

Эти первичные микроорганизмы, возможно, питались имевшейся органикой небиологического происхождения, осуществляя, например, бескислородное разложение белков и аминокислот - гниение или углеродов - брожение (анологично питаются современные сапрофиты, поглощая через свои стенки клеток органику биологического происхождения: например, дрожжи при отсутствии кислорода сбраживают глюкозу до спирта и углекислоты). Развитие этих организмов, вероятно, исключило условия для дальнейшего самозарождения жизни, и с тех пор все живое появляется уже только от живого. В результате эволюции микроорганизмов (вынуждаемой нехваткой подходившей для пищи органики) у них появилась способность синтезировать необходимые для самосохранения органические молекулы из неорганических. Наиболее эффективным способом оказался фотосинтез - продуцирование органического вещества из углекислоты и воды под действием солнечного света (энергия света, поглощаемого пигментами, прежде всего зеленым хлорофиллом, расходуется на расщепление молекул воды, кислород выделяется в атмосферу, а водород вместе с углекислотой идет на образование первичного органического продукта - фосфоглицериновой кислоты).

Первыми фотосинтезирующими растениями были, по-видимому, микроскопические синезеленые водоросли цианофиты, у которых хлорофилл рассеян в виде мелких зерен по плазме клеток (у более развитых растений он сосредоточен в специальных тельцах - хлоропластах), и имеется еще синий пигмент фикоцианин. Эти водоросли похожи на бактерий тем, что в их клетках трудно различить ядра, и размножаются они только делением.

Упоминавшиеся в главе 5 наиболее древние остатки жизнедеятельности организмов, найденные в Трансваале в породах серии Свазиленд возрастом 3.1-3.4 млрд. лет, были тщательно изучены Э. Баргхорном и Дж. Шопфом. Они представляют собой микроскопические изолированные палочки длиной 0.45-0.7 мк и диаметром 0.18-0.32 мк, имеющие двухслойные оболочки толщиной 0.045 мк; там же обнаружены нитеподоб-ные образования, а также микроскопические шаровидные, дисковидные и многоугольные оболочки одноклеточных водорослей акритархи. Почти столь же древними (более 2.9 млрд лет) являются обызвествленные продукты жизнедеятельности цианофитов и бактерий - прикрепленные ко дну столбчатые строматолиты и неприкрепленные округлые онколиты, найденные в известковых прослоях зеленокаменных пород системы Булавайо в Южной Родезии и описанные А. Мак-Грегором еще в 1940 г. (назовем также узорчатые карбонатные микростяжения - катаграфии).

Упомянем еще строматолиты возрастом 1.9 ± 0.2 млрд. лет в кремнистых сланцах формации Ганфлинт канадской провинции Онтарио, где найдены и обстоятельно изучены Э. Баргхорном и С. Тайлером (1965 г.) многочисленные нитеподобные, звездчатые, округлые и более сложные «микроорганизмы», содержащие органическое вещество. В более молодых осадочных породах строматолиты, онколиты и катаграфии находятся во все возрастающих количествах. В рифее этих форм уже так много, что по их комплексам можно различать породы нижнего, среднего и верхнего рифея и венда (М. А. Семихатов [17]).

В главе 5 уже упоминалось об одном из наиболее древних следов животных, найденном А. М. Лейтесом [50] в среднепротерозойских слоях Удоканской серии Забайкалья. Он представляет собой приуроченные к строматолитовым породам тонкостенные трубочки длиной до 2.5 см, диаметром до 4 мм, имеющие четырехгранное сечение с округленными углами и оставшиеся, по-видимому, от червей (если это так, то кишечнополостные животные должны были существовать и еще раньше). По-видимому, к началу рифея кислорода было уже достаточно для развития примитивных животных. В породах среднего и верхнего рифея найдены следы роющих животных и трубочки червей. В породах венда обнаружены уже многочисленные отпечатки разнообразных бесскелетных животных, а начало кембрия маркируется массовым появлением скелетообразующих организмов.

Палеонтологические данные позволили воссоздать грандиозную и стройную картину эволюции форм жизни в фанерозое (рис. 37), не оставляющую никаких сомнений в естественности этого процесса. В предыдущей главе мы «вырезали» из этой картины поочередно каждый геологический период и давали очень краткую характеристику животного и растительного мира Земли в соответствующий промежуток времени. Теперь же рассмотрим рис. 37 не по строчкам, а по столбцам, т. е. проследим фанерозойскую эволюцию ряда важнейших типов организмов.

Рис. 37. Распространение типов организмов в различные периоды фанерозоя.

Начнем с растений, которые осуществляют фотосинтез первичного органического вещества и потому являются первоосновой всей жизни. Водоросли появились еще в начале архея (или, может быть, даже в катархее) и с тех пор благополучно существуют до настоящего времени преимущественно в виде одноклеточных форм. Доля водорослей в общей массе живых организмов на Земле в наше время составляет меньше одной тысячной (около 1.7 млрд. т из общей суммы в 2-3 триллиона т), но зато они чрезвычайно быстро размножаются - их клетки делятся каждые 1-2 суток, и в результате их продукция, около 550 млрд. т в год, составляет основную долю продукции биомассы на Земле в целом.

Первые наземные растения появились, вероятно, в ордовике или даже в кембрии, но достоверные их следы найдены лишь в силуре. Это были самые примитивные из высших расте; ний типа сосудистых - псилофиты, мелкие растения без корней и листьев, а также первые плауны. В девоне появились представители двух других подтипов сосудистых растении - клинолистных (хвощей) и папоротникообразных (из последних - пока лишь наиболее примитивные растения класса папоротников а также отряда семенных папоротников птеридосперм из класса голосемянная), причем крупные древовидные формы плаунов хвощей и папоротников образовали первые леса нашей планеты. В карбоне обширные участки суши покрыли огромные заболоченные леса из гигантских плаунов лепидодендронов и сигиллярий, хвощей каламитов, древовидных папоротников и птеридосперм, а также новых отрядов вечнозеленых голосемянных кордаитов, а к концу периода - первых хвойных растении и гинкго. В перми появились бенеттиты, плауны пришли в упадок; на территориях Гондваны господствовала специфическая растительность во главе с голосемянными глоссоптерисами.

Триас и юра - это время расцвета голосемянных растений отрядов бенеттитов, хвойных, гинкго и цикадовых (саговников); птеридоспермы и кордаиты вымерли. В нижней половине мела, а возможно даже в юре, появились первые покрытосемянные (цветковые) растения, сначала двудольные. Во второй половине мела появились также однодольные цветковые растения, а двудольные образовали уже леса (кленовые и дубовые). Они вытеснили ряд отрядов голосемянных - бенеттиты вымерли, цикадовые и гинкго пришли в упадок. Наступивший затем кайнозой - эра расцвета цветковых растений.

Рассмотренная эволюция форм растений от водорослей до цветковых ттооисходила по линии уменьшения роли двуполых гаплоидных поколении, в телах которых (гаметофитах) клетки содержат одинарные наборы хромосом, и увеличений роли бесполых диплоидных поколений, в телах которых клетки содержат двойные наборы хромосом. Так, например, у многоклеточной водоросли улотрикс имеется только одна диплоидная клетка, а все остальные гаплоидны. У покрытосемянных, наоборот, все растение гаплоидно а гаметофит состоит лишь из нескольких клеток в тканях цветка; эволюционная выгода этого заключается как в том, что для размножения цветковых не требуется внешней влаги, так и в меньшей чувствительности диплоидных организмов к влиянию рецессивных генов (таких, которые действуют лишь при наличии их в обоих наборах хромосом в диплоидной клетке).

В наше время наземные растения, преимущественно цветковые и хвойные, составляют 98-99% от 2-3 триллионов т биомассы на Земле, но растут они медленно - их годичная продукция составляет всего около 50 млрд. т (вдесятеро меньше продукции водорослей в океане), а средний возраст (очевидно, возраст деревьев в лесах) - 40-60 лет.

Переходя к эволюции животных, отметим, что сведения палеонтологии о времени появления, расцвета и вымирания тех или иных групп животных вместе с данными о степени сложности их устройства, способах размножения и особенностях развития их зародышей позволяют судить о происхождении этих групп. Современные представления о происхождении основных типов животных (базирующиеся на принципе монофилии, т. е. на предположении о наличии единого корня происхождения каждой группы организмов) показаны на рис. 38. Согласно этим представлениям, одноклеточные простейшие животные породили как тупиковую ветвь губок, так и прогрессивную ветвь кишечнополостных, от которой пошли два главных ствола - первичноротых и вторичноротых. На первом из этих стволов промежуточным этапом были низшие черви, от которых пошли ветви немертин, плеченогих, мшанок, форонид, моллюсков и через кольчатых червей, наконец, членистоногие. От другого ствола поочередно отделялись ветви щетинкочелюстных червей, иглокожих, погонофор, кишечнодышащих, оболочников, головохордовых и, наконец, позвоночных.

Рис. 38. Происхождение основных типов животных.

Ряд типов животных - по крайней мере простейшие, кишечнополостные и некоторые низшие черви - появился, хотя бы в небольших популяциях, еще в среднем протерозое. В качестве примера фанерозойской эволюции простейших на рис. 39 приведен график числа семейств фораминифер (появившихся в самом начале кембрия). Число семейств - одна из возможных количественных характеристик разнообразия форм данного типа организмов, свидетельствующая о темпах его эволюции: в периоды быстрой эволюции разнообразие форм должно возрастать. На графике видно, что для фораминифер в палеозое наиболее динамичными были периоды расцвета фузулинид - карбон и особенно пермь, триас оказался периодом застоя и спада, в юре разнообразие вновь достигло пермо-карбонового уровня, в течение мела оно резко возрастало и достигло нового максимума в эпоху нуммулитов - в палеогене.

Рис. 39. Изменение числа семейств фораминифер в фанерозое по Г. П. Леонову [41].

К сожалению, мы не имеем возможности остановиться на истории развития каждого из типов животных - напомним, что всего имеется 23 типа! Поэтому о первичноротых мы скажем лишь то, что все их типы появились, по-видимому, еще в докембрии. Нам придется оставить в стороне такие интересные и важные вопросы, как, например, связанная с эволюцией кишечно-полостных история коралловых рифов или же охватывающая весь фанерозой история «приматов моря» - головоногих моллюсков (не раз порождавших и массовые формы, и таких гигантов, как наутилусы ордовика с 6-метровыми прямыми раковинами, меловые аммониты со спиральными раковинами 3-метрового диаметра и современные гигантские «кракены» - глубоководные кальмары архитевтисы длиной до 15-20 м, а может быть, и еще больше). Остановимся лишь на членистоногих, ставших вершиной эволюции первичноротых животных.

Уже в кембрии сформировался подтип наиболее ранних и примитивных членистоногих - трилобиты (рис. 31). В кембрии и ордовике они буквально кишели на дне прибрежной зоны морей и океанов; в силуре их количество начало убывать, и к концу палеозоя они вымерли. В кембрии уже существовали и представители подтипа жабродышащих (класса ракообразных).

Так же рано появились первые членистоногие подтипа хелицеровых (т. е. клешнеусых) - огромные хищные ракоскорпионы эвриптериды, или гигантостраки, достигавшие в длину иногда 2 м, - самые крупные из всех членистоногих, когда-либо живших на нашей планете. Они просуществовали почти весь палеозой. Еще в силуре от них произошли первые сухопутные (дышащие воздухом) животные, похожие на современных скорпионов, у которых брюшные жаберные ножки эвриптерид превратились в легкие. Но такой орган воздушного дыхания оказался для членистоногих не оптимальным; в девоне от кольчатых червей произошли сухопутные членистоногие подтипа трахейнодышащих, в том числе класса насекомых, которые быстро завоевали сушу и настолько преуспели, что уже в карбоне появились крылатые насекомые, включая гигантских стрекоз палеодиктиоптер с размахом крыльев до 90 см. Членистоногие в наши дни представляют собой самый динамичный, т. е. богатый формами, тип животных: из описанных учеными 1.5 млн. видов животных более 1 млн. приходится на членистоногих (и из них более 90 % - на насекомых). Они составляют немалую долю и от массы животных на Земле: так, например, суммарная масса океанического зоопланктона, состоящая преимущественно из ракообразных, равняется 21.5 млрд. т - около двух третей всей биомассы Мирового океана.

Из вторичноротых рассмотрим лишь историю позвоночных. Первые их представители появились в ордовике (а может быть, даже еще в кембрии), это так называемые панцирные рыбы - небольшие рыбообразные донные животные без челюстей и плавников, покрытые панцирем из костных пластинок на голове и толстых чешуи на туловище; они еще не были настоящими рыбами - из современных позвоночных животных к ним ближе всего бесчерепные (ланцетники) и бесчелюстные - круглоротые (миноги и миксины). В силуре появились, а в девоне получили широкое разбитие уже и настоящие рыбы, как хрящевые (сначала панцирные, а затем и беспанцирные акулы, благоденствующие с тех пор по настоящее время), так и костные, уже в середине девона поделившиеся на лопастеперых (двоякодышащих и кистеперых) и лучеперых, сначала ганоидных, особенно процветавших в перми и триасе, а с юры и костистых, имеющих абсолютное господство среди рыб в настоящее время.

Девон был временем первых попыток рыб выбраться на сушу; двоякодышащие рыбы в этом не преуспели, а от кистеперых пошли земноводные животные (амфибии), которые осваивали сушу одновременно с насекомыми. Этих древних амфибий называют стегоцефалами, т. е. панцирноголовыми, так как их голова (а у некоторых и брюшная сторона) была покрыта защитными костными пластинками. Крупных стегоцефалов карбона и перми называют лабиринтодонтами по петлеобразному эмалевому рисунку на поперечном разрезе их зубов (который был свойственным еще и кистеперым рыбам). Большинство их вымерло в перми, оставшиеся - в триасе; в юре сформировались современные бесхвостые амфибии (лягушки и т. п.), в мелу - хвостатые (тритоны и саламандры) и уже в кайнозое - безногие (червяги).

Первые настоящие наземные позвоночные - это пресмыкающиеся (рептилии), у которых размножение и развитие происходят на суше. История рептилий перми и мезозоя, этих двухсот миллионов лет господства чудовищ на нашей планете, является, вероятно, самой драматической главой истории жизни на Земле до появления человека. Первые рептилии появились в верхнем карбоне; это были представители подкласса анапсид, имеющих цельный черепной панцирь, - небольшие (до полуметра длиной), очень похожие на стегоцефалов и просуществовавшие только в течение перми сеймурии и более крупные котилозавры, существовавшие до конца триаса (еще в перми от них произошли черепахи). В конце карбона от котилозавров пошли рептилии подкласса синапсид с черепным панцирем, сократившимся путем образования одной височной ямы, ограниченной снизу скуловой дугой, что усилило челюсти. В конце карбона и ранней перми это были стройные звероподобные хищники пеликозавры, со средней перми - зверообразные тероморфы, вымершие в начале мезозоя (в их числе крупнейший верхнепермский хищник - 3-метровая саблезубая иностранцевия). Также, по-видимому, от котилозавров пошли водные рептилии - во-первых, подкласса синаптозавров, еще сохранивших в какой-то мере облик наземных животных (в том числе длинношеие ластоногие плезиозавры, длиной от полуметра до 15 м, существовавшие с позднего триаса до конца мела), и, во-вторых, подкласса ихтиоптеригий (сначала небольшие мезозавры, а со среднего триаса - огромные рыбообразные ихтиозавры, достигавшие в длину до 18 м, которые вымерли в конце мела).

Основными же мезозойскими рептилиями были диапсиды, у которых черенной нанцнрь стегоцефалов сократился нутем образования двух височных ям, ограниченных снизу скуловыми дугами. Из диапсид подкласса лепидозавров назовем, во-первых, известных с раннего триаса клювоголовых (от которых ныне осталась только гаттерия островов района Новой Зеландии); во-вторых, существовавших в верхней перми ящерицеобразных эозухий; в-третьих, существующих с конца юры и до сегодняшнего времени настоящих ящериц - чешуйчатых (от которых в начале мела пошла ветвь морских ящеров мозазавров длиной до 12 м, просуществовавших до конца мела, а в конце мела произошли змеи). Наиболее широкое развитие получили диапсиды подкласса архозавров. Первыми из них были происшедшие от эозухий и появившиеся в начале триаса небольшие животные псевдозухии с относительно длинными задними ногами. От них пошли, во-первых, крокодилообразные водные фитозавры триаса, породившие в юре настоящих крокодилов, которые в течение мела уже приняли современный облик; во-вторых, летающие ящеры юры и мела птерозавры (от совсем маленьких - с воробья - до мелового птеранодона с размахом крыльев, достигавшим 8 м) и, в-третьих, птицетазовые и ящеротазовые динозавры.

Особенно многообразными были растительноядные птицетазовые динозавры, в том числе, например, передвигавшиеся на трехпалых задних лапах игуанодоны высотой до 5-9 м, четвероногие стегозавры 10-метровой длины с двойным гребнем метровых треугольных костных пластин на спине, трехрогий меловой трицератопс с широким костяным «воротником». В числе же ящеротазовых были как растительноядные четвероногие, достигавшие колоссальных размеров (бронтозавры длиной до 20 м и весом, вероятно, до 30 т, диплодоки длиной свыше 25 м и самые огромные из всех сухопутных животных, когда-либо проживавших на Земле, - брахиозавры длиной около 24 м и весом, должно быть, порядка 50 т), так и хищники, которые передвигались на задних лапах, опираясь на хвост (как ныне кенгуру), причем некоторые из них достигали огромных размеров (например, 15-метровый меловой тираннозавр реке, крупнейший из наземных хищников за всю историю жизни на Земле).

Современное представление о пресмыкающихся,- как о холоднокровных животных с чешуйчатой кожей, плохо приспособленных к среде с низкой или резко колеблющейся температурой, возможно, не следует распространять на динозавров. Для выяснения этого вопроса Роберт Беккер (1975 г.) использовал три признака, отличающих теплокровных животных от холоднокровных:

1) наличие в костях большого количества кровеносных сосудов, а также каналов, в которых происходит быстрый обмен фосфатом кальция, необходимый для нормального функционирования мышц и нервов;

2) малое отношение биомасс хищников и их жертв (порядка 1-5% против десятков процентов у холоднокровных животных);

3) способность существовать в условиях холодного климата.

По всем трем признакам установлено, что если раннепермские хищные пеликозавры (например, диметродоны) еще были холоднокровными, то уже позднепермские терапсиды и позднетриасовые текодонты были теплокровными (отношения хищник - жертва порядка 10-15%); у динозавров признаки теплокровности выражены даже ярче, чем у современных млекопитающих (отношение хищник-жертва всего 1-3%, так что находки костей хищных динозавров чрезвычайно редки). Динозавры, особенно жившие в умеренных и высоких широтах, вероятно, имели и волосяные покровы.

И все это царство чудовищ полностью вымерло в конце мелового периода! Правда, среди современных рептилий тоже имеются опасные хищники, такие, как 6-метровые крокодилы, огромные ядовитые змеи - королевские кобры Юго-Восточной Азии (длиной до 5.5 м), африканские черные мамбы (более 4 м), южноамериканские бушмейстеры (более 3.5 м), австралийские тайпаны (до 3.5 м) и, наконец, «драконы острова Комодо», гигантские вараны длиной более 3 м, охотящиеся на оленей. Но все они не идут ни в какое сравнение с чудовищами, господствовавшими на Земле в мезозойскую эру.

От мелких динозавров, живших на деревьях, в конце юры произошли первоптицы - археоптериксы и археорнисы, которые были величиной с ворону, имели зубастые челюсти, слабые крылья с когтями на концах пальцев и длинные хвосты с многочисленными позвонками, покрытые перьями.

В породах мела найдены останки новых зубастых птиц - водяного гесперорниса и летающего ихтиорниса. В конце мела появились первые беззубые птицы. Современный облик они приобрели лишь в начале кайнозоя. Сейчас птицы играют очень большую роль в жизни нашей планеты - число особей этого класса оценивается в сотню миллиардов!

Млекопитающие имеют значительно более древнее происхождение, чем птицы: они возникли в триасе от палеозойских рептилий - каких-то мелких разновидностей тероморф отряда зверозубых. Такими первыми млекопитающими были просуществовавшие по палеоген многобугорчатые - растительноядные зверьки величиной с крысу, имевшие зубы с многочисленными бугорками и сильно развитые резцы, но не имевшие клыков. От их ранних форм, по-видимому, отошла ветвь однопроходных яйцекладущих млекопитающих (единственными сегодняшними представителями которых являются утконосы и ехидны Австралии, Тасмании и Новой Гвинеи), а в средней юре от них пошли многообразные трехбугорчатые (в частности, пантотерии) - мелкие зверьки, питавшиеся частью животной, а частью растительной пищей. От последних в мелу пошли и сумчатые, и плацентарные.

Первые сумчатые появились на материках северного полушария. Это были мелкие крысоподобные зверьки типа современных североамериканских опоссумов, имевшие бугорчаторежущие коренные зубы и крупные клыки. Затем они были вытеснены плацентарными в южное полушарие (в Северной Америке и на о. Сулавеси сохранилось лишь по одному виду) и дали толчок развитию многочисленных видов животных (так называемых сумчатых мышей, крыс, тушканчиков, кошек, медведей, волков, муравьедов, кротов, бандикутов, опоссумов, коал, вомбатов, валлаби и кенгуру) только в Австралии, куда из плацентарных проникли лишь летучие мыши и мелкие грызуны. В плейстоцене некоторые из кенгуру и вомбатов достигали размеров нескольких метров.

Первыми плацентарными были насекомоядные верхнего мела. От них произошли рукокрылые, древние хищники креодонты (в эоцене породившие зейглодонтов, от которых пошли китообразные, а на рубеже между эоценом и олигоценом разделившиеся на ластоногих и наземных хищников современных форм - куниц, вивер, собак и кошек), грызуны, неполнозубые, трубкозубые и приматы. Еще в палеоцене от креодонтов произошли первичные копытные - кондилятры, некрупные всеядные животные с бугорчатыми коренными зубами, умеренными клыками и пятипалыми конечностями с усиленным средним и ослабленными первым и пятым копытцами. От них произошли современные растительноядные парно- и непарнокопытные. В эоцене возникли и хоботные. Всего плацентарные млекопитающие образовали 31 отряд, из них 14 вымерли, а 17 существуют и в настоящее время.

История отряда приматов имеет для нас, конечно, особый интерес. Первые приматы - представители подотряда полуобезьян - произошли в палеоцене от древесных насекомоядных предков, внешне похожих на белок (такой облик сохранили самые примитивные из современных полуобезьян - тупайи). В эоцене от различных групп семейства наиболее развитых полуобезьян долгопятов произошли первые представители подотряда обезьян - широконосые обезьяны Центральной и Южной Америки, эволюционно оказавшиеся побочной ветвью, а через промежуточное звено парапитеков (остатки которых были найдены в нижнем олигоцене Египта) - узконосые обезьяны Старого Света, как низшие (собакоподобные), так и (через другие промежуточные звенья олигопитеков, проплиопитеков, эолопитеков и египтопитеков - нижний олигоцен северо-восточной Африки, так называемой Фаюмской депрессии) человекоподобные (гоминоиды). Последние сейчас делятся на три семейства - гиббоновых, с объемом мозга 100-150 см3, человекообразных обезьян, или понгид, с объемом мозга 350-600 см3 (орангутаны, шимпанзе и гориллы) и людей, или гоминид, с объемом мозга большим, чем у понгид (у современных людей - 1500 см3). Эти семейства произошли от различных миоценовых предков: гиббоны - от найденных в миоцене Африки лимнопишков, орангутаны - от индийских парасимий, а гориллы, шимпанзе и человек - от дриопитеков. К происхождению человека мы еще вернемся в конце этой главы.

Эволюция биомассы на Земле рисуется следующим образом. Разделим существующие организмы на группы:

1) водоросли,

2) морские животные,

3) наземные растения,

4) наземные животные. Водоросли появились в катархее, и в течение архея и протерозоя их биомасса нарастала до величины порядка сегодняшней, т. е. до 1 млрд. т; ее возможные колебания в фанерозое, вероятно, этого порядка величины не меняли. Морские животные появились в среднем протерозое, их биомасса очень медленно росла до венда, а в течение кембрия, вероятно, быстро выросла до величины порядка сегодняшней, т. е. до 20-30 млрд. т. Наземные растения появились, возможно, еще в ордовике или даже в кембрии, однако их биомасса стала ощутимой лишь в силуре, а за девон и карбон быстро выросла до колоссальных размеров, порядка нескольких триллионов тонн; в перми она, возможно, даже несколько уменьшилась и приблизилась к современному уровню. Наконец, наземные животные появились только в девоне, их биомасса достигла современной величины, вероятно, еще в палеозое.

Эти оценки изменений биомассы в течение истории Земли, конечно, чисто умозрительны (однако их дальнейшая детализация представляется не безнадежной). Что же касается изменений со временем разнообразия форм организмов, то здесь, наоборот, имеются довольно надежные фактические данные. Они показывают, что в разнообразии форм монотонного нарастания со временем не было, так как при появлении новых форм некоторые из старых отмирали (рис. 40, а). Так, в кембрии появилось 28 классов животных, в ордовике еще 14 (но часть классов уже отмерла), в силуре еще 3 (но 2 отмерли). Начало верхнего палеозоя ознаменовалось новой вспышкой формообразования - в девоне появилось 9 новых классов (и их число достигло фанерозойского максимума), а карбоне еще 5 (но 8 отмерло), в перми новых классов не появилось (но 4 отмерли). К триасу 3 класса отмерли, но 1 появился (и число классов достигло фанерозойского минимума, если не считать кембрия), в юре и мелу был небольшой прирост. В кайнозое изменений не произошло. Аналогичны данные и по классам растений; здесь также разделяются нижний палеозой, верхний палеозой, мезозой и кайнозой, лишь отмирания классов почти не происходило.

Рис. 40. Эволюция живой природы в фанерозое. а и б - число классов соответственно животных и растений в различные периоды фанерозоя (заштрихованные части колонки и цифры над ними указывают число новых классов, появившихся заданный геологический период); в и г - число семейств беспозвоночных животных.

В качестве дополнительной иллюстрации на рис. 40, в приведен график числа семейств беспозвоночных животных (без хелицеровых и трахейнодышащих членистоногих и некоторых других; всего учтено 1831 семейство). Он демонстрирует стабильный уровень в палеозое, спад в триасе, бурный рост в мезозое, максимум в меловом периоде и затем некоторый спад к стабильному уровню кайнозоя. Таким образом, данные о разнообразии форм организмов как по их крупным группам (рис. 40, а), так и по средним (рис. 39 и 40, в), несомненно, дают основания для разделения фанерозоя на палеозой и мезокайнозой; некоторые основания есть и для разделения мезозоя и кайнозоя и, может быть, для деления палеозоя на нижний и верхний. Однако дальнейшее подразделение на периоды по различным группам организмов пришлось бы осуществлять по-разному, аналогично тому, как периодизация по тектоническому признаку была бы разной в различных регионах.

Обобщение палеонтологических материалов дает сведения и о темпах эволюции форм организмов, т. е. о промежутках времени, потребовавшихся на формирование групп различных уровней. Так, типы животных сформировались за время порядка 1.3 млрд. лет - от среднего протерозоя до кембрия. По оценке выдающегося советского биолога Л. А. Зенкевича, в фанерозое формирование классов занимало время порядка сотен миллионов лет, отрядов - десятков миллионов лет, семейств - порядка десяти миллионов, родов - миллионы, видов - сотни и десятки тысяч лет. По мере развития жизни на Земле темпы эволюции, по-видимому, возрастают, так как организмам надо успевать приспосабливаться ко все усложняющемуся окружению. Так, в плейстоцене сложность условий усугублялась резкой изменчивостью климата и отмечалась быстрая смена старых видов новыми. Известен пример разведения кроликов на островке Порто-Санто в XV столетии, приведшего всего за 400 лет к формированию нового вида мелких кроликов, не дающих потомства при скрещивании с кроликами европейского вида.

Эволюция форм организмов происходит, во-первых, вследствие мутаций (вызываемых физико-химическими воздействиями случайных изменений в нуклеинокислотных носителях наследственности) и, во-вторых, вследствие отбора тех мутантов, которые оказываются способными к адаптации (т. е. к приспособлению) к окружающей их живой и неживой природе. В большинстве случаев способными к адаптации оказываются мутанты с полезными усложнениями организмов; полезные упрощения возникают гораздо реже, и жизнь в целом эволюционирует от простого к сложному. Иногда же возникают особенно удачные формы организмов, столь хорошо приспособленные не только к среде, окружавшей их в период образования, но и к широкому спектру ее изменений, что им удается просуществовать чрезвычайно долго, до сотен миллионов лет включительно. Иначе говоря, высокая мера адаптированности приводит к низкой мере эволюционирования (и наоборот).

Приведем ряд примеров «живых ископаемых» - высокоадаптированных форм организмов, просуществовавших очень большие промежутки времени. Водоросли типа синезеленых, сформировавшиеся еще в начале архея, существуют и сейчас. В подтипе сосудистых растений псилофитов, силуро-девонских первых поселенцев суши, сейчас имеются 3 вида, в подтипе плаунов - 4 рода (один из них - ликоподий); существующие с девона подтипы хвощей и папоротникообразных широко распространены и теперь. От появившегося в карбоне отряда голосемянных растений гинкго сейчас остался один представитель, выращиваемый как декоративное растение в Японии и Китае.

С кембрия известны процветающие и поныне простейшие животные класса саркодовых, подклассов корненожек (отряд фораминифер) и радиолярий. До сих пор распространены почти все классы и отряды кембрийских губок. Из известных с раннего кембрия беззамковых брахионод до наших дней сохранились 3 семейства - лингулиды, кранииды и дисциниды, в том числе известный с девона род лингула. Распространенные ныне роды двустворчатых моллюсков нукула, леда, модиолус, острея, лима и авикула существуют с кембрия. Считалось, что моллюски класса однокрышечковых существовали лишь с кембрия по девон, однако в 1952 г. датское исследовательское судно «Галатея» подняло со дна океана, с глубины 4 км, живых однокрышечковых моллюсков, которых назвали неопилинами; они близки к кембрийскому роду триблидиум. До наших дней сохранились головоногие моллюски мелового рода наутилусов кембрийского подкласса четырехжаберных (наутилоидей). Дожили также иглокожие раннеюрского отряда артикулят силурийского класса морских лилий и 3 рода класса крыложаберных, к которому принадлежали граптолиты кембрия-карбона. Сохранились листоногие ракообразные щитни триасового вида триопсканкриформис (это совершенно уникальный случай двухсотмиллионолетнего существования вида!), кембрийский подкласс ракушечковых ракообразных остракод, членистоногие известного с силура отряда мечехвостов кембрийского подтипа клешнеусых, а также представители известного с карбона отряда стрекоз.

До сих пор в Мировом океане процветают представители появившегося в девоне подкласса пластинчатожаберных рыб - акулы; многие из современных семейств акул существуют с юры.

С раннего девона известны два надотряда лопастеперых рыб - двоякодышащие и кистеперые. От первых сейчас осталось всего 6 видов (пермского отряда рогозубообразных), некоторые из них - довольно крупные рыбы (до 2 м), способные к длительной спячке. Кистеперые отряда рипидистий, породив земноводных, вымерли в карбоне. Другой же их отряд целаканты считался вымершим в конце мела. Однако в 1938 г. 1 экземпляр живого целаканта неожиданно попался в сети южноафриканского траулера, что явилось одной из крупнейших биологических, сенсаций XX в. Этот вид был назван латимерией по фамилии хранительницы местного музея М. Куртенэ-Латимер. В результате героических 14-летних усилий профессора Дж. Л. Б. Смита (см. его книгу [51]) удалось найти постоянное место обитания целакантов - 100-метровые глубины в районе Коморских островов к северу от Мадагаскара; интересно, что «биологическая ниша», в которой скрывались целаканты, была столь ограниченной в пространстве. О процветании вида надо судить, по-видимому, как по количеству особей, так и по их размерам. Целаканты малочисленны (вероятно, при их высокой адаптированное многочисленное потомство ненужно), но это красивые, сильные и крупные рыбы длиной до 2 м и весом до 100 кг (рис. 41). Сейчас их лов производится лишь поштучно по заказам музеев. Один экземпляр был доставлен в СССР экспедицией Института океанологии АН СССР.

Рис. 41. Латимерия (1, 2) и полуглубоководные рыбы алет (3) и рувета (4).

Из современных амфибий наиболее древними (юрскими) формами являются гладконогиелягушки Северной Америки и Новой Зеландии; из рептилий - черепахи, мало изменившиеся со времен триаса, а также единственный вид, оставшийся от триасового отряда клювоголовых, - гаттерия; из млекопитающих - однопроходные яйцекладущие, которых осталось 5 видов - утконос, два вида австралийских ехидн и два вида новогвинейских проехидн.

Как только что отмечалось, одним из признаков процветания вида можно считать большие размеры особей, тенденции к гигантизму. Они, конечно, свидетельствуют о хорошей адап-тированности вида к окружающей его среде, но такая адаптированность вряд ли устойчива (т. е. гигантизм вряд ли полезен для адаптации к изменениям окружающей среды, поэтому представляется, что гиганты, вообще говоря, не должны быть особенно долговечными).

Самыми крупными организмами на Земле являются бурые водоросли ламинарии, достигающие в длину нескольких сотен метров. Большие размеры имели древовидные плауны, хвощи и папоротники верхнего палеозоя. Из современных деревьев самые крупные - это известные с верхней юры голосемянные секвойи, достигающие в высоту более 110 м и живущие тысячелетиями.

Гиганты встречаются даже среди самых .примитивных животных: у современной сцифоидной медузы цианеи диаметр колокола достигает 4 м, а длина щупалец - 30 м. Мы уже упоминали гигантских головоногих моллюсков наутилусов ордовика с прямыми раковинами 6-метровой длины, меловых аммонитов с закругленными раковинами 3-метрового диаметра, современных кальмаров архитевтисов длиной 15-20 м и более и весом в несколько тонн - это самые крупные из беспозвоночных животных; назовем еще крупнейших из двустворчатых моллюсков - тридаки с полутораметровыми раковинами весом в несколько центнеров.

Выше упоминались крупнейшие из членистоногих - 2-метровые хищные ракоскорпионы нижнего палеозоя гигантостраки. Самые крупные современные рыбы - это планктоноядные китовые акулы длиной до 20 м и более; их хищные родственники - белые акулы кархародоны могут иметь в длину более 11 м, а их плиоценовые предки кархародоны- мегалодоны достигали 30 м; они, по-видимому, были крупнейшими хищниками за всю историю Земли. Самые большие сухопутные хищники - 15-метровые меловые тираннозавры - были вдвое короче.

Абсолютные рекорды веса среди наземных животных принадлежали травоядным динозаврам - 50-тонным брахиозаврам и 30-тонным бронтозаврам.

Самые большие современные птицы - это африканские страусы ростом до 2.7 м и весом до 70-90 кг.

Из млекопитающих гигантизма достигали даже такие примитивные животные, как неполнозубые: неогеновые ленивцы мегатерии были величиной со слона, а броненосцы глиптодонты - с носорога; со слона были также копытные палеоцена и эоцена уинтатерии. Самые крупные наземные животные наших дней - это африканские слоны ростом до 4 м и весом 7.5 т, самые же крупные животные всех времен - это современные синие киты, достигающие в длину более 33 м, а по весу свыше 150 т (сейчас они практически уже истреблены человеком).

Почти все гиганты прошлого вымерли, как и вообще вымерли многие виды, роды, семейства, отряды и даже классы (рис. 40, а). Выше уже отмечалась неравномерность эволюции разнообразия форм организмов: на границе силура и девона исчезло большинство форм граптолитов, трилобитов, цистоидей и наутилоидей; на границе перми и триаса резко сократилась палеозойская флора плаунов, хвощей и семенных папоротников, окончательно вымерли трилобиты, цистоидей, древние морские ежи, многие виды брахиопод, гигантостраки, гониатиты, большинство стегоцефалов и многие другие формы. Наконец, на границе мела и палеогена исчезли аммониты, белемниты, многие брюхоногие моллюски, динозавры, плезиозавры, птеродактили, зубастые птицы. Эти «роковые» границы отмечены на рис. 37 жирными линиями. Причинами такого вымирания были, конечно, резкие изменения окружающей живой и неживой природы (в том числе климата) и, вероятно, в первую очередь такие изменения в живой природе, как появление врагов, опасных для данной группы организмов (например, появление животных, активно поедающих яйца динозавров). По-видимому, нет каких-либо оснований считать, что вымирание тех или иных групп организмов имело характер мгновенных катастроф, подобных лучевым ударам от взрывов сверхновых звезд, - скорее это было постепенное вырождение популяций в течение ряда поколений.

Важное значение для решения вопросов истории Земли могут иметь данные палеобиогеографии о распределении по поверхности Земли и миграциях тех или иных групп организмов в различные периоды времени. Одним из примеров могут служить свидетельства палеоботаники и палеонтологии в пользу единства материков Гондваны в пермо-триасовое время. В южных областях Африки (ЮАР - Трансвааль) и Южной Америки (Аргентина), в Индии и в Антарктиде (Трансантарктические горы) в перми была распространена удивительно однородная растительность глоссоптерид (глоссоптерисы, гангамоптерисы, пара-каламиты и др.), очень резко отличавшихся от флоры континентов северного полушария (частично проникавшей лишь в северные районы Гондваны). В триасе Южной Африки, Южной Америки и Индостана найден ряд сходных лабиринтодонтов и четвероногих рептилий. В 1970 г. американские палеонтологи во главе с Д. Эллиотом обнаружили останки сходных животных в Антарктиде (около ледника Бирдмор) и среди них - останки типичной для Южной Африки и известной также в Индии небольшой, величиной с собаку, коротконогой нижнетриасовой рептилии листрозаурус.

Другим примером аргументации в пользу существования Гондваны, уже упоминавшимся выше, служит расселение млекопитающих в кайнозое. Появившиеся, вероятно, еще в конце триаса однопроходные и зародившиеся в начале мела, по-видимому, на материках северного полушария, сумчатые были оттеснены плацентарными в Южную Америку и Австралию. «Мост» в последнюю вскоре «разрушился», так что из плацентарных проникнуть в Австралию успели лишь мелкие грызуны и летучие мыши; в возникшей изоляции неполнозубые смогли уцелеть, а сумчатые породили почти все разнообразие австралийских млекопитающих.

В эоцене от полуобезьян произошли широконосые обезьяны Америки и узконосые обезьяны Африки и Евразии - «мостов» между этими группами континентов, видимо, тогда не существовало.

Таким образом, к неогену сформировались четыре центра развития млекопитающих:

1) сумчатые и однопроходные в Австралии;

2) сумчатые, неполнозубые и широконосые обезьяны в Южной Америке;

3) разнообразная фауна Евразии и Африки;

4) менее богатая фауна Северной Америки (без мастодонтов, оленей, обезьян, с большим количеством копытных и меньшим количеством хищников). Согласно палеозоогеографическим данным, «мост» между Азией и Северной Америкой образовался в позднем миоцене (и просуществовал до голоцена), а между Северной и Южной Америкой - в среднем плиоцене (существует он и сейчас).

В заключение изложим вкратце историю семейства гоминид, в котором ныне имеется один вид - Homo sapiens (человек разумный). По-видимому, самыми ранними из гоминид были миоценовые рамапитеки. Впервые их останки (фрагменты верхней челюсти кениапитека) найдены в 1961 г. Луисом Лики в Африке в слое возрастом около 14 млн. лет у Форта Тернан, в области Кенийского рифта, на восточном берегу оз. Виктория. Фрагменты челюсти свидетельствовали о ряде признаков человека - укороченном профиле лица, широкой зубной дуге, небольших зубах. Вскоре после этого Э. Симоне отыскал в музеях фрагменты костей рамапитеков, найденные ранее в слоях возрастом 10-12 млн. лет, в южных предгорьях Гималаев - холмах Сивалик (отсюда и название рамапитеки - по имени индийского мифологического героя Рамы). Затем аналогичные останки были найдены в китайской провинции Хунань, в Юрских горах, в Центральной Испании и, наконец, опять в Кенийском рифте в слоях формации Нгороро около оз. Баринго, возраст которых около 10 млн. лет. Все это, вероятно, свидетельствует о широком распространении рамапитеков в миоценовом поясе саванн, тянувшихся от Африки через всю Азию.

Следующим звеном были плиоценовые австралопитеки. Впервые их останки (череп детеныша) найдены в 1924 г. Р. Дартом в образцах камней, собранных рудокопом в дер. Таунг, на краю пустыни Калахари в Южной Африке (отсюда и название «австралопитеки» - южные обезьяны). Позже Р. Брум и Р. Дарт нашли на территории Трансвааля черепа и кости взрослых австралопитеков - существ с обезьяноподобными черепами и лицами, но с похожими па человеческие скуловыми костями, сочленениями челюстей и зубами, с объемом мозга 650 см3, большим, чем у всех известных нам обезьян.

В послевоенное время сенсационные находки костей и каменных орудий австралопитеков (заставившие нас понять, что люди гораздо древнее, чем это считалось ранее) были сделаны все в том же Кенийском рифте, оказавшемся подлинной прародиной человечества. Первые из этих сенсационных находок совершены Луисом Лики в 1959-1960 гг. в Олдувайском ущелье в Танзании (см. его статью [52]). Сначала в слое возрастом около 1.75 млн. лет был найден череп без нижней челюсти австралопитека, названного зинджантропом (Зиндж - древнеарабское название Восточной Африки), а затем в чуть более древнем слое - кости презинджантропа, имевшего объем мозга 650-680 см3, и орудия его труда (грубо оббитые гальки), за которые он был назван Homo hahilis (человек умелый). Позже на западном побережье оз. Рудольф, у холма Лотегем, были найдены наиболее древние останки австралопитеков, возраст которых 5-5.5 млн. лет (период существования австралопитеков тянется от этого времени до 700 тыс. лет тому назад); у Канапои обнаружен обломок плечевой кости австралопитека возрастом около 4 млн лет; в долине р. Омо, в толще формации Шунгуро, найдены многочисленные останки австралопитеков возрастом от 3.5 до 1.3 млн. лет и кварцевые орудия возрастом около 2 млн. лет, а на другом участке этой долины - кости возрастом около 2.75 млн. лет.

В 1968-1972 гг. сын Л. Лики, Ричард, нашел на восточном берегу оз. Рудольф останки не менее 90 особей австралопитеков, а в пункте северовосточная Кооби-Фора в слое возрастом около 2.6 млн. лет - каменные изделия, отщепы из лавы и кварца; это самые древние из известных нам орудий человека. В том же пункте, вислое возрастом около 9 млн лет, найден удивительный «череп 1470» без надглазничного валика и наружного рельефа (которые все еще сохранялись у последующих архантропов и палеоантропов) и емкостью мозга 810 см3, большей, чем у всех австралопитеков. Там же найдены фрагменты черепа ребенка, кости ног и зубы гоминид, близких по типу к обладателю «черепа 1470». Если эти гоминиды - прямые предки современных людей, то являются ли австралопитеки, а может быть, и архантропы и даже палеоантропы боковыми ветвями, тупиками эволюции?

В период с 1 млн. лет до 350 тыс. лет тому назад в Африке и Евразии существовали архантропы (их мозг имел объем около 1000 см3, большое число извилин и развитую долю, управляющую речью) с выдающейся вперед нижней частью лица, без подбородка, с массивными надглазничными валиками; они создавали каменные орудия нижнего палеолита (шелльской культуры - по г. Шелль близ Парижа, и ранней ашельской культуры - по местности Сент-Ашель на севере Франции) и умели пользоваться огнем. К ним относятся: питекантроп (обезьяночеловек) с объемом мозга 940 см3, останки которого были найдены еще в 1891 г. в плейстоцене Восточной Явы; синантропы (т. е. китайские люди) с объемом мозга 850-1300 см3, многочисленные фрагменты скелетов которых возрастом около 500 тыс. лет найдены в начале 20-х годов текущего столетия в пещерах около Пекина; олдувайские питекантропы, останки которых возрастом около 1.1 и 0.5 млн. лет нашел Л. Лики; атлантропы (от, гор Атлас в Африке), останки которых (три нижние челюсти и теменная кость), а также каменные орудия были найдены в 1954-1955 гг. в Алжире; гейдельбержец, нижняя челюсть которого найдена около немецкого города Гейдельберга вместе с костями львов и носорогов; люди миндельского времени со стоянки Вертешсёлёш близ Будапешта, открытой в 1962 г. М. Печем и исследованной в 1963-1967 гг. Л. Вертешем.

350-25 тыс. лет тому назад развивались палеоантропы с мозгом объемом около 1500 см3, как у современных людей, и даже крупнее, хотя и с несколько меньшими лобными долями, с лицом почти без подбородка, толстыми надглазничными валиками и покатым лбом, ростом 150-165 см. Они изготавливали разнообразные каменные орудия среднего палеолита (мустьерской культуры - по пещере Мустье на берегу р. Везер на юге Франции). Во времена палеоантропов начало формироваться человеческое общество. В его основе лежала коллективная охота на крупных животных. Многочисленные останки палеоантропов найдены в Европе, на островах Средиземного моря, в Северной Африке, Передней и Средней Азии. Их типичные представители - неандертальцы, останки которых впервые найдены в пещере долины Неандер около Дюссельдорфа еще в 1856 г.

Около 30-40 тыс. лет тому назад появились неоантропы современного типа - кроманьонцы (по гроту Кро-Маньон во французской провинции Дор-донь, где их останки были еще в 1868 г. найдены Л. Ларте) - с ориньяк-солютрейскими и мадлен-азильскими орудиями верхнего палеолита, а с голоцена - с полированными каменными орудиями эпох неолита, бронзы, железа.

За последние два-три тысячелетия физический облик людей изменился мало (происходит, по-видимому, лишь увеличение их среднего роста, как об этом можно судить, например, по средневековым латам и кольчугам, а в последние десятилетия - и по медицинской статистике; впрочем, все возрастающее число рослых детей - «акселератов» - видно и «невооруженным глазом»). За этот период не изменился, по-видимому, и уровень интеллектуальных способностей людей; во всяком случае, великолепные образцы точности и изящества мышления, например, Аполлония Пергского и ряда других древнегреческих математиков, по нашему мнению, ничем не уступают лучшим современным образцам.

Человеческое общество оказывает все усиливающееся влияние на развитие жизни на Земле, которое началось в форме охоты, рыболовства и истребления опасных для человека животных и вытеснения дикой жизни из населенных районов, а в наши дни идет по пути создания и разведения культурных сортов растений и пород животных и может, в конце концов, привести почти к стопроцентному управлению развитием всех форм жизни. Это может касаться и вида Homo sapiens, развитие которого определяется не столько биологическими, сколько социальными факторами - прежде всего уровнем производительных сил общества и производственными отношениями его членов (и такими надстройками, как складывающаяся стихийно или формируемая сознательно общественная мораль, которая, например, в прошлые столетия вследствие высокой детской смертности поощряла многодетность; в последние же десятилетия при снижении детской смертности, но создаваемых урбанизацией жилищных ограничениях это отношение изменяется).

 

ГЛАВА 9: ПАЛЕОМАГНЕТИЗМ

Намагниченность горных пород. Обращения геомагнитного поля и палеомагнитная геохронология. Полосчатые магнитные аномалии и возрасты океанского дна. Гипотеза геомагнитного динамо. Палеомагнитные широты и полюсы. Движение континентов по палеомагнитным данным. Движение полюсов

В 50-х годах текущего столетия ученые-магнитологи установили, что многие горные породы во время их образования приобретали намагниченность по направлению имевшегося тогда геомагнитного поля (вектором намагниченности в данной точке тела называется магнитный момент единицы объема), и эта намагниченность во многих случаях сохранилась без существенных изменений до сих пор. Поэтому, определяя направления намагниченности пород различного возраста в конкретном районе земной коры, можно узнать, как менялось в этом районе направление геомагнитного поля в течение того или иного периода времени. Проделав же это во многих районах земного шара, можно восстановить историю геомагнитного поля в целом.

Способностью намагничиваться обладают породы, содержащие зерна ферромагнитных веществ ферритов, и прежде всего таких минералов, как гематит, Fe2O3, магнетит, FeO · Fe2O3, ильменит, FeTiO3, пирротин, FеSx, и некоторые гидроокислы железа. Ферромагнитные вещества могут обладать намагниченностью лишь ниже некоторой критической температуры (называемой точкой Кюри и разной для разных ферромагнетиков), когда энергия тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке становится меньше энергии специфического для ферромагнетиков обменного взаимодействия между соседними атомами, создающего одинаковую ориентацию их магнитных моментов (по тому или иному из термодинамически стабильных или метастабильных направлений, соответствующих минимумам термодинамического потенциала). Ниже точки Кюри ферромагнетик распадается на области с различными направлениями намагниченности - домены с размерами от единиц до сотен микронов. При изменениях внешнего магнитного поля вследствие наличия метастабильных направлений домены перестраиваются неполностью, так что средняя намагниченность тела оказывается зависящей не только от внешнего магнитного поля в данный момент времени, но и от его эволюции в прошлом (эту зависимость от предыстории называют гистерезисом). В частности, при снятии внешнего магнитного поля в ферромагнетике сохраняется некоторая остаточная намагниченность.

Наиболее велика и стабильна термоостаточная намагниченность, которую приобретает горячий, но остывающий ферромагнетик в момент перехода его температуры через точку Кюри. Такую намагниченность приобретают ферриты в остывающих лавах, так что изверженные породы оказываются хранителями отпечатков геомагнитного поля, существовавшего во время их остывания. Совершенно иную природу имеет ориентационная намагниченность осадочных пород: осаждающиеся в воде частицы, как крошечные стрелки компасов, в какой-то мере ориентируются по направлению геомагнитного поля или по крайней мере его горизонтальной компоненты.

При восстановлении истории геомагнитного поля по современной намагниченности пород различных возрастов встречается ряд трудностей. Некоторые ферриты намагничиваются не по направлению внешнего магнитного поля, а по противоположному направлению или же способны менять при некоторых температурах направление своей намагниченности на обратное (самообращение). Направление намагниченности может отличаться от направления внешнего магнитного поля вследствие ориентированности кристаллитов в поликристалле и сплюснутых или вытянутых ферритовых зерен в породе, а также из-за того, что к внешнему полю прибавляется магнитное поле самого тела. Первичная намагниченность со временем медленно ослабевает, и на нее налагается дополнительная вязкая намагниченность, ориентированная по современному геомагнитному полю. Дополнительная намагниченность может возникать также при вторичном нагреве пород (например, при их контактном метаморфизме) и некоторых их физико-химических изменениях, при появлении в них механических напряжений, а также вследствие кратковременных сильных магнитных полей при грозовых разрядах. Наконец, направление намагниченности пород может поворачиваться в пространстве при движениях слоев земной коры. Из-за всех этих осложнений первые попытки восстановления геомагнитных полей прошлого, предпринимавшиеся в 50-х годах текущего столетия, приводили к столь большому разбросу результатов, что казались совершенно бесполезными.

Однако с течением времени магнитологам удалось значительно усовершенствовать методику восстановления геомагнитных полей прошлых эпох. Детальный анализ пород (петрографический, химический, рентгеноструктурный, исследование фазовых переходов, намагничивание с последующим глубоким охлаждением и т. п.) теперь позволяет выяснять природу ферритов в породе и оценивать их первичность. Удается различать виды намагниченности (пользуясь, в частности, тем, что они по-разному ослабевают при магнитной чистке, т. е. при размагничивании образцов породы растущим переменным магнитным полем, нагревом или просто временем при изоляции от современного магнитного поля), оценивать палеомагнитную стабильность пород и отличать первичную намагниченность (оставшуюся от начальной) от вторичной. Так, если имеется только один вид намагниченности, то при постепенном размагничивании общее направление намагниченности образца не изменяется, в противном же случае оно сменяется на направление намагниченности наиболее стабильного вида. Размагничивание временем в течение двух- трех недель, иногда в сочетании с нагревом, уничтожает вязкую намагниченность. Последовательные нагревы и охлаждения позволяют опознать термоостаточную намагниченность, опыты по переосаждению осадков - ориентационную. Имеются способы выяснения ориентированности микрокристаллов или зерен в породе, а также оценки собственного магнитного поля тела в целом. Таким образом, удается выяснять природу первичной намагниченности и определять ее направление и величину (детали см., например, в книге А. Н. Храмова и Л. Е. Шолпо [53], а также в главе 9 книги [9]).

Применение всех этих методов позволило значительно снизить разбросы при реконструкциях палеомагнитных полей прошлого и получить ряд убедительных и важных результатов. Остановимся на двух группах результатов палеомагнитных определений.

Первая из них заключается в построении палеомагнитной шкалы геологического времени, основанной на чередовании эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного поля. Вторая состоит в определении палеоширот стабильных континентальных блоков земной коры и их ориентации относительно географических полюсов в различные периоды времени, а тем самым и в реконструкции относительных движений континентов и полюсов.

Первое из упомянутых достижений выросло из открытия Б. Брюном еще в 1906 г. намагниченности некоторых лав во Франции, противоположной по направлению современному геомагнитному полю. Такая обратная намагниченность некоторых лав затем была обнаружена во многих районах мира. В послевоенные годы специальное подробное обследование третичных и четвертичных лавовых потоков Исландии, Англии, Франции и Японии показало, что только половина из них намагничена нормально - по современному геомагнитному полю, другая же половина имеет обратную намагниченность. При этом в большинстве случаев обратная намагниченность лав была создана, по-видимому, не какими-либо аномальными свойствами ферритов или самообращениями их намагниченности, упоминавшимися выше, а обратной полярностью геомагнитного поля во время остывания этих лав. Так, например, японские магнитологи нашли случаи, в которых в нормально намагниченном осадочном слое имелись обратно намагниченные интрузии, обожженная которыми осадочная окрестность также имела обратную намагниченность (при этом ферриты в осадках были совсем другими, чем в интрузии). В лавах были найдены тонкие переходные слои, в которых направление намагниченности плавно поворачивалось от нормального к обратному (а интенсивность намагниченности в этих переходных слоях была ослабленной).

Это поразительное открытие обращений полярности геомагнитного поля было окончательно подтверждено в серии работ 1963- 1968 гг. А. Кокса, Р. Доэлла и Г. Далримпла, сопоставивших знаки намагниченности 240 образцов нормально и обратно намагниченных верхнеплиоценовых и четвертичных лав из различных районов мира с абсолютными возрастами этих лав, определенными по калий-аргоновому методу. Сопоставление показало, что ориентация намагниченности четко зависит от возраста лав, т. е. что в прошлом, по крайней мере в верхнем плиоцене и четвертичном периоде, происходило чередование эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного поля.

Результаты такого сопоставления для последних 4.5 млн. лет приведены на рис. 42. Они показывают, что за это время сменились четыре эпохи нормальной (н) и обратной (о) полярности геомагнитного поля. Эти эпохи названы именами выдающихся ученых-магнитологов (от настоящего в прошлое): Брюн (н), Матуяма (о), Гаусс (н) и Гильберт (о). Возрасты границ между ними следующие: Брюн-Матуяма - 0.69 млн. лет, Матуяма-Гаусс - 2.43 млн. лет, Гаусс-Гильберт - 3.32 млн. лет. Внутри эпох полярности открыты на порядок более короткие всплески противоположной полярности геомагнитного поля - события, названные по местностям, где они обнаружены: в эпохе Брюн - событие Латами (о), в эпохе Матуяма - события Джарамйлло (н), Гилса (н) и двойное событие Олдувай (н), в эпохе Гаусс - события Казна (о) и Маммот (о), в эпохе Гильберт - события Кочити (н) и Нунивак (н).

Рис. 42. Шкала обращений геомагнитного поля за последние 4.5 млн. лет. Черное - нормальная полярность.

Обнаруженное по намагниченности лав чередование эпох нормальной и обратной полярности геомагнитного поля и событий внутри этих эпох получило хорошее подтверждение при определении направлений намагниченности последовательных слоев в колонках океанических осадков, в том числе в колонках глубоководного бурения океанского дна, проводимого, начиная с 1968 г., специально оборудованным для этого судном «Гломар Челленджер» (за семь лет, 1968-1975 гг., оно пробурило в разных районах Мирового океана около 600 скважин с проникновением в толщу дна более чем на 1400 м, во многих случаях - до подстилающих осадочные породы базальтов, а в одном случае скважина прошла свыше 500 м через толщу базальтов до лежащих ниже гипербази-тов). Выяснилось, что в колонках осадков чередуются слои с нормальной и обратной намагниченностью, причем в большинстве случаев толщины таких последовательных слоев оказываются пропорциональными длительностям соответствующих эпох полярности геомагнитного поля (как этого и следует ожидать при приблизительно постоянной скорости океанического осадкообразования, которая служит здесь коэффициентом пропорциональности).

В отличие от лав запись изменений намагниченности во времени в колонках осадков непрерывна и потому позволяет изучать тонкую структуру таких изменений; свидетельства колонок осадков о палеомагнитных событиях (например, о раздвоении события Олдувай) имеют высокую значимость (правда, при перерывах в осадконакоплении какие-то из событий могут в некоторых колонках отсутствовать, но такие перерывы представляют большой интерес и сами по себе). По толщинам слоев в колонках осадков удалось установить, что обращения полярности происходят за несколько тысячелетий, причем за этот период дипольная часть геомагнитного поля (см. ниже) сначала убывает настолько, что становится неотличимой от недипольной части, а затем вновь вырастает, но с противоположным знаком. Колонки бурения «Гломара Челленджера» в разных частях земного шара в принципе позволяют восстанавливать глобальную структуру геомагнитного поля в моменты обращений его полярности, что должно дать ценные данные для суждений о природе этого поля и его вариаций.

В главе 6 излагалась гипотеза Г. Хесса и Р. Дитца обобразовании океанической литосферы и коры в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и о раздвижении океанского дна в обе стороны от этих рифтовых зон конвекционными течениями в мантии Земли под астеносферой. Учтем, что базальты второго слоя океанической коры, выплавляемые из мантии в рифтовых зонах, должны при своем остывании в последовательные эпохи полярности геомагнитного поля приобретать соответственно нормальную или обратную намагниченность. Тогда следует ожидать, что при растяжений океанского дна на нем должны образовываться полосы положительных и отрицательных магнитных аномалий, параллельные осям срединно-океанических хребтов и симметричные относительно этих осей, причем ширины таких последовательных полос должны быть пропорциональными длительностям соответствующих эпох полярности геомагнитного поля (конечно, пока скорость растяжения океанского дна, служащая здесь коэффициентом пропорциональности, хотя бы приблизительно постоянна во времени). Эту гипотезу выдвинули в 1963 г. Ф. Вайн и Д. Мэтьюз (русский перевод их статьи см. в сборнике [35]); в 1964г. аналогичную гипотезу независимо опубликовали Л. Морли и А. Лярошель. В последующие годы были собраны многочисленные данные, свидетельствующие в пользу этой гипотезы.

Полосчатая конфигурация магнитных аномалий в океане впервые была обнаружена Р. Мейсоном и А. Раффом еще в 1958 и 1961 гг. в северо-восточной части Тихого океана, где были зафиксированы узкие, шириной по 30-40 км, параллельные друг другу (в этом районе меридиональные) полосы чередующихся положительных и отрицательных магнитных аномалий интенсивностью порядка 500 гамм, приблизительно постоянной вдоль каждой полосы. Аналогичные результаты были получены в 1962 г. судном «Оуэн» в районе подводного хребта Карлсберг в северо-западной части Индийского океана, а затем и во многих других районах Мирового океана, включая Арктику и Красное море. На рис. 43 приведен ставший классическим пример карты магнитных аномалий в районе подводного хребта Рейкьянес - участка Срединно-Атлантического хребта к югу от Исландии (полосы аномалий являются, конечно, скорее цепочками пятен, так как, согласно современным данным, излияние базальтов в рифтовой зоне происходит не непрерывно и не равномерно вдоль нее, а из отдельных вулканов, возникающих в ней то тут, то там). На рис. 44 демонстрируется пример симметрии магнитных аномалий относительно оси срединно-океанического хребта - почти полное совпадение профиля магнитных аномалий на поперечном разрезе через Тихоокеанско-Антарктический хребет (около 50° ю. ш. и 120° з. д.) с кривой, полученной из этого профиля зеркальным отражением относительно оси хребта. Пропорциональность ширин полос магнитных аномалий длительностям эпох полярности геомагнитного поля демонстрируется на примере семи районов Мирового океана на сводном графике (рис. 45); из графика видно, что скорости растяжения океанского дна варьируют от максимальных 10-12 см/год (Восточно-Тихоокеанское поднятие) до минимальных 2.2.5 см/год (Северная Атлантика и северная часть Индийского океана).

Рис. 43. Аномалии величины напряженности магнитного поля в районе подводного хребта Рейкьянес по Дж. Хейртцлеру, К. Лепишону и Дж. Барону (1966 г.). Зачернены полосы положительных аномалий; А - А - ось хребта.

Рис. 44. Иллюстрация симметрии магнитных аномалий относительно оси срединно-океанического хребта. Нижняя кривая - профиль магнитных аномалий на поперечном разрезе через Тихоокеанско-Антарктический хребет около 50° ю. ш. и 120° з. д.; верхняя кривая получена из нижней зеркальным отражением относительно оси хребта. Вверху - шкала расстояний, внизу - шкала длительности эпох полярности геомагнитного поля; их сопоставление дает для скорости раздвижения океанского дна в этом районе значение 4.5 см/год.

Рис. 45. Изменения полярности магнитного поля и ширина полос магнитных аномалий в семи районах Мирового океана. Черное - полярность, аналогичная современной, белое - обратная; 1 - Восточно-Тихоокеанское поднятие (скорость раздвижения и=10-12 см/год); 2 - Тихоокеанско-Антарктическое поднятие (u=8 см/год); 3 -южная часть Индийского океана и северная часть Тихого океана (и=6 см/год); 4 - Южная Атлантика (u=3 см/год); 5 - северная часть Индийского океана (u=2.5 см/год); в - Северная Атлантика (u=2 см/год).

Таким образом, границы полос магнитных аномалий (а также линии, им параллельные) можно рассматривать как изохроны, т. е. линии одинакового возраста океанической коры. Карта таких изохрон для всего Мирового океана приведена на рис. 46 (области океанической коры кайнозойского возраста, которые на этой карте заштрихованы, занимают около половины всего океанского дна); на рис. 47 дана более детальная карта изохрон для Северной Атлантики. Прямую проверку этих предсказаний возраста различных участков океанической коры удалось осуществить по данным глубоководного бурения дна океана. В тех скважинах, которые полностью проникли сквозь осадки и достигли лежащего под ними базальта, микропалеонтологическим методом определялся возраст самого нижнего слоя осадков, непосредственно прилегающего к базальту (можно определять также абсолютный возраст базальта, но таких определений сделано еще мало). Оказалось, что полученные данные вполне удовлетворительно согласуются с возрастами палеомагнитных изохрон (рис. 48). Это свидетельство в пользу гипотезы растяжения океанского дна явилось одним из важнейших результатов глубоководного бурения «Гломара Челленджера». Хорошее согласование таких независимых друг от друга данных различной природы, как продолжительности эпох нормальной и обратной намагниченности лав, толщины нормально и обратно намагниченных слоев в колонках океанских осадков, ширины полос положительных и отрицательных магнитных аномалий океанского дна и возрасты базальтового фундамента океанической коры, делает весьма убедительными и представление об обращениях полярности геомагнитного поля, и гипотезу о растяжении океанского дна (и ставит еще имеющихся противников этой гипотезы в исключительно трудное, если не безнадежное, положение).

Рис. 46. Карта возрастов океанической коры, определенных по даннам глубоководного бурения и полосам магнитных аномалий. Двойные линии - рифтовые зоны срединно-океанических хребтов; штриховые - изохронны; цифры на них - возрасты океанической коры в десятках миллионов лет; жирная линия - граница мезозойской океанической кры; заштрихованная область океанической коры кайнозойского возраста; кружки - скважины глубоководного бурения: черные - до базальтов, светлые - не достигшие базальтов.

Полосчатые магнитные аномалии океанского дна оказались наиболее удобной информацией для восстановления эпох полярности геомагнитного поля в далеком прошлом. Воспользовавшись хорошо согласующимися друг с другом последовательностями магнитных аномалий в северной и южной частях Тихого океана и в южных частях Атлантики и Индийского океана, Дж. Хейртцлер, Г. Диксон, Э. Херрон, У. Питмен и К. Лепишон (см. их статью в сборнике [35]) построили палеомагнитную шкалу времени на 80 млн лет в прошлое (см. левую колонку на рис. 49). С помощью корреляции между полосчатыми аномалиями западнее Гавайских островов (раннемеловая часть которых хорошо согласуется с аномалиями в районе Феникс у экватора в Тихом океане и в районе к востоку от Японии) и «аномалиями Китли» по западной периферии Саргассова моря в Северной Атлантике Р. Ларсон и У. Питмен продолжили эту шкалу до 162 млн. лет в прошлое (см. правую колонку на рис. 49). Согласно этой шкале, в последние 85 млн лет, а также в период 148-111 млн лет верхней юры и нижнего мела происходили довольно частые обращения полярности геомагнитного поля, период же 111-85 млн. лет среднего и верхнего мела отличался неизменной нормальной полярностью (это же относится и к некоторому периоду времени ранее 148 млн. лет). Данные о направлениях намагниченности пород континентальной коры показывают, что обращения полярности геомагнитного поля происходили и в более древние времена. Обобщив такие данные по территории СССР, А. Н. Храмов и Л. Е. Шолпо [53] предложили первую ориентировочную палеомагнитную шкалу времени для всего фанерозоя, которая воспроизводится на рис. 50. Согласно этой шкале, почти во всем мезозое и в период O2-S1 преобладало магнитное поле современной полярности с редкими вспышками обратной. В периоды Cm1, О1, D2-С1, С2-Р2 и в палеоцене преобладала обратная полярность. Наконец, в периоды Сm2- Сm3, S2-D1, C1-С2 и Р2-T1, а также в течение большей части кайнозоя происходили частые, каждые 0.5-5 млн лет, обращения полярности геомагнитного поля.

Рис. 49. Ламонтская палеомагнитная шкала времени. Черное - нормальная полярность.

Рисунки 42, 49 и 50 показывают, что геомагнитному полю действительно свойственны обращения полярности, так что теории, претендующие на объяснение происхождения геомагнитного поля, должны объяснять и эту способность.

Рис. 50. Фанерозойская палеомагнитная шкала времени А. Н. Храмова и Л. Е. Шолпо. Черное - нормальная полярность.

Указания на изменения геомагнитного поля со временем, могущие привести к обращению его полярности, дают измерения магнитологов, проведенные за последние 150 лет. Современное геомагнитное поле (краткие сведения о котором мы приводили в главе 2, см., в частности, рис. 2) можно приближенно описать, как поле помещенного в центр Земли магнитного диполя (двухполюсника, подобного намагниченной железной палочке или стрелке компаса); горизонтальная составляющая такого поля на поверхности Земли пропорциональна косинусу географической широты, а вертикальная - удвоенному синусу широты (причем коэффициент пропорциональности в обоих этих соотношениях равен величине магнитного момента диполя, деленной на куб радиуса Земли). Точнее, современное геомагнитное поле - сумма дипольной части и вдесятеро менее интенсивной недипольной части. Измерения последних 150 лет показывают, что дипольная часть (магнитный момент диполя) убывает со скоростью около 5% за столетие, и если этот процесс будет продолжаться с такой же скоростью и в дальнейшем, то через 2000 лет произойдет обращение полярности геомагнитного поля. Таким образом, возможно, что мы живем как раз во время обращения полярности.

Измерения показывают, что недипольная часть современного геомагнитного поля смещается на запад со скоростью около 0.18° долготы в год (полный оборот вокруг Земли за 2000 лет). С позиций изложенной в конце главы 2 современной гипотезы о динамо-механизме генерации геомагнитного поля (течениями электропроводящей жидкости во внешнем жидком слое земного ядра) западный дрейф недипольной компоненты объясяется, возможно, переносом неоднородностей поля течениями в ядре со скоростями порядка 20 км/год % 0.7 мм/сек. Такие течения могут быть проявлением небольшого отставания вращения внешнего слоя ядра вокруг земной оси от вращения мантии и коры. В то же время вращения ядра и мантии связаны друг с другом (см., например, работу автора [11]): сумма их моментов количества движения должна быть постоянной во времени. Поэтому обнаруженную Э. Вестином (1953 г.) тесную связь между неравномерностями западного Ярейфа недипольной части магнитного поля в 1905-1945 гг. и измеренными астрономами вариациями скорости вращения Земли (т. е. коры и мантии) в эти годы можно считать свидетельством в пользу гипотезы о динамо-механизме в жидком ядре.

Как следствие из этой гипотезы можно высказать следующее предположение (которое мы будем использовать ниже): поскольку на движения в жидком ядре должно влиять вращение Земли, можно ожидать, что геомагнитное поле, осредненное по временам порядка десятков тысячелетий (большим по сравнению с типичными периодами его вековых вариаций, но малым по сравнению со временами тектонических процессов), будет симметричным относительно оси вращения Земли (мгновенные же, не осредненные поля такой симметрией не обладают).

Гипотеза динамо может дать основу и для объяснения обращений полярности геомагнитного поля. В самом деле, простейший динамо-механизм, генерирующий магнитное поле, можно построить, взяв металлический диск, вращающийся на металлической же оси и помещенный в параллельное этой оси магнитное поле. По закону индукции вращение диска в магнитном поле породит в нем электрический ток, направленный от оси к ободу диска. Будем снимать этот ток с обода щеткой и отправлять его на ось по проводу, совершающему около оси один или несколько витков. Витки с током будут создавать новое магнитное поле, параллельное оси, которое будет прибавляться к начальному. В результате и магнитное поле, и ток будут расти со временем. Это дисковое динамо Э. Булларда (1955 г.) способно генерировать магнитное поле, но расчет показывает, что способностью к обращениям полярности оно не обладает. Однако стоит только взять два взаимодействующих дисковых динамо, в которых ток одного подпитывает магнитное поле другого, и наоборот (рис. 51), и расчет показывает, что здесь уже появляется способность к обращениям полярности (см. главу 10 книги [9]). На первый взгляд кажется, что механизм магнитогидродинамических движений в жидком слое земного ядра не имеет с дисковыми динамо ничего общего. Однако на самом деле описывающие этот механизм уравнения магнитной гидродинамики во многом аналогичны уравнениям для цепочек взаимодействующих дисковых динамо. С этой точки зрения способность геомагнитного поля к обращениям полярности перестает быть загадочной.

Рис. 51. Двухдисковое динамо.

Мы имеем в природе еще один великолепный пример обращений магнитного поля (более быстрых и гораздо более регулярных, чем в случае геомагнитного поля) - это знаменитый цикл солнечных пятен, имеющий в среднем продолжительность 11.5 лет. Известно, что в солнечных пятнах имеются сильные магнитные поля (с напряженностью до 4000 Гс). Пягна, кар правило, развиваются группами, причем в течение одного и того же цикла солнечных пятен полярности магнитных полей передних пятен во всех группах одного полушария Солнца (передним называют пятно, движущееся при вращении Солнца впереди остальных пятен группы) одинаковы и противоположны полярностям магнитных полей всех задних пятен; кроме того, полярности передних пятен разных полушарий противоположны. Слабыми (порядка!-2 Гс) магнитными полями (такой полярности, как передние пятна данного полушария) обладают околополярные области Солнца. При переходе от одного цикла солнечных пятен к другому у всех упомянутых здесь магнитных полей полярности заменяются на обратные. Таким образом, циклы солнечных пятен являются также циклами обращений полярности гелиомагнитного поля, которые, как и в случае геомагнитного поля, целесообразно пытаться объяснять с помощью гипотезы динамо.

Перейдем теперь ко второй группе результатов палеомагнитных исследований - определениям палеомагнитных полюсов. Пусть в выбранном пункте земной коры (с географической широтой φk) и долготой λk) определено среднее направление намагниченности породы геологического возраста t, т. е. измерено склонение Dk (t) этого направления (угол между его горизонтальной составляющей и современным направлением на север) и его наклонение Ik(t) (угол между направлением намагниченности и горизонтальной плоскостью). Определив это среднее направление по многим образцам из различных слоев данной породы, можно считать, что оно соответствует палеомагнитному полю, осредненному за большой промежуток времени и поэтому (согласно сформулированному выше следствию из гипотезы динамо) симметричному относительно оси вращения Земли того времени. Иначе говоря, можно считать, что среднее направление намагниченности породы, определяемое углами DK(t) и Ik(t), указывает на географический полюс возраста t.

Если допустить, что осредненное палеомагнитное поле не только осесимметрично, но еще и дипольно, то тангенс палеонаклонения Ik(t) будет равен удвоенному тангенсу палеошироты ~φА(t), так что последняя будет просто определяться по Ik(t) (допущение дипольности облегчает расчеты, но оно не обязательно: имея в разных пунктах серию определений направления намагниченности пород возраста t, указывающих на один и тот же палеополюс, мы тем самым получаем зависимость палеоширот от палео-наклонений). Зная же географические координаты точки измерения φk и λk), палеосклонении палеошироту Dk(t), по простым формулам сферической тригонометрии нетрудно рассчитать географические координаты палеополюса φ(t) и λ(t) (см., например, главу 9 в работе [9]). Определенный таким образом палеополюс называют виртуальным полюсом.

Рассмотрим некоторый блок земной коры, стабильный в том смысле, что во все геологические времена с возрастами от t до современного он полностью сохранял свою форму, так что все расстояния между любыми его точками оставались неизменными. Тогда ясно, что все виртуальные полюсы возраста t, определенные по пунктам в пределах этого блока, должны совпадать; их хорошая кучность будет свидетельствовать о малости ошибок, вкравшихся в измерениями расчеты, и внушать уверенность в надежности определения палеополюса как среднего из этих виртуальных полюсов. Такой результат получается, в частности, по породам позднего плейстоцена и голоцена со всех континентов: их виртуальные полюсы группируются у современного географического, а не геомагнитного полюса и оказываются более кучными, чем виртуальные полюсы современного геомагнитного поля (не осредненного по времени, так что его недипольная часть не исключена). Аналогично, лишь с чуть большим разбросом, выглядят виртуальные полюсы всех континентов с возрастами до олигоцена или даже до эоцена, свидетельствуя тем самым, что за последние 40-50 млн. лет ни распределение континентов по широтам, ни положение географического полюса не претерпевали существенных изменений. Что касается более ранних времен, то палеомагнитные данные свидетельствуют уже о заметных относительных движениях континентов и полюсов.

Одно из первых таких свидетельств было получено в 1954 г. английскими магнитологами Дж. Клеггом, М. Олмондом и П. Стаббсом в результате измерений намагниченности красных песчаников триаса Англии, показавших, что за послетриасовое время расстояние по широте между Англией и северным полюсом уменьшилось градусов на 30° и Англия повернулась относительно соединяющей ее и полюс дуги большого круга на 34° по часовой стрелке. В 1956-1958 гг. сенсационные результаты принесли измерения намагниченности базальтовых излияний - траппов Декана в Индии, возраст которых варьирует от юрского до третичного; по этим данным, палеоширота Бомбея в юре равнялась 40° ю. ш., сейчас же он находится на 19° с. ш., так что расстояние между ним и северным полюсом за последние 135 млн. лет уменьшилось на 7000 км (скорость сближения составляет около 5 см/год). В 1958 г. Э. Ирвинги Р. Грин измерили намагниченность ряда образцов различного возраста из юго-восточной Австралии и установили, что палеоширота этого блока коры в венде была близка к 70-80° ю. ш., за кембрий изменилась до 0° и в ордовике даже до 30° с. ш., после чего плавно менялась опять до 80° ю. щ. в карбоне и перми, а затем вновь стала уменьшаться до ее современного значения; эти данные позволяют толковать упоминавшееся в главе 7 пермокарбоновое оледенение Гондваны как материковое, естественное для околополярного района.

Допуская возможность движений континентов друг относительно друга, К. Крир, Э. Ирвинг и С. Ранкорн предложили строить траектории движения полюса φ(t) и λ(t) относительно каждого континентапо-отдельности (по измерениям намагниченности пород только в пределах данного континента). Оказалось, что траектории движения полюса относительно разных континентов отнюдь не совпадают друг с другом, как это было бы при неизменном расположении континентов друг относительно друга. Следовательно, взаимное расположение континентов действительно изменялось со временем. Тогда возникает задача - восстановить взаимное расположение всех континентов (точнее, всех стабильных блоков континентальной коры) в различные периоды прошлого времени так, чтобы соответствующие всем им палеополюсы одинаковых возрастов всегда совпадали. В качестве примера на рис. 52 приводятся траектории движения южного полюса относительно Африки и Южной Америки для периода времени от 400 до 200 млн. лет тому назад (от начала девона до середины триаса). Они отнюдь не совпадают - африканская траектория лежит заметно восточнее южноамериканской. Но их можно привести к совпадению (приблизительно с той же точностью, с какой восстанавливают обе эти траектории), если принять, что Африка и Южная Америка в течение всего верхнего палеозоя были совмещены так, что линии их материковых склонов совпадали.

Рис. 52. Траектории движения южного полюса относительно Африки и Южной Америки в верхнем палеозое при современном размещении указанных континентов (а) и при их совмещении по линиям материковых склонов (б).

Аналогичным примером могут служить траектории движения северного полюса относительно Европы и Северной Америки за последние 400 млн. лет, показанные на рис. 53. При современном расположении этих континентов девоно-триасовый отрезок европейской траектории лежит восточнее североамериканской траектории приблизительно на 45° - как раз на ширину Северной Атлантики, но обе траектории совпадут, если допустить, что с девона до юры Европа и Северная Америка были совмещены по линиям их материковых склонов, а с юры по палеоген раздвигались, образуя Северную Атлантику.

Рис. 53. Траектории движения северного полюса относительно Европы и Северной Америки за последние 400 млн. лет.

В качестве третьего примера приведем результаты А. Н. Храмова и Л. Е. Шолпо [53], построивших виртуальные полюсы различных возрастов, во-первых, по породам Европейской части СССР и Средней Азии (они оказались неплохо согласующимися с траекторией европейского полюса, рис. 53), и, во-вторых, по породам Сибири и Дальнего Востока - в мезокайнозое они не имели каких-либо систематических отклонений от европейских полюсов, а в палеозое оказались заметно южнее и западнее европейских (например, по Сибири полюсы верхнего кембрия и ордовика попали в районы нынешней Австралии, по Восточной Европе - в северную половину Тихого океана). Эти результаты можно считать указанием на существование в палеозое сибирского материка Ангариды, отделенного значительным промежутком от Русской платформы.

Заметим, впрочем, что относительные движения континентов, обеспечивающие совпадение соответствующих им палеополюсов одинаковых возрастов, по одним лишь палеомагнитным данным восстанавливаются неоднозначно, так как вследствие допущения осесимметричности осредненных палеомагнитных полей палеодолготы тех или иных блоков земной коры по палеомагнитным данным определены быть не могут. Для однозначного восстановления движения континентов необходимо привлекать дополнительные материалы. Таковыми могут быть, например, тектонические данные (а временно - хотя бы гипотезы) о расположении древних срединно-океанических хребтов и зон Заварицкого-Беньофа, направлениях и скоростях растяжения океанского дна; к этому вопросу мы еще вернемся в главе 11.

На рис. 54, а-з приведены глобальные палеомагнитные реконструкции фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.), упрощенные в том отношении, что при их создании использовались только палеомагнитные данные по континентам, не делалось попыток восстановления срединно-океанических хребтов, зон Заварицкого-Беньофа и форм древних континентов, а палеодолготы устанавливались лишь из качественных соображений. Все карты построены в стереографических проекциях, центрированных на северные и южные полюсы соответствующих возрастов. Эоценовые карты (рис. 54, а) отличаются от современных тем, что на них Австралия еще не отделилась от Антарктиды, Индия находилась на экваторе и еще не была соединена с Азией, Африка была заметно южнее ее современного положения, северная часть Красного моря еще не раскрылась, Берингов пролив был много шире современного, а Панамский перешеек был разорван. На меловой карте (рис. 54, б) и на всех более древних (рис. 54, в-з) - юрской, триасовой, пермской, нижнекарбоновой, нижнедевонской и кембрийско-нижнеордовикской - в южном полушарии имелась единая Гондвана, слабо смещавшаяся относительно южного полюса (лишь на самой древней из этих карт он находился в современной северо-западной Африке, Австралия была в северном полушарии, а позже он блуждал в районах Аргентины и Антарктиды).

Рис. 54, а. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Эоцен (50 ± 5 млн. лет).

Рис. 54, б. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Мел (100 ± 10 млн. лет).

В северном полушарии ситуация менялась гораздо резче. В мелу (рис. 54, б) уже существовало Саргассово море с широким проливом Тетис между Северной и Южной Америкой, северная же часть Северной Атлантики еще не раскрылась, Берингов пролив был очень широким, а северный полюс приходился на Аляску. В юре (рис. 54, в) мы видим самое начало распада Пангеи; наиболее плотно «упакованной» она была в триасе (северный полюс чуть к северу от Магадана) и в перми (северный полюс юго-восточнее Камчатки; рис. 54, г, д). В нижнем карбоне Пангеи еще не было (рис. 54, е); Северная Америка, объединенная с Европой (они частично находились в южном полушарии), была отделена Палео-Тетисом от Гондваны и широким океаном от Ангариды. В нижнем девоне (рис. 54, ж) в северном полушарии находились лишь Ангарида (северный полюс был восточнее Японии) и, у экватора, восток Европы (в то время еще соединенной с Северной Америкой), а в кембрии - нижнем ордовике (рис. 54, з) в северном полушарии размещались (в основном в его тропической зоне) лишь южная часть Ангариды, Австралия и восток Северной Америки (которая была отделена Палео-Атлантикой от Европы).

Рис. 54, в. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Юра (170 ± 15 млн. лет).

Рис. 54, г. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Триас (220 ± 20 млн. лет).

Рис. 54, д. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Пермь (250 ± 25 млн. лет).

Таким образом, определение траекторий палеомагнитных полюсов относительно различных континентов и совмещение этих траекторий приводят к весьма радикальным результатам, являющимся новыми и независимыми от предыдущих количественными свидетельствами об образовании и распаде фанерозойских суперконтинентов Гондваны, Лавразии и Пангеи, упоминавшихся в главах 3 и 7 (предположения о существовании которых высказывались ранее рядом геологов на основании сходства соответствующих участков береговых линий и пересекаемых ими геологических структур современных осколков этих суперконтинентов, а также на основании разнообразных палеонтологических, палеоботанических и палеоклиматических данных). Эти результаты палеомагнитных определений в дальнейшем, по-видимому, будут уточняться и детализироваться, но основные черты показанных на рис. 54 глобальных движений континентов и полюсов вряд ли изменятся.

Рис. 54, е. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Нижний карбон (340 ± 30 млн. лет).

Рис. 54, ж. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Нижний девон (380 ± 35 млн. лет).

Рис. 54, з. Глобальная палеомагнитная реконструкция фанерозойского движения континентов по А. Смиту, Дж. Брайдену и Г. Дрюри (1973 г.). Кембрий-нижний ордовик (510 ± 40 млн. лет).

Возможные причины движения континентов (вместе с содержащими их литосферными плитами) уже отмечались выше в главах 4 и 6; это конвективные течения в верхней мантии, вследствие трения через астеносферу увлекающие за собой литосферные плиты. Попытаемся теперь разъяснить также причины движений полюсов. При этом будем исходить из того, что направление оси вращения Земли в пространстве не изменяется, т. е. эта ось все время направлена в одну и ту же точку на звездном небе (так называемый полюс мира), а Земля в целом поворачивается относительно этого направления так, что полюсы вращения блуждают по ее поверхности (на самом деле направление оси вращения Земли или, точнее, вектор момента количества движения вращающейся Земли может меняться из-за наличия момента сил притяжения других небесных тел - Луны, Солнца и других планет; однако расчет показывает, что такие изменения складываются, во-первых, из сравнительно короткопериодных прецессионных и нутационных колебаний, исчезающих при упоминавшемся выше осреднении по времени, свойственном палеомагнитным определениям, и, во-вторых, из очень медленных эффектов приливного трения с типичными временами порядка миллиардов лет, которыми мы пока что пренебрежем, но будем специально их анализировать в главе 11).

Для осуществления значительных поворотов Земли относительно направления оси ее вращения нужны, во-первых, силы, момент которых заставил бы ее поворачиваться. Во-вторых, нужно, чтобы Земля была не слишком жесткой, так что в ней даже при небольших напряжениях могли бы развиваться значительные деформации (только тогда создаваемое ее вращением экваториальное вздутие, характеризуемое разностью экваториального и полярного радиусов, равной около 21.4 км, будет способно перемещаться по телу Земли при ее поворотах относительно оси вращения); это условие, по-видимому, выполняется; в главе 4 приводились данные о том, что при очень долго действующих нагрузках вещество Земли ведет себя как вязкая жидкость.

Согласно оценкам, изложенным в книгах [8] и [9], главные силы, ответственные за блуждание полюсов, связаны с неправильностями распределения масс в Земле относительно экваториального вздутия, создаваемыми различиями между континентами и океанами и прежде всего тем, что континенты выше. При этом на каждый континент действует полюсобежная сила Этвеша - направленная всегда к экватору векторная сумма силы тяжести, приложенной к центру тяжести всего континента, и архимедовой силы плавучести, приложенной к центру тяжести нижней, погруженной в литосферу части континента. Эти силы малы (недостаточны для того, чтобы сдвигать континенты), но их суммарный момент значителен (способен поворачивать Землю относительно оси ее вращения). Момент сил Этвеша стремится повернуть Землю в такое равновесное положение, при котором наибольшая доля континентальных масс находится в зоне экваториального вздутия.

Проведенные М. Миланковичем (1934 г.) и У. Манком (1958 г.) приближенные расчеты показали, что в настоящее время равновесное положение полюса может находиться либо около Гавайских островов, либо около Архангельска. Палеомагнитные реконструкции многих авторов, в том числе реконструкции рис. 54, показывают, что за последние 500 млн. лет полюс перемещался из центральных районов Тихого океана в Арктику. То, что он еще не дошел до Архангельска, можно пытаться объяснять большой эффективной вязкостью земного вещества, тормозящей повороты Земли относительно оси ее вращения. Но в это рассуждение нужно еще внести поправку на то, что одновременно с движением полюса к его равновесному положению происходит и движение континентов вместе с несущими их литосферными плитами, а потому и смещение равновесного положения полюса.

Таким образом, если бы континенты не двигались, то полюс должен был бы сместиться в равновесную точку и оставаться в ней, но при движении континентов эта точка все время смещается, и полюс «гонится» за ней с некоторым отставанием, создаваемым вязкостью земного вещества. Такова возможная интерпретация положений полюсов на рис. 54.

 

ГЛАВА 10: ДВИЖЕНИЕ КОНТИНЕНТОВ

Сходство противоположных берегов Атлантики. Гипотеза Вегенера. Тектоника литосферных плит. Границы плит. Движение плит на сфере: раздвижение океанского дна, трансформные разломы, полюсы вращения плит. Мезокайнозойская история Тихого океана. Фанерозойская глобальная палеогеографическая реконструкция. Мезокайнозойская история Средиземного моря. Верхнемиоценовые катастрофы. Движение континентов в будущем

Первым свидетельством движения континентов издавна считалось сходство очертаний западного берега Африки и восточного берега Южной Америки. Неслучайность этого сходства отмечал еще английский философ Фрэнсис Бэкон в своем сочинении «Новый Органон» (1620 г.), а Пласе (1658 г.) высказывал предположение, что Старый и Новый Свет разделились в результате всемирного потопа (эта точка зрения просуществовала по меньшей мере до XIX столетия). В 1858 г. итальянский ученый Антонио Снидер-Пеллегрини обосновывал идею об образовании Атлантики в результате раскола единого праматерика и раздвижения его осколков сходством очертаний противоположных берегов Атлантики, а также ископаемых растений и месторождений угля в Европе и Америке.

Сходство противоположных берегов Атлантики продолжает поражать нас и теперь. В 1965 г. Э. Буллард, Дж. Эверетт и А. Смит при помощи вычислительной машины подобрали наилучший вариант совмещения естественных границ приатлантических континентов - их материковых склонов (на глубине в 500 морских саженей; рис. 55). Показанные на рисунке черным цветом зоны несовпадения материковых склонов очень узки по сравнению с размерами самих континентов; так, среднее квадратичное отклонение двух контуров между устьем Амазонки и мысом Доброй Надежды составляет всего 88 км. Несколько хуже, но все же приемлемо полученное совпадение границ Северной Атлантики; правда, оно потребовало небольшой деформации континентов - поворота Испании относительно Европы, частично закрывающего Бискайский залив, а также неучета Мексики и Центральной Америки. Отметим, что теперь мы видим на картах еще третью линию, удивительно похожую на контуры противоположных берегов Атлантики, - это ось Срединно-Атлантического хребта.

Рис. 55. Совмещение границ приатлантических континентов по Э. Булларду, Дж. Эверетту и А. Смиту (1965 г.).

Д. Дарвин и Фишер (1880 г.) предлагали объяснять движение континентов перестройкой формы Земли после гипотетического отрыва от нее Луны на месте современного Тихого океана (в результате резонанса при совпадении периодов вращения Земли и ее собственных колебаний), однако теперь эта гипотеза о происхождении Луны признана несостоятельной. В 1908 г. американский ученый Ф. Тэйлор выдвинул ряд аргументов в пользу движения континентов (по направлению к экватору, но с уклонениями и на запад, и на восток), объясняя им образование и складчатых гор, и островных дуг. В серии статей 1911-1928 гг. американского геолога Бейкера движение континентов обосновывалось соответствием горных систем (каледонид) на противоположных берегах Атлантики и предлагалась реконструкция единого праматерика, обеспечивающая непрерывность этих горных систем.

Наибольшую популярность идея о движении континентов приобрела в результате работ выдающегося немецкого геофизика Альфреда Вегенера, который справедливо считается главным автором этой идеи. Впервые он сформулировал ее в статье «Происхождение континентов» (1912 г.), а затем в книге «Возникновение материков и океанов» (1915 г.), многократно переиздававшейся и переведенной на многие языки (русский перевод [54] вышел в 1925 г.). Исходя из уже упоминавшегося сходства контуров берегов, геологического строения и верхнепалеозойской флоры и фауны приатлантических континентов, особенно Африки и Южной Америки, а также из распространения на всех гондванских материках следов пермокарбонового оледенения, А. Вегенер предложил реконструкцию Пангеи и процесса ее распада (эта классическая реконструкция приводится на рис. 56); наши современные представления о последевонском движении континентов (рис. 54, а-е) во многом с ней совпадают. Одна из первых целей, которые преследовал Вегенер при составлении этой реконструкции, - объяснение климата Земли во время пермокарбонового оледенения Гондваны (к этому вопросу мы еще вернемся в следующей главе); это объяснение получило горячую поддержку одного из крупнейших климатологов того времени В. Кеппена и нашло отражение в их совместной книге «Климаты геологического прошлого» (1921 г.). Многочисленные геологические свидетельства в пользу гипотезы Вегенера, собранные в результате специальных исследований в Африке и Бразилии, были изложены в книге одного из наиболее активных последователей А. Вегенера, крупного южноафриканского геолога А. Дю-Тойта «Наши блуждающие континенты» (1937 г.).

Рис. 56. Реконструкция Пангеи и процесса ее распада по А. Вегенеру. Заштрихованы области континентов, покрытые мелкими морями.

Заметим, однако, что предложенные Вегенером в качестве причины движений континентов полюсобежные силы Этвеша, которые мы упоминали в предыдущей главе, оказались для этого слишком слабыми (тогда как их момент, по-видимому, вполне достаточен, чтобы вызывать движение полюсов). Другая же причина, представляющаяся ныне наиболее правдоподобной, - конвекционные течения в верхней мантии Земли, - хотя и высказывалась в той или иной форме еще в начале XX столетия О. Ампферером, Р. Швиннером, Э. Краусом, А. Дю-Тойтом и в форме, весьма похожей на современную, Артуром Холмсом (1927-1929), долгое время считалась спекулятивной и всерьез не принималась. Кроме того, мелкие ошибки в некоторых деталях, обнаруженные придирчивыми критиками в высказываниях Вегенера и его последователей, заслонили от большинства геологов достоинства его идей, и концепция движения континентов ряд лет считалась несостоятельной, пока не возродилась в 60-х годах текущего столетия под давлением новых независимых данных палеомагнетизма (изложенных в предыдущей главе) и сведений о строении океанского дна.

Одного только взгляда на карту очагов землетрясений (рис. 8) достаточно, чтобы заметить, что они образуют узкие и длинные зоны, разделяющие сейсмически активный верхний слой Земли на стабильные участки - литосферные плиты, внутри которых землетрясений не происходит (или происходит сравнительно мало). Эти зоны, разграничивающие плиты, образованы срединно-океаническими хребтами (там они особенно узки) и глубоководными океаническими желобами (зоны Заварицкого-Беньофа, заметно более широкие). К этим зонам приурочено и подавляющее большинство действующих вулканов (рис. 9). Таким образом, верхний слой Земли естественно распадается на плиты (рис. 10), причем насчитывается 6-7 крупных плит, а в некоторых из них выделяется еще несколько мелких.

В главе 6 говорилось о том, что океанические литосферные плиты образуются на осях срединно-океанических хребтов (рассматриваемых как зоны восходящих ветвей конвекционных течений в мантии Земли), раздвигаются в обе стороны от этих осей под действием расходящихся горизонтальных ветвей подлитосферных конвекционных течений (такое раздвижение, по-видимому, подтверждается данными о возрастах базальтового фундамента океанической коры, полученными как палеомагнитным методом, так и прямыми исследованиями образцов из кернов, полученных при глубоководном бурении океанского дна) и заглубляются под континентальные литосферные плиты в зонах Заварицкого-Беньофа, в результате чего в этих зонах происходит наращивание новой континентальной коры. Складывающаяся из этих представлений система взглядов (т. е., собственно, теория), получившая наименование новой глобальной тектоники, или тектоники плит, была сформулирована в статьях В. Моргана, затем К. Лепишона и, наконец, Б. Айзекса, Дж. Оливера и Л. Сайкса, опубликованных в 1968 г. в трех номерах одного и того же журнала (см. их русский перевод в сборнике [35]). Соответствующие этим представлениям схематические разрезы различных типов границ между литосферными плитами показаны на рис. 57 (по работе Дж. Дьюи и Дж. Берда 1970 г., русский перевод которой читатели найдут в сборнике [35]); в ряде мест эти схемы подтверждены геофизическими (прежде всего сейсмическими) данными.

Рис. 57. Схематические разрезы различных типов границ между литосферными плитами по Дж. Дьюи и Дж. Берду [35].

На рис. 57, а дан разрез через Южную Америку (от Перуано-Чилийского желоба), Атлантику и Африку (до Срединно-Индоокеанского хребта), показывающий, в частности, что Южная Америка и Африка намертво «впаяны» в соответствующие литосферные плиты (иначе говоря, атлантический край Южной Америки и края Африки - так называемые пассивные континентальные окраины). На рис. 57, б приведен разрез через Японское море и Тихий океан до Анд; подводная возвышенность Ямато в Японском море здесь трактуется как микроконтинент, показаны Японский, Перуано-Чилийский желобы и рифтовая зона Восточно-Тихоокеанского поднятия. На рис. 57, в дан другой разрез через Тихий океан - от Восточно-Китайского моря через Манильский и Марианский желобы до Калифорнии с ее глубинным разломом Сан-Андреас и затем Кордильерами. На рис. 57, г приведен более южный разрез через Филиппинскую плиту, где под нее заглубляется кора и Южно-Китайского моря, и Тихого океана. Рисунок 57, д свидетельствует, что Австралия приближается к Новым Гебридам. На рис. 57, е дан меридиональный разрез через Черное море (окаймленное пассивными окраинами), Турцию и Средиземное море (с предположительной зоной Заварицкого-Беньофа, уходящей под Турцию). Наконец, на рис. 57, ж приведен меридиональный разрез через Гималайскую зону столкновения Индостана с Азиатским континентом, продолжающийся на юг, в Индийский океан.

Движение любой жесткой плиты на поверхности сферы в каждый фиксированный момент времени может быть представлено, как ее вращение с определенной угловой скоростью относительно некоторого мгновенного полюса (т.е. относительно оси, проходящей через этот полюс и центр сферы). Проходящие через этот полюс меридианы и соответствующие ему параллели будем называть мгновенными. Если принять, что раздвижение океанского дна происходит по направлениям, перпендикулярным оси срединно-океанического хребта, то эта ось либо должна быть мгновенным меридианом, либо, если она искривлена, должна состоять из отрезков мгновенных меридианов, последовательные концы которых соединены отрезками мгновенных параллелей. Фактически оси срединно-океанических хребтов, конечно, искривлены и, согласно второй из указанных возможностей, имеют вид ступенчатых кривых - они состоят из отрезков мгновенных меридианов, сдвинутых друг относительно друга по мгновенным долготам. Соединяющие их последовательные концы отрезки мгновенных параллелей суть разломы (называемые трансформными), на противоположных берегах которых движения, соответствующие раздвижению океанского дна, имеют противоположные направления (на продолжениях же этих разломов за пределы осей срединных хребтов разрывов в скорости движений уже не имеется). Л. Сайке (1967 г.) на многочисленных примерах установил, что трансформные разломы между концами отрезков рифтовых зон срединных хребтов весьма сейсмичны, причем механизм происходящих на них землетрясения действительно соответствует разрыву в направлении движений на их противоположных берегах.

В качестве примера на рис. 58 показана система трансформных разломов на искривлении срединно-океанического хребта в экваториальной Атлантике по работе Б. Хизена и М. Тарпа (1965 г.); все эти разломы совпадают по направлению с мгновенными параллелями, соответствующими мгновенному полюсу раздвижения экваториальной Атлантики, находящемуся в точке с координатами 62° с. ш., 36° з. д.

Рис. 58. Система трансформных разломов на искривлении срединно-океанического хребта в экваториальной Атлантике и их соответствие мгновенным параллелям с полюсом в точке 62 ° с.ш. и 36 ° з.д. по Б. Хизену и М. Тарпу.

Другими примерами являются разлом Де-Гира, проходящий между Норвегией, Шпицбергеном и Гренландией и соединяющий сдвинутые друг относительно друга концы Срединно Атлантического и Срединно-Арктического хребтов, а также соседний, находящийся ныне в состоянии покоя, разлом Вегенера между Гренландией и о. Элсмир, соединяющий концы разлома Де-Гира и палеорифтовой зоны Баффинова моря.

Аналогичный характер имеют разломы, ограничивающие рифт Красного моря; один из них соединяет восточный конец красноморского рифта в Индийском океане со сдвинутым относительно него северным концом Срединно-Индийского хребта Карлсберг (северное продолжение этого разлома доходит до азиатского берега около Карачи, а южное идет вдоль сомалийского берега Африки), другой соединяет северный конец красноморского рифта через долину р. Иордан с горной дугой в юго-восточной Турции.

Четвертым примером служит хорошо видный на суше и подробно изученный по происходящим на нем землетрясениям разлом Сан-Андреас, соединяющий концы Восточно-Тихоокеанского хребта и подводного хребта Хуан-де-Фука и отрезающий от территории США Калифорнию и лежащее к северу от нее Тихоокеанское побережье, а также аналогичный подводный разлом у берегов Канады, идущий от северного конца хребта Хуан-де-Фука к Аляске.

В качестве пятого примера укажем систему грандиозных квазиширотных древних разломов в северной и экваториальной частях восточной половины Тихого океана; начиная с севера, это разломы Чинук, Мендосино, Пайонир, Меррей, Молокаи, Кларион, Клиппертон, Галапагос, Маркизский; все они более или менее удовлетворительно согласуются с мгновенными параллелями с полюсом в точке 79° с. ш., 111° в. д. (Г. Менард, 1967 г.), по-видимому, служившей ранее полюсом раздвижения дна Тихого океана.

Используя направления трансформных разломов в зонах срединно-океанических хребтов, К. Лепишон подобрал по методу наименьших квадратов мгновенные полюсы вращения шести главных литосферных плит (Евроазиатской, Американской, Африканской, Тихоокеанской, Индийской и Антарктической) в северной и южной половинах Атлантики и Тихого океана, в Индийском океане и в Арктике. Полученные результаты, дающие количественную характеристику согласованного в глобадъдом плане движения шести главных литосферных плит земного шара, приведены в табл. 10.

Табл. 10. Полюсы и угловые скорости раздвижения океанского дна по К. Лепишону (1968 г.)

Определение этих же полюсов вращения другим независимым методом - по линейным скоростям раздвижения океанского дна (измеренным по полосчатым магнитным аномалиям) - дало приблизительно такие же результаты и позволило дополнительно определить мгновенные угловые скорости раздвижения, указанные в последней графе табл. 10. Из данных, приведенных в таблице, видно, что полюсы раздвижения северных и южных частей Атлантики и Тихого океана находятся сравнительно недалеко друг от друга: для северных частей этих океанов оси мгновенного вращения раздвигающихся плит выходят на поверхность Земли чуть южнее Гренландии и между Австралией и Антарктидой, для южных частей океанов - чуть западнее Гренландии и в австралийском секторе Антарктиды. Для Индийского океана полюсы раздвижения находятся в Ливии и около о-вов Тонга, для Арктики- около Таймыра и в Антарктиде. Угловой скорости раздвижения 107 град./год соответствует линейная скорость абсолютного движения каждой из раздвигающихся плит на экваторе раздвижения в 0.5 см/год. Эти скорости максимальны в южной части Тихого океана и минимальны в Арктике и Северной Атлантике. Приведенные в табл. 10 сведения о современных движениях литосферных плит являются, конечно, весьма упрощенной схемой уже потому, что в ней учтены лишь шесть главных плит, тогда как на самом деле в некоторых из них выделяются более мелкие плиты. В табл. 10 не отражено, например, относительное движение Северной и Южной Америки по разломам, имеющимся в районе Карибского моря; недостаточно удачно описывает она и движения в восточной половине Индийского океана. В целом же согласование относительных движений шести главных плит по этой схеме можно признать удовлетворительным; эти относительные движения включают растяжения в Срединно-Атлантическом, Тихоокеанском и Индийском хребтах и сжатия в зонах западно-тихоокеанских дуг, чилийского берега и Тетиса (от Азорских островов до Явы).

Используя современные полюсы и скорости вращения главных литосферных плит, можно обратить это движение назад и таким способом восстанавливать предыдущие расположения плит и «впаянных» в них континентов настолько далеко в прошлое, пока в какой-то момент прошлого времени не возникнет расхождения с расположением полос магнитных аномалий соответствующих возрастов на океанском дне. Для этого момента по построенной указанным путем палеогеографической карте, содержащей расположение континентов, океанов, срединно-океанических хребтов, полос магнитных аномалий более древних возрастов на океанском дне и зон Заварицкого-Беньофа (находимых с использованием геологических данных об изверженных и плутонических породах соответствующих возрастов), можно пытаться находить полюсы и скорости вращения плит предшествовавшего периода и с их помощью продвигаться еще дальше в прошлое, и так далее. Чрезвычайно полезной дополнительной информацией, позволяющей проверять непротиворечивость произведенных построений, при этом будут служить палеошироты стабильных континентальных блоков; их относительное значение будет возрастать по мере удаления в прошлое и уменьшения «запаса» известных ныне полос магнитных аномалий соответствующих возрастов на океанском дне. Для возрастов свыше 160 млн. лет полос магнитных аномалий уже не останется, и основной информацией станут палеошироты континентальных блоков (вместе с геологическими данными о распределении пород соответствующих возрастов, и в особенности о древних зонах Заварицкого-Беньофа или эвгеосинклиналях, оставивших до наших дней офиолитовые зоны на континентах).

Самая недавняя из перестроек движения литосферных плит обнаруживается по линейной магнитной аномалии № 5 возрастом в 10 млн. лет (поздний миоцен): в северной и экваториальной частях восточной половины Тихого океана линии этой аномалии (и более древних аномалий) перпендикулярны древним разломам (от Чинука до Маркизского), образующим угол около 30° с современными трансформными разломами, так что ранее эта часть Тихого океана вращалась около мгновенного полюса 79° с. ш., 111° в. д., а начиная со времени 10 млн. лет тому назад стала вращаться относительно современного мгновенного полюса 53° с. ш., 47° з. д. (что создало растяжение океанского дна на небольшом рифте широтного простирания в районе Галапагосских островов).

Более ранняя и довольно существенная перестройка обнаруживается по аномалии № 18 возрастом в 45 млн. лет (поздний эоцен); она была вызвана, по-видимому, столкновением Индийского субконтинента с Азией и в свою очередь вызвала раздвижение океанского дна на северо-западной и юго-восточной ветвях Срединно-Индийского хребта и быстрое отделение Австралии от Антарктиды. Более ранняя перестройка движения литосферных плит обнаруживается по аномалии № 31 возрастом около 70 млн. лет, т. е. около границы верхнего мела с нижним палеоценом (с этого времени прослеживается современное вращение южной половины Тихого океана).

Еще более ранняя перестройка, по имеющимся расчетам, приходится на нижний мел (около 110 млн. лет назад), когда началось быстрое раздвижение Центральной и Южной Атлантики. Особый интерес представляет попытка реконструкции срединных хребтов и движения плит того времени в Тихом океане, предпринятая Р. Ларсоном и С. Чэйзом (1972 г.) и приведенная на рис. 59. На нем указаны четыре плиты - Тихоокеанская, которая с тех пор продвинулась на север относительно Евразии и Северной Америки по меньшей мере на 7000 км; плита Кула, двигавшаяся относительно Тихоокеанской на северо-запад и с тех пор целиком поглощенная (вместе с северной окраиной Тихоокеанской плиты, т. е. не менее 7000 км по длине) под Евразией и в прото-Алеутском желобе; плита Фараллон, двигавшаяся относительно Тихоокеанской на северо-восток и почти целиком (кроме плит Хуан-де-Фука и Кокос, опять-таки не менее 7000 км по длине) поглощенная под западной окраиной Северной Америки; плита Феникс, частично (приблизительно на 5000 км по длине) поглощенная под южной частью Южной Америки и Западной Антарктидой. Рассчитанные скорости поглощения указанных плит, наибольшие в период 110-85 млн. лет тому назад, неплохо коррелируют с геологическими данными о вулканической и интрузивной активности на континентальном обрамлении Тихого океана.

Рис. 59. Плиты и срединные хребты Тихого океана 110 млн. лет тому назад по Р. Ларсону и С. Чэйзу (1972 г.). Крестики - зоны погружения.

Переходя к более ранним периодам времени, вернемся к упоминавшейся в главе 7 глобальной фанерозойской палеогеографической реконструкции Л. П. Зоненшайна и В. Е. Хаина [43], отличающейся от преимущественно палеомагнитной реконструкции А. Смита, Дж. Брайдена и Г. Дрюри (рис. 54) широким использованием геологических данных (прежде всего об офиолитовых зонах различных возрастов), но также с учетом палеомагнитных полюсов, подкрепляемых палеоклиматическими данными. Реконструкции [43] выполнялись на глобусе, а затем изображались в стереографической проекции с центром на экваторе, в качественной форме (без должных масштабных искажений континентов, далеких от центра проекции). Было построено 10 палеогеографических карт разных возрастов.

Самая древняя из них - нижнекембрийская, соответствующая эпохе Позднебайкальской (Кадомской) складчатости (570-550 млн. лет тому назад) - показана на рис. 60, а. На ней прежде всего изображена единая Гондвана в реконструкции П. Н. Кропоткина (1967 г.), согласно которой Индия совмещается с Аравией и Австралией, а промежуток между Африкой, Индией и Австралией заполнен микроконтинентом Сейшельских островов; с северной оконечностью Индии совмещен Малайский блок Индокитая. Показаны также Восточно-Европейский, Сибирский, Китайский и Северо-Американский континенты и ряд микроконтинентов (Средне-Европейский, Центрально-Казахстанский, Таримский и Индосинийский), разделенные основными океанами континентального полушария - Палео-Атлантическим и Палео-Азиатским с рядом срединно-океанических хребтов и зон Заварицкого-Беньофа.

Рис. 60. Фанерозойская глобальная палеогеографическая реконструкция Л. П. Зоненшайна и В. Е. Хаина [43]. а - нижнекембрийская (570 - 550 млн. лет); б - верхний кембрий и нижний ордовик (510 - 480 млн. лет); в - средний и верхний ордовик (460-440 млн. лет); г - верхний силур и нижний девон (410-380 млн. лет); д - средний девон (370-360 млн. лет); е - нижний карбон (345-325 млн. лет); ж - верхний карбон и нижняя пермь (290-270 млн. лет); з - верхний триас и нижняя юра (210-180 млн. лет); и - верхняя юра и нижний мел (150-130 млн. лет); к - средний мел (110-85 млн. лет). 1 - офиолиты; 2 - островные дуги; 3 - флиш и граувакко-кремнистые комплексы; 4 - молассы; 5 - синорогенный магматизм; 6 - складчатость;7 - обдукция; 8 - субсеквентный магматизм; 9 - границы континентов; 10 - оси раздвижения: а - главные, б - второстепенные; 11 - направление поддвига океанической литосферы; 12 -. оси сжатия; 13 - направление надвига континентальной литосферы; 14 - трансформные разломы ; 15 - трапповый магматизм.

Следующая карта - верхнего кембрия и нижнего ордовика (510-480 млн. лет тому назад), соответствующая эпохе Салаирской (Сардинской) складчатости, - показана на рис. 60, б. Она отличается от предыдущей, во-первых, объединением Сибирского и Китайского континентов; во-вторых, временным объединением Восточно-Европейского континента с Центрально-Казахстанским микроконтинентом (с образованием Палео-Уральских гор) и их соединением (вместе со Средне-Европейским микроконтинентом) с Гондваной; в-третьих, временным закрытием южной части Палео-Атлантического океана.

На карте (рис. 60, в) среднего и верхнего ордовика (460-440 млн. лет тому назад), соответствующей эпохе Таковской складчатости, южная часть Палео-Атлантического океана опять раскрыта, а северная, наоборот, начинает закрываться; Палео-Азиатский океан перекрыт островными дугами; образуются новые океаны - Палео-Тетис (с отделенными от него Южно-Монгольским и Джунгарским бассейнами) и Уральский. На рис. 60, г, относящемся к верхнему силуру и нижнему девону (410-380 млн. лет тому назад) и соответствующему главной фазе Каледонской складчатости, Северо-Американский и Восточно-Европейский континенты объединены вплоть до мезозоя; южная Палео-Атлантика через раздробленный Средне-Европейский микроконтинент соединена с Палео-Тетисом; расширены Уральский, Западно-Сибирский и Южно-Монгольский океаны; Китайский континент объединен с Индостанским микроконтинентом.

В среднем девоне (370-360 млн. лет тому назад; рис. 60, д), соответствующем эпохе Акадской складчатости в Аппалачах, Северо-Американский континент сталкивается с Африкой, разделяя Палео-Атлантику на два бассейна.

На карте нижнего карбона (345-325 млн. лет тому назад; рис. 60, е), соответствующей главной фазе Герцинской складчатости, Восточно-Европейский континент и азиатские континенты и микроконтиненты начинают сгруживаться (вероятно, в результате активизации раздвижения дна в Тихом океане), образуя Прото-Лавразию; одновременно раскрываются верхнепалеозойский Палео-Тетис и, возможно, вновь Палео-Атлантика между Северной Америкой и Африкой. Затем она опять сужается на карте верхнего карбона и нижней перми (290-270 млн. лет тому назад; рис. 60, ж), так что Лавразия и Гондвана уже почти полностью объединяются в единую Пангею (в которую не входил лишь небольшой Китайский континент, располагавшийся между двумя ветвями Палео-Тетиса).

Л. П. Зоненшайн и В. Е. Хаин дают еще три мезозойские карты, описывающие, можно сказать, уже в традиционной форме распад Пангеи. На карте верхнего триаса и нижней юры (210-180 млн. лет тому назад; рис. 60, з) Северная Америка уже отделена от Африки и Южной Америки широким Карибско-Саргассовым морем, а Гренландия отделена от Скандинавии Северо-Атлантическим заливом будущей Арктики; мезозойский Тетис отделяет Евразию от Гондваны. На карте верхней юры и нижнего мела (150-130 млн. лет тому назад; рис. 60, и) Лавразия уже распалась - Северная Атлантика полностью раскрыта, и начался распад Гондваны - Южная Америка, Африка, Индостан и Антарктико-Австралийский блок отделены друг от друга широкими проливами, из которых затем сформируются Южная Атлантика и Индийский океан. Карта среднего мела (110-85 млн. лет тому назад; рис. 60, к) отличается от предыдущей расширением Атлантики (особенно Северной) и Индийского океана и закрытием Западного Тетиса, превращающегося в Средиземное море. Ситуация в начале этого периода в Тихом океане показана на рис. 59.

Реконструкция, приведенная на рис. 60, довольно подробно аргументирована геологическими данными, которые читатели найдут в оригинальной статье [43]. Она радикально отличается от фиксистских реконструкций типа рис. 33 и показывает, что в палеозое и в нижнем меаозое распределение континентов и океанов по поверхности Земли отличалось от современного до полной неузнапаемости. В некоторых отношениях рис. 60 отличается и от чисто палеомагнитной реконструкции, изображенной на рис. 54, и представляет собой заметный шаг вперед (особенно это относится к «разрезанию» современной Евразии по офиолитовым «швам» на древние суб- и микроконтиненты). В дальнейшем рис. 60, вероятно, сможет быть принятым за основу палеогеографических построений и подвергнется лишь некоторым уточнениям и детализации (потребуется, по-видимому, более строгое количественное использование палеоширот стабильных континентальных блоков).

Рис. 33. Распределение суши (зачернено) и моря на территориях современных континентов в различные периоды фанерозоя по Н. М. Страхову [19]. 1 - средний и верхний кембрий; 2 - ордовик (талассократическая эпоха); 3 - верхний девон; 4 - нижний карбон; 5 - верхний карбон в - верхняя пермь (геократическая эпоха); 7 - верхний триас; 8 - верхняя юра; 9 - нижний мел; 10 - верхний мел (талассократическая эпоха); 11 - палеоген; 12 - верхний плиоцен (геократическая эпоха).

Детализация будет, конечно, касаться региональных реконструкций и конкретных периодов времени. Примером может служить детализация мезокайнозойского раскрытия Северной Атлантики, разработанная У. Питменом и М. Тальвани (1972 г.) по данным о полосах магнитных аномалий различных возрастов (показанным выше на рис. 47). Рассматривая эти полосы как изохроны, упомянутые авторы осуществляли палеогеографические реконструкции, совмещая (вращением плит около соответствующим образом подобранных полюсов) полосы одинакового возраста, расположенные симметрично на разных сторонах от Срединно-Атлантического хребта. Совмещение полос, расположенных севернее Аэоро-Гибралтарского хребта, определяло отодвижение Европы от Северной Америки, южнее этого хребта - отодвижение Африки от Северной Америки. Тем самым были определены и движения Африки относительно Европы. В целом для мезокайнозоя они свелись к повороту Африки относительно Европы против часовой стрелки, закрывшему океан Тетис и приведшему к образованию Альпийской зоны сжатия с замкнутым Средиземным морем.

Рис. 47. Карта возрастов дна Северной Атлантики по У. Питмену и М. Тальвани (1972 г.).

Более детальное описание мезокайнозойского движения Африки относительно Европы оказалось следующим. Отодвижение Африки от Северной Америки началось в Тоарском веке нижней юры, около 180 млн. лет тому назад, и до Ким-мериджского века верхней юры, около 148 млн. лет тому назад, Африка смещалась относительно Европы на юго-восток. Затем за время до Сантонского века верхнего мела, около 80 млн лет тому назад, она повернулась на угол в 32° против часовой стрелки вокруг полюса, располагавшегося около Копенгагена (за то же время, а точнее, по-видимому, за период 135-140 млн. лет тому назад, Испания повернулась относительно Европы приблизительно на 35° против часовой стрелки путем рифтового раскрытия Бискайского залива до его сегодняшней ширины, как об этом свидетельствуют палеомагнитные измерения в Испании и линейные магнитные аномалии на дне Бискайского залива). В Сантонском веке началось отодвижение Европы от Северной Америки, причем она отодвигалась быстрее, чем Африка. Вследствие этого за время до Датского века нижнего палеоцена, около 63 млн. лет тому назад, Африка двигалась относительно Еврены на запад, продолжая поворачиваться против часовой стрелки (в это время в Северной Атлантике происходило раздвижение Лабрадорского моря между Северной Америкой и Гренландией). Затем за время до Ипрского века эоцена, около 53 млн. лет тому назад, сжатие в области Тетиса почти прекратилось, и Африка просто сдвигалась на запад. Начиная с Ипрского века, отодвижение Европы от Северной Америки замедлилось и сравнялось с отодвижением Африки, вследствие чего в период до Тортонского века миоцена, около 9 млн. лет тому назад, между Европой и Африкой происходило лишь сжатие, описываемое, как поворот Африки против часовой стрелки на 7° вокруг полюса, располагавшегося около Танжера (в нижнем миоцене от Южной Франции был отодвинут и развернут блок Корсики и Сардинии). После этого вращение Африки прекратилось, и она просто сдвигалась на север.

Рис. 48. Согласование возрастов палеомагнитных изохрон с возрастами базальтового фундамента океанической коры по данным глубоководного бурения дна океана.

Приняв перечисленную последовательность движений Африки относительно Европы за основу, Дж. Дьюи, У. Питмен, В. Риан и Ж. Боннин (1973 г.) реконструировали мезокайнозойскую историю океана Тетис, и, следовательно, Средиземноморья. Эта история, во-первых, осложнена наличием в области Тетиса многочисленных микроконтинентов - Иранского, Турецкого, Синайского, Родопского, Апулийского, Иблийского, Сахельского, Бетика (будущая Южная Испания), Иберийского, Калабрии, Большой и Малой Кабилии, Рифа, Оранской Мезеты, Марокканской Мезеты, блока Хах, Ланцарота-Фуэртевентуры (будущие Канарские острова), Балеарского, Корсикано-Сардинского, Карнийского, Татрского, Тиргу-Муресского и Моэзийского. Во-вторых, несмотря на общее сжатие, кроме гармонировавших с ним зон Заварицкого-Беньофа в области Тетиса, по-видимому, возникали и «противоречившие» сжатию рифтовые зоны, раздвигавшие микроконтиненты и в конце концов образовавшие современное Средиземное море. Реконструкции положения континентов и микроконтинентов (акватории океанов заштрихованы), рифтовых зон и трансформных разломов (жирные линии) и зон Заварицкого-Беньофа (линии с зубчиками) показаны на девяти картах (рис. 61, а-и, возраст - в миллионах лет - указан в левом нижнем углу карты). Все показанные на них границы различного вида между плитами и микроплитами авторы реконструкции обосновывали геологическими данными соответствующих возрастов; тем не менее все эти построения, возможно, еще не являются окончательными. На первой - тоарской - карте (рис. 61, а) показано, что возникший около 180 млн. лет тому назад рифтовый разлом между Африкой и Северной Америкой проникал в район к югу от Иберийского полуострова и, разветвляясь, обходил с севера и юга Апулийский микроконтинент. На юге он отрезал от Африки Родопо-Турецкий массив и Иран (северной границей которого была направленная на юг зона Заварицкого-Беньофа), на севере же ой отрезал от Европы Карнийский и Моэзийский микроконтиненты (его восточным продолжением по северному берегу Тетиса была направленная на север зона Заварицкого-Беньофа - будущий Большой Кавказ). На третьей - киммериджской - карте (рис. 61, в) появились новые зоны Заварицкого-Беньофа по северному берегу Турецкого и южному берегу Иранского микроконтинента, на пятой - аптекой - карте (рис. 61, д) - по западному берегу Родопского микроконтинента; Тетис к этому времени уже уступал по ширине вновь образованному вокруг Aзии Средиземному морю. На шестой - сантонской - карте (рис. 61, е) добавилась новая зона Заварицкого-Беньофа по западному берегу Карнийского микроконтинента; на ней впоследствии выросли Альпы. Единственными современными остатками мезозойского Тетиса являются, по-видимому, южные части Черного и Каспийского морей. Кора Черного моря сейчас состоит из 8-километрового осадочного слоя, 6-километрового слоя со скоростями распространения продольных сейсмических волн 4-5 км/сек, (базальт?) и 8-километрового слоя со скоростями волн 6-7 км/сек, (серпентинит?); в коре южной части Каспийского моря эти слои имеют толщину 4, 6 и 18 км. Эти структуры похожи на трехслойную океаническую кору с толстыми первым и вторым слоями.

Рис. 61, а. Палеотектоническая реконструкция мезокайвоаойской истории океана Тетис и Средиземноморья по Дж. Дьюи, У. Питмену, В. Риану и Ж. Боннину (1973 г.). Нижняя юра (Тоар). Цифра в левом нижнем углу - возраст в миллионах лет. Микроконтиненты: 1 - Иранский; 2 - Турецкий; 3 - Родопский; 4 - Апулийокий; 5 - Моэзийокий; 6 - Карнийский; 7 - Иберийский; 8 - Марокканский! 9 - Оранский.

Рис. 61, б. Палеотектоническая реконструкция мезокайвоаойской истории океана Тетис и Средиземноморья по Дж. Дьюи, У. Питмену, В. Риану и Ж. Боннину (1973 г.). Средняя юра (Ват). Цифра в левом нижнем углу - возраст в миллионах лет. Микроконтиненты: 1 - Иранский; 2 - Турецкий; 3 - Родопский; 4 - Апулийокий; 5 - Моэзийокий; 6 - Карнийский; 7 - Иберийский; 8 - Марокканский! 9 - Оранский.

Рис. 61, в. Палеотектоническая реконструкция мезокайвоаойской истории океана Тетис и Средиземноморья по Дж. Дьюи, У. Питмену, В. Риану и Ж. Боннину (1973 г.). Верхняя юра (Киммеридж). Цифра в левом нижнем углу - возраст в миллионах лет. Микроконтиненты: 1 - Иранский; 2 - Турецкий; 3 - Родопский; 4 - Апулийокий; 5 - Моэзийокий; 6 - Карнийский; 7 - Иберийский; 8 - Марокканский! 9 - Оранский.

Рис. 61, г. Палеотектоническая реконструкция мезокайвоаойской истории океана Тетис и Средиземноморья по Дж. Дьюи, У. Питмену, В. Риану и Ж. Боннину (1973 г.). Нижний мел (Готерив). Цифра в левом нижнем углу - возраст в миллионах лет. Микроконтиненты: 1 - Иранский; 2 - Турецкий; 3 - Родопский; 4 - Апулийокий; 5 - Моэзийокий; 6 - Карнийский; 7 - Иберийский; 8 - Марокканский! 9 - Оранский.

Рис. 61, д. Палеотектоническая реконструкция мезокайвоаойской истории океана Тетис и Средиземноморья по Дж. Дьюи, У. Питмену, В. Риану и Ж. Боннину (1973 г.). Нижний мел (Лот). Цифра в левом нижнем углу - возраст в миллионах лет. Микроконтиненты: 1 - Иранский; 2 - Турецкий; 3 - Родопский; 4 - Апулийокий; 5 - Моэзийокий; 6 - Карнийский; 7 - Иберийский; 8 - Марокканский! 9 - Оранский.

Рис. 61, е. Палеотектоническая реконструкция мезокайвоаойской истории океана Тетис и Средиземноморья по Дж. Дьюи, У. Питмену, В. Риану и Ж. Боннину (1973 г.). Верхний мел (Сантон). Цифра в левом нижнем углу - возраст в миллионах лет. Микроконтиненты: 1 - Иранский; 2 - Турецкий; 3 - Родопский; 4 - Апулийокий; 5 - Моэзийокий; 6 - Карнийский; 7 - Иберийский; 8 - Марокканский; 9 - Оранский.

Рис. 61, ж. Палеотектоническая реконструкция мезокайвоаойской истории океана Тетис и Средиземноморья по Дж. Дьюи, У. Питмену, В. Риану и Ж. Боннину (1973 г.). Палеоцен (Дании). Цифра в левом нижнем углу - возраст в миллионах лет. Микроконтиненты: 1 - Иранский; 2 - Турецкий; 3 - Родопский; 4 - Апулийокий; 5 - Моэзийокий; 6 - Карнийский; 7 - Иберийский; 8 - Марокканский; 9 - Оранский.

Рис. 61, з. Палеотектоническая реконструкция мезокайвоаойской истории океана Тетис и Средиземноморья по Дж. Дьюи, У. Питмену, В. Риану и Ж. Боннину (1973 г.). Эоцен (Ипр). Цифра в левом нижнем углу - возраст в миллионах лет. Микроконтиненты: 1 - Иранский; 2 - Турецкий; 3 - Родопский; 4 - Апулийокий; 5 - Моэзийокий; 6 - Карнийский; 7 - Иберийский; 8 - Марокканский; 9 - Оранский.

Рис. 61, и. Палеотектоническая реконструкция мезокайвоаойской истории океана Тетис и Средиземноморья по Дж. Дьюи, У. Питмену, В. Риану и Ж. Боннину (1973 г.). Миоцен (Бурдигал). Цифра в левом нижнем углу - возраст в миллионах лет. Микроконтиненты: 1 - Иранский; 2 - Турецкий; 3 - Родопский; 4 - Апулийокий; 5 - Моэзийокий; 6 - Карнийский; 7 - Иберийский; 8 - Марокканский; 9 - Оранский.

Не менее драматические события происходили в Средиземноморье, по-видимому, и в более близкие к нам времена, еще не освещенные приводившимися выше палеотектоническими картами. В 60-х годах текущего столетия методом сейсмического профилирования в породах дна Средиземного моря под слоем рыхлых осадков мощностью в несколько сотен метров почти всюду был обнаружен мощный (толщиной около 2 км) слой, хорошо отражающий звуковые волны, т. е. сложенный особенно твердыми породами; его назвали «рефлектор М». В 1970 г. в 13-м рейсе бурильного судна «Гломар Челленджер», проходившем в Средиземном море под руководством К. Хсю и В. Риана, в ряде точек удалось пробурить скважины, достигшие «рефлектора М». В итоге было сделано сенсационное открытие: оказалось, что этот слой сложен эвапоритами - осадочными породами, образующимися вследствие испарения воды на солоноводных мелководьях, в наиболее глубоководных участках Средиземного моря - каменными солями, а в окаймляющих их менее глубоких участках - все менее и менее растворимыми гипсом, ангидритом и доломитом. Геологический возраст нижней и верхней границ «рефлектора М» был оценен в 6 и 5.5 млн. лет. Наличие слоя эвапоритов объяснило происхождение структур типа соляных куполов, обнаруженных ранее с помощью сейсмо-профилирования в толщах дна глубоких участков, например, Балеарского бассейна Средиземного моря (соляные куполы особенно интересуют геологов, так как с ними нередко связаны месторождения нефти).

Наиболее естественной гипотезой о происхождении слоя эвапоритов представляется полное высыхание Средиземного моря вследствие закрытия Гибралтарского пролива (при современной скорости испарения, за вычетом осадков и речного стока - около 3000 км3/год, на это потребовалось бы всего около тысячи лет). При этом Средиземное море превращалось в огромную котловину 2-3-километровой глубины с мелкими пересыхающими соляными озерами на дне. В этих условиях образовывались найденные в колонках бурения конкреции ангидрита, выпадающие из растворов лишь при температурах выше 35° С, мелководные доломитовые строматолиты, гравии из верен океанического базальта, затвердевших илов и гипса с необычными карликовыми раковинами моллюсков, заполненные солью трещины в засыхавшей грязи. Над и под эвапоритами, а также в прослойках между ними были обнаружены обычные глубоководные океанские осадки. В 2-километровом верхнемиоценовом соле-гипсовом слое сольфифере в Сицилии, рассматриваемом в качестве участка средиземноморского эвапоритового слоя, испытавшего подъем вследствие послемиоценовых тектонических процессов, таких прослоек насчитывается и - столько раз, возможно, открывался и закрывался Гибралтарский пролив, каждый раз быстро, скажем, всего за две тысячи лет заполняя Средиземное море (чтобы успеть полностью компенсировать испарение, расход через этот пролив должен был по меньшей мере в 15 раз превышать расход крупнейшего водопада Виктория на р. Замбези в Африке, равный 200 км3/год). Однократное испарение объема Средиземного моря дало бы слой каменной соли всего в 20 м или, если отнести эту соль только к глубоководной трети площади моря, 60 м. Если принять, что заполнение Средиземного моря длится 2000 лет, то оно приведет к накоплению около 180 м каменной соли; 11 повторений такого события обеспечат накопление наблюдаемой 2-километровой толщи эвапоритового слоя.

В периоды высыхания Средиземного моря на крутых склонах образующейся глубокой котловины стекавшие с континентов реки должны были прорезать глубокие каньоны. Один из таких каньонов, глубиной в несколько сотен метров, был уже давно обнаружен под современной дельтой р. Роны и прослежен на 240 км за дельту по материковому склону; он заполнен осадками возрастом до нижнего плиоцена. Другой аналогичный каньон, длиной свыше 1200 км, нашел под руслом Нила советский геолог И. С. Чумаков (1967 г.); в докладе 1970 г. он предлагал объяснять образование этих каньонов верхнемиоценовым понижением уровня Средиземного моря на 1-1.5 км (так называемая понтская регрессия). Такое же объяснение для верхнемиоценовых каньонов в Ливии предлагали геологи кампании «Оазис Ойл», но их работа была отвергнута научными журналами как слишком фантастическая. Теперь каньоны верхнемиоценового возраста найдены практически по всему окружению Средиземного моря.

В колонках «Гломара Челленджера» под эвапоритами и в осадочных слоях возрастом до 7-8 млн. лет под сицилианской сольфиферой найдены прослойки с раковинками пресноводных диатомовых водорослей и донных животных остракод. Это заставляет заподозрить связи Средиземного моря тех времен с располагавшимся севернее замкнутым (т. е. лишенным связи с океанами) и потому распресненным остатком Тетиса - Сарматским морем (французы называют его «Лак Мер»), простиравшимся от Вены до Урала и Аральского моря. Частичное или полное закрывание Гибралтарского пролива с начала Мессинского века миоцена приводило к заметному распреснению Средиземного моря. Когда же, после главной фазы образования Карпат в конце Мессиния, связи с Сарматским морем прервались, в периоды закрывания Гибралтарского пролива Средиземное море более не заполнялось пресной водой, а просто высыхало. Колонки «Гломара Челленджера» и слой над сицилианской сильфиферой показывают, что окончательное открытие Гибралтарского пролива, принимаемое в этом районе за границу между миоценом и плиоценом, происходило постепенно, без катастроф: над доломитом имеется 15-сантиметровый слой серой пиритовой морской глины и переслоенных осадков, снесенных с суши, а затем уже 10-метровый слой раннеплиоценовых морских ялов с остатками микроскопических глубоководных холодолюбивых животных - психросферических остракод и фораминифер сфероидинеллопсис. Появление глубоководных животных означает, что открывшийся Гибралтарский пролив какое-то время был очень глубоким и холодные глубинные воды Атлантики проникали в Средиземное море, потом этот пролив обмельчал, и придонные воды Средиземного моря прогрелись до современных 13° С. Испарение Средиземного моря и переход его вод через атмосферные осадки в Мировой океан повышали уровень последнего на 12 м. Изъятие из Мирового океана соли, захороненной в эвапоритовом слое Средиземноморья, понизило соленость Мирового океана приблизительно на 10%. При осушении Средиземного моря происходило освобождение его дна от веса воды, что приводило к изостатическому подъему последнего по меньшей мере на несколько сотен метров. Осушение Средиземного моря приводило, по-видимому, также и к более сухому и теплому климату в Европе (в верхнем миоцене венские леса заменялись степями); наоборот, после окончательного заполнения Средиземного моря (начало плиоцена) климат в Европе опять стал влажным и прохладным и начал постепенно ухудшаться, вплоть до развития ледниковых периодов плейстоцена.

Представление о полном и многократном высыхании обширного морского бассейна на первый взгляд кажется фантастическим. Однако авторы этой идеи швейцарский геолог К. Хсю и итальянская специалистка по фораминиферам Мария Чита перебрали и отвергли другие возможные гипотезы о происхождении средиземноморского эвапоритового слоя и закончили свою статью в отчете по 13-му рейсу «Гломара Челленджера» следующим высказыванием Шерлока Холмса: «Если Вы исключили невозможное, то оставшееся, каким бы невероятным оно ни было, должно быть истиной».

С помощью некоторых методов, использовавшихся при реконструкциях положения континентов в прошлом, - по данным табл. 10 о полюсах и скоростях современного вращения главных литосферных плит, по сведениям о современных рифтовых зонах и соответствующих скоростях раздвижения океанского дна, по материалам о зонах Заварицкого-Беньофа и соответствующих скоростях поглощения океанского дна - можно пытаться прогнозировать движение плит и положение континентов на некоторый период будущего времени. На рис. 62 показан такой прогноз на 50 млн. лет вперед, составленный Р. Дитцем и Дж. Холденом (перевод их статьи «Распад Пангеи» читатели найдут в сборнике [35]). По этому прогнозу, Атлантический и Индийский океаны разрастутся за счет Тихого; Африка сместится на север, почти полностью закроет Средиземное море, ликвидирует Гибралтарский пролив и повернет Испанию, закрывая при этом Бискайский залив; Восточная Африка отсечется Кенийским рифтом и сместится на северо-восток; Красное море расширится, отделит Синайский полуостров от Африки естественным проливом и отодвинет Аравию на северо-восток, закрывая Персидский залив; Индия сместится на восток и будет продолжать надвигаться на Азию; Австралия сместится на экватор и придет в соприкосновение с Евроазиатской плитой; Центрально-Американский перешеек разорвется, а в Карибском море вследствие его сжатия образуется новая суша; Калифорния и весь тихоокеанский участок США к западу от разлома Сан-Андреас отделятся от Северной Америки и начнут смещаться на северо-запад.

Рис. 62. Прогноз положения континентов на 50 млн. лет вперед по Р. Дитцу и Дж. Холдену [35]. Штриховкой показано современное положение континентов, редкими точками - новая океаническая кора, частыми точками - шельфовые области.

Этот прогноз, вероятно, потребует уточнений. В нем, например, еще не учитываются такие возможные новообразования, как намечающиеся зоны растяжения континентальной коры - Байкальский рифт и грабены Рейна и Осло, а также новые зоны поглощения океанической коры, одна из которых, по некоторым предположениям, начинает развиваться в Индийском океане (рис. 57, ж).

 

ГЛАВА 11: ИСТОРИЯ КЛИМАТА

Определение климата. Климатообразующие факторы. Неизменность солнечной постоянной. Изменения климата вследствие геохимической эволюции атмосферы и гидросферы, приливной эволюции системы Земля-Луна, движения континентов и полюсов. Методы палеоклиматических реконструкций. Ледниковые периоды нижнего протерозоя, верхнего рифея, венда, карбона-перми. Мезокайнозойские палеотемпературы. Неогеновое оледенение Антарктиды. Ледниковые периоды плейстоцена. Астрономическая теория Миланковича. Послеледниковые колебания климата

Климат - это статистический ансамбль состояний, которые проходит система океан-суша-атмосфера за периоды времени в несколько десятилетий. Статистическим ансамблем называют множество, состоящее из известных элементов, если указано, как часто в нем встречается каждый из этих элементов, - тогда можно находить среднее значение по всему множеству для любой количественной характеристики этих элементов (на самом деле в теории климата приходится иметь дело с непрерывными множествами состояний и говорить не о частотах состояний, а о вероятностях различных их совокупностей).

Мгновенное состояние системы океан-суша-атмосфера называют погодой. Она характеризуется некоторым набором глобальных полей, т. е. распределений по земному шару ряда характеристик морской воды, атмосферного воздуха, поверхности Земли и верхнего слоя почвы. Для воды и воздуха нужно брать полные наборы независимых термодинамических и гидродинамических характеристик - температуру, давление, концентрации термодинамически активных примесей (для морской воды - соль, для воздуха - парообразная влага, жидкая вода и лед в облаках и туманах, углекислый газ, пыль различной природы) и векторные скорости движения. На поверхности Земли нужно знать потоки тепла и ТАП (прежде всего - испарение и осадки), наличие снежного и ледового покрова (и их толщину), для суши, кроме того, - характер растительности, влажность почвы, сток влаги.

Периоды времени в несколько десятилетий, указанные в определении климата, выбраны так, чтобы определяемые по этим периодам средние значения (характеристики климата) были наиболее устойчивыми, т. е. меньше всего менялись бы при переходе от одного такого периода к другому. Действительно, фактические данные (например, о температуре воздуха) показывают, что при меньших периодах осреднения (скажем, за год или за несколько лет) средние значения оказываются более изменчивыми (это так называемая междугодичная, а также и более короткопериодная изменчивость погоды). Более интенсивной оказывается и значительно более длиннопериодная изменчивость климата, скажем, с периодами в тысячи лет. Для доказательства этих утверждений на рис. 63 приведен спектр колебаний температуры воздуха в области периодов от года до 10 000 лет, построенный Дж. Куцбахом и Р. Брисоном (1974 г.) по ряду прямых и косвенных данных для Северо-Атлантического сектора земного шара. Этот график дает средний квадрат амплитуды колебаний температуры как функцию от периода колебаний. Заштрихованная область на графике содержит оценки, заслуживающие доверия (дает так называемые доверительные интервалы для ординат спектра). График показывает, что изменчивость температуры имеет широкий минимум в области периодов от 20 до 1000 лет. Мы вправе выбирать периоды климатического осреднения в правой части этого интервала; для использования более длинных периодов осреднения у нас просто не хватило бы фактических данных инструментальных измерений.

Рис. 63. Спектр колебаний температуры воздуха в Северо-Атлантическом секторе земного шара по Дж. Куцбаху и Р. Брисону (1974 г.). f - частоты; f-1 - периоды; S(f) - спектральная плотность.

Климат формируется под действием ряда факторов, которые можно разбить на три группы.

1) Внешние, или астрономические, факторы - светимость Солнца, положение и движение планеты в Солнечной системе, наклон ее оси вращения к плоскости орбиты и скорость вращения, определяющие воздействия на планету со стороны других тел Солнечной системы, - ее инсоляцию (облучение солнечной радиацией) и гравитационные воздействия внешних тел, создающие приливы и колебания характеристик орбитального движения и собственного вращения планеты (а потому и колебания в распределении инсоляции по внешней границе атмосферы).

2)Геофизические и географические факторы - ряд особенностей планеты, из которых для климата Земли наиболее важными являются свойства нижней границы атмосферы - подстилающей поверхности и прежде всего те свойства, которые определяют ее динамическое и тепловое взаимодействие с атмосферой и обмен с нею термодинамически активными примесями. Из этих свойств, по-видимому, на первом месте должно быть названо географическое распределение континентов и океанов.

3)Атмосферные факторы - масса и состав атмосферы (включая и основные ее составные части, и специфические ТАП).

Мы еще не знаем, определяется ли климат всеми этими факторами однозначно, или же при одних и тех же фиксированных значениях всех климатообразующих факторов могут получаться разные климаты. Второе из этих предположений возникает в связи с тем, что за последние 0.6-1 млн. лет каких-либо резких изменений климатообразующих факторов как будто не происходило, однако имели место резкие колебания климата - чередование ледниковых и межледниковых периодов продолжительностью в десятки тысяч лет. Их мы подробно проанализируем ниже, здесь же рассмотрим изменения климатообразующих факторов, происходившие в течение истории Земли, и порождавшуюся ими эволюцию климата.

Легче всего кажется возможным приписывать изменения климата и даже погоды изменениям солнечной радиации. Действительно, разница в температурах воздуха у поверхности Земли между днем и ночью, экватором и полюсами, летом и зимой создается разницей в количестве приходящей солнечной радиации: чем больше это количество, тем выше температура; так нельзя ли допустить по аналогии, что в периоды с теплым климатом приходящая на Землю солнечная радиация была повышенной, а во время ледниковых периодов она снижалась (эту гипотезу предложил ирландский астроном Е. Эпик). Однако такое простое рассуждение может оказаться неверным, если небольшие повышения солнечной радиации будут приводить на Земле к увеличению испарения, росту облачности, усилению зимних снегопадов, замедлению снеготаяния из-за повышенной облачности и, как следствие, к росту ледников и понижению температуры (Г. Симпсон). Впрочем, большинство специалистов по эволюции звезд в противоположность Е. Эпику, считает, что Солнце и другие звезды такого же типа («желтые карлики» спектрального класса Г-2) имеют весьма стабильное излучение, мало меняющееся в течение времени порядка 10 млрд. лет (времени их пребывания на так называемой главной последовательности звезд на диаграмме светимость-цвет; см., например, главу 4 книги И. С. Шкловского [49]). Отметим, что не наблюдается и коротко-периодных колебаний суммарной светимости Солнца - идущий от него поток энергии, да среднем расстоянии Земли от Солнца составляющий (по так называемой американской шкале) 1.952 калории на 1 см2 в минуту, по-видимому, не испытывает сколько-нибудь заметных изменений во времени (и потому эта величина именуется солнечной постоянной).

По изложенным причинам в дальнейшем будут рассматриваться лишь факторы, не связанные с какими-либо изменениями в светимости Солнца. Представляется, что из таковых наиболее медленные изменения климата могли создаваться геохимической эволюцией гидросферы и атмосферы, а также приливной эволюцией системы Земля-Луна.

В главе 5 отмечалось, что температура на Земле, по-видимому, всегда оставалась в среднем в пределах существования жидкой воды. В течение истории Земли масса гидросферы росла со временем (см. кривую 2 на рис. 18), но для климата важнее не масса, а относительная площадь Мирового океана - чем она больше, тем более мягким («морским») будет климат на Земле в целом, т. е. тем меньше будет размах широтных изменений температуры воздуха и ее суточных, синоптических и годичных колебаний (яркой иллюстрацией разницы между морским и континентальным климатом может служить приводимая на рис. 64 карта амплитуд годичных колебаний температуры воздуха - эти амплитуды столь малы на океанах и столь велики на континентах, за исключением тропических лесов, что по изолиниям этих амплитуд в умеренных и высоких широтах можно восстановить положение континентов без указания на карте их береговой линии).

Рис. 64. Изолинии амплитуд годичных колебаний температуры воздуха на земном шаре.

Согласно данным главы 5, в катархее и архее площадь Мирового океана возрастала, а в нижнем протерозое менялась мало; затем она могла колебаться, так как параллельно с ростом массы гидросферы нарастала и континентальная кора; в фанерозое в среднем происходила регрессия моря, см. рис. 35 (так что океаны росли лишь в глубину). Таким образом, континенталъность климата в течение первых 2 млрд лет существования Земли уменьшалась, в нижнем протерозое менялась мало, в среднем и верхнем протерозое, возможно, колебалась, а в фанерозое нарастала (хотя и не монотонно, а с максимумами в теократические эпохи D1, Р-Т и N).

Из характеристик атмосферы для формирования климата важна, во-первых, суммарная масса атмосферы М, определяющая как ее механическую и тепловую инерцию, так и ее возможности как теплоносителя, способного переносить тепло от нагретых областей к охлажденным и тем самым частично выравнивать горизонтальные разности температур. Согласно теории подобия для циркуляции планетных атмосфер, созданной в последние годы крупным советским специалистом по гидрофизической гидродинамике Г. С. Голицыным [55], при не очень малой массе атмосферы (скажем, не менее одной тысячной современной) средние скорости ветра в ее нижних слоях и типичные горизонтальные разности температур (в том чирле средняя разность темцератур между экватором и полюсами) зависят от М по закону 1/(M)1/2. По этой причине на ранних стадиях формирования атмосферы, когда ее масса была, скажем, в 100 раз меньше современной (и была в этом смысле похожа на сегодняшнюю атмосферу Марса), скорости ветра в ней и разности температур между экватором и полюсами были вдесятеро больше современных, т. е. ветры были очень сильными, и на полюсах было очень холодно.

С точки зрения эволюции климата история земной атмосферы представляется, как история масс четырех ее составных частей: во-первых, азота (или основных азотсодержащих газов, таких как аммиак NH3, окислением которых образовался азот) и кислорода и, во-вторых, основных ТАП, прежде всего тех, которые создают парниковый эффект, т. е., главным образом, водяного пара и углекислого газа. Выделение из мантии азотсодержащих газов происходило, по-видимому, в темпе, задаваемом основной эволюционной кривой х(t) (см. главу 4); точнее, вероятно, надо считать, что скорость относительного уменьшения мантийной концентрации этих газов пропорциональна dx/dt (к получающемуся отсюда закону роста массы азотсодержащих газов в атмосфере надо вносить поправки - одну на изъятие водорода из NH3 с начала окисления аммиака и другую на изъятие части азота из атмосферы при синтезе живого вещества и захоронении органических остатков; обе поправки, по-видимому, невелики). История образования кислорода в атмосфере была изложена в главе 5.

Как указывалось в главе 2, сейчас в атмосфере содержится около 0.23% водяного пара и 0.03% СO2. Значительное увеличение их масс привело бы к усилению парникового эффекта и, следовательно, к повышению температуры воздуха в нижних слоях атмосферы (напомним, что вследствие сильнейшего парникового эффекта в мощной углекислой атмосфере Венеры с давлением СO2 у ее поверхности около 90 атм. температура у поверхности планеты достигает +470° С). Масса углекислого газа в атмосфере регулируется его растворением в морской воде, где, начиная с нижнего протерозоя, действует «буфер» карбонат-бикарбонатного равновесия (см. выше с. 21 и 64) и происходит изъятие СO2 путем образования карбонатных осадков и других углеродсодержащих пород. Как отмечалось в главе 5, суммарное изъятие СO2 в одних только карбонатных осадках А. Б. Ронов и А. А. Ярошевский оценивают огромной цифрой - в 70 раз больше всей современной массы атмосферы. Очевидно, такого же порядка было и выделение СO2 (или углеродсодержащих газов, окислением которых образовался углекислый газ) при вулканических извержениях, а содержание СO2 в атмосфере было малой разностью этих двух больших величин и потому, вероятно, могло испытывать значительные колебания.

Масса водяного пара имеет положительную обратную связь с парниковым эффектом, так как насыщающая концентрация водяного пара растет с повышением температуры: чем больше в атмосфере водяного пара, тем сильнее парниковый эффект, выше температура, и поэтому больше допустимое, т. е. насыщающее, содержание водяного пара. Сколько-нибудь определенных расчетов изменений в течение истории Земли масс водяного пара и углекислого газа в атмосфере пока нет, так что возможность соответствующих изменений климата (прежде всего температуры воздуха) еще не исключена. Однако палеонтологические данные, убедительно демонстрирующие непрерывность развития жизни, свидетельствуют о том, что никаких климатических катастроф на Земле не происходило.

Перейдем теперь к возможным климатическим последствиям приливной эволюции системы Земля-Луна. Эту систему можно рассматривать, как сложный волчок, состоящий из двух тел, вращающихся вокруг своих осей и обращающихся вокруг общего центра тяжести (все эти вращения имеют одинаковое направление: если смотреть со стороны Полярной звезды, то против часовой стрелки). Чтобы упростить описание этой системы, пренебрежем воздействием на нее со стороны других небесных тел (ниже нам потребуется упомянуть лишь некоторую поправку на приливное воздействие Солнца). Тогда суммарный момент количества движения всех указанных вращений не будет изменяться со временем. Приближенно (но с высокой точностью) можно считать, что постоянна векторная сумма моментов количества движения собственного вращения Земли и орбитального движения Луны.

Если бы в теле Земли не было никакого трения, то приливные горбы, образующиеся на поверхности Земли из-за притяжения Луны, были бы направлены точно по линии, соединяющей центры этих тел. Но из-за трения они увлекаются вращением Земли, много более быстрым, чем угловое движение Луны по орбите, так что их ось образует с линией центров Земля-Луна некоторый угол запаздывания 8 (и в каждой точке Земли максимальный прилив наступает позже момента наибольшей высоты Луны на небе). Ближний к Луне приливный горб притягивается ею сильнее, чем дальний, и это создает на Земле момент сил, стремящийся повернуть ее противоположно ее собственному вращению. Вращение Земли должно замедляться, так что ее собственный момент количества движения должен уменьшаться. Тогда, значит, момент количества движения Луны должен увеличиваться. Но из третьего закона Кеплера вытекает, что момент количества движения планеты на орбите пропорционален квадратному корню из среднего радиуса орбиты (или кубическому корню из периода обращения планеты). Следовательно, Луна должна отходить от Земли (и ее угловое движение на орбите должно замедляться).

Расчеты показали, что из-за приливного трения вращение Земли замедляется так, что продолжительность суток увеличивается на 0.0017 сек. за столетие. Из-за этого крошечного прироста за тысячелетия набегает уже весьма заметная разница. Так, средняя за последние 20 столетий продолжительность суток была на 0.017 сек. меньше современных, и, следовательно, за эти 2000 лет набежала разница в 0.017·365·2000 сек. ≈ 3.5 часа. Значит, если мы рассчитаем время какого-либо солнечного затмения, происходившего 2000 лет тому назад, пользуясь сегодняшней продолжительностью суток, то ошибемся против истинного времени затмения на 3.5 часа. За это время Земля поворачивается на 52. °5 по долготе - столь большой будет наша ошибка в определении места наблюдения данного затмения. Этот расчет показывает, что одного только свидетельства древнего историка о наблюдении солнечного затмения в таком-то году в том или ином пункте, скажем, в древней Греции или в Вавилоне, может быть достаточно для довольно точной оценки приливного замедления вращения Земли. Получающиеся таким способом оценки (см. книгу У. Манка и Г. Макдональда [8], а также главу 5 книги [9]) оказываются очень близкими к приведенной выше цифре 0.0017 сек. за столетие (фактически такие оценки оказываются чуть меньше, и эта разница может быть отнесена на счет небольшого роста момента инерции Земли за последние 2000 лет из-за понижения уровня моря на 2 м вследствие роста льдов в результате похолодания климата после климатического оптимума).

Дж. Уэллс (1963 г.) нашел еще один способ эмпирической оценки приливного замедления вращения Земли - по обнаруженным им на разрезах некоторых ископаемых кораллов микроскопическим годичным и суточным кольцам роста, позволяющим подсчитывать число дней в году в соответствующую геологическую эпоху. Согласно астрономическим теориям устойчивости планетных движений, длину года можно считать практически неизменной. Поэтому, например, полученная по кораллам среднего девона, возраст которых около 380 млн. лет, цифра 400 дней в году означает, что продолжительность суток в ту эпоху составляла 21.7 часа. Эти оценки очень неплохо согласуются с приведенными выше.

Некоторые результаты расчета приливной эволюции системы Земля-Луна продемонстрированы на рис. 65. Кривая а здесь показывает среднее расстояние Луны от Земли (в долях радиуса Земли R), кривая б - длину земных суток Т в часах, кривая в - угол наклона е земного экватора к плоскости земной орбиты в Солнечной системе (аклиптике); по горизонтальной оси вткладывается монотонно (но не равномерно) возрастающая со временем величина 1/(η)1/2, где η - угол (адесь измеряемый в радианах) между перпендикуляром к лунной орбите и не меняющимся со временем направлением вектора суммарного момента количества движения системы Земля-Луна. Сплошными линиями проведены отрезки всех трех кривых, соответствующие предполагаемой реальной истории Луны (от условной начальной точки η ≈ 15°, где а/R ≈ 10, T ≈ 5 часов, ε ≈ 10°, до современной точки η = 3°57', в которой а/R ≈ 60, T = 24 часа и ε = 23°56'.5), прерывистыми линиями-прогноз на будущее. По этому прогнозу продолжительность суток, a/R и ε будут нарастать, причем расстояние Луны от Земли и наклон экватора к эклиптике достигнут максимумов (a/R = 72.7 и ε = 66°7), когда продолжительность суток сравняется с длиной лунного месяца. После этого действие приливов изменит знак - они начнут ускорять вращение Земли, уменьшать и приближать Луну к Земле, пока она не подойдет настолько близко, что приливы разорвут ее на куски, и последние образуют около Земли некоторое подобие колец Сатурна (по расчетам Г. Макдональда, это произойдет через 6 млрд. лет, причем в период наибольшего удаления Луны от Земли нужно учитывать поправки на солнечные приливы).

Рис. 65. Изменения со временем среднего расстояния от Луны до Земли (а), длины земных суток (б) и угла наклона земного экватора к эклиптике (в) по расчетам Г. Макдо-нальда (1964 г.). а - Земля; R- радиус Земли; η-1/2 - безразмерный аналог времени.

Климатические последствия приливного замедления вращения Земли очевидны: раньше, когда Земля вращалась быстрее, суточные колебания температуры и других элементов погоды были слабее, общая циркуляция атмосферы была более зональной (т. е. направления воздушных течений были ближе к кругам широты), горизонтальные размеры ее возмущений (циклонов и антициклонов) были меньше, и сами возмущения были слабее. В далеком будущем, через миллиарды лет, когда вращение Земли сильно замедлится и длина суток будет много больше современной, на Земле разовьются очень сильные (хотя и медленные) суточные колебания погоды, особенно температуры, ветра и облачности, а также очень сильные нерегулярные колебания погоды в огромных и мощных циклонах и антициклонах, которые в среднем значительно сгладят разницу между экватором и полюсами.

Исключительно большое значение для климата имеет наклон е экватора планеты к плоскости ее орбиты в Солнечной системе. Если он мал (у Венеры ε ≈ 1°.2, у Юпитера ε ≈ 3°.7), то практически не происходит смены сезонов года, и разница в суммах приходящего солнечного тепла между экватором и полюсами максимальна (на полюсы тепла почти не приходит), так что климат обладает наиболее резко выраженной широтной зональностью. Если наклон близок к 90° (например, у Урана ε ≈ 98°), то смена сезонов наиболее резка: на экваторе за год дважды сменяются зима и лето (и в середине зим тепла на экватор почти не приходит), а на каждом полюсе день и ночь занимают по полгода (и в середине дневного полугодия Солнце на полюсе стоит в зените). Расчет показывает, что промежуточным является случай ε ≈ 54°, когда годичная инсоляция на экваторе и на полюсах оказывается одинаковой, так что в среднем за год широтная зональность исчезает; правда, в конкретные сезоны она все же имеет место, и смена сезонов выражена весьма резко.

На Земле в прошлом наклон е был меньше современного, так что сезонные изменения погоды были слабее, а разница между экватором и полюсами была больше (на полюсы попадало меньше солнечного тепла), широтная зональность была выражена резче, общая циркуляция атмосферы была более зональной и более интенсивной. Эти условия были более благоприятными для развития оледенений в полярных районах, особенно при наличии в них континентов, и этим, по-видимому, можно пытаться объяснить обнаруживаемые геологами следы множественных докембрийских оледенений. Согласно рис. 65, в будущем е возрастет, так что сезонные колебания будут увеличиваться, а широтная зональность климата, разница между экватором и полюсами и интенсивность зональной циркуляции атмосферы будут ослабевать.

На рис, 65 неслучайно вместо времени использована переменная 1/(η)1/2.

Для перехода от нее к абсолютному времени нужно знать, как растет со временем из-за увеличения объема Мирового океана и разогрева недр Земли упоминавшийся выше угол запаздывания приливов δ: чем более ускоренно возрастает со временем δ, тем дольше оказывается время приливной эволюции системы Земля-Луна (см. главу 5 книги [9]).

X. Герстенкорн (1955 г.) рассмотрел случай с минимальным временем эволюции, приняв, что угол запаздывания δ уменьшается со временем обратно пропорционально продолжительности суток. Расчет показал, что при таком предположении в нижнем протерозое Луна находилась на маленьком расстоянии от Земли, a/R ≈ 2.89 (т. е. около так называемого предела Роша, где приливные силы разрывают ее на куски), ее орбита тогда была сильно наклонена к земному экватору (η ≈ 450), и Земля вращалась вокруг своей оси впятеро быстрее сегодняшнего; до захвата Землею Луна двигалась по сильно вытянутой и наклоненной орбите, а время захвата (т. е. изменения а/R от начального большого значения до минимума около 2.89 и затем возрастания, скажем, до 8.5) заняло всего только тысячу лет.

У. Манк [8] отмечает, что во время этого периода - теснейшего сближения Луны с Землей - на нашей планете должны были бы развиваться приливы километровых высот; высота прилива приблизительно обратно пропорциональна кубу расстояния до Луны, и когда это расстояние было, скажем, вдесятеро меньше сегодняшнего, приливы были в тысячу раз выше современных, имеющих в открытом океане высоты порядка метра. Чудовищные километровые приливные волны, обрушиваясь на сушу каждые 2.4 часа, рассеивали бы огромное количество энергии. Переходя в тепло, эта энергия затрачивалась бы на испарение воды в океанах, т. е. на их превращение в мощную атмосферу из водяного пара. Сильнейший парниковый эффект в такой атмосфере поднял бы температуру в ней на много сотен градусов. Это уничтожило бы жизнь на Земле. Поскольку, наоборот, мы имеем палеонтологические свидетельства непрерывности развития жизни, необходимо признать, что подобного «события Герстенкорна» не было (по крайней мере после катархея), т. е. что Луна образовалась на не слишком малом расстоянии от Земли (и, по-видимому, приблизительно одновременно с нею).

После геохимической эволюции гидросферы и атмосферы и приливной эволюции Земли следующим по темпам изменений фактором эволюции климата представляется движение континентов и полюсов. Оно происходит со скоростями порядка сантиметров в год, так что изменения глобальных масштабов, т. е. смещения на тысячи километров, происходят за времена порядка 100 млн. лет. Без знания распределения континентов и их палеоширот в ту или иную геологическую эпоху невозможно правильно интерпретировать показания палеоклиматических индикаторов о палеоклиматах конкретных регионов.

Так, например, в современных околополярных районах обнаружены остатки организмов, бывших, по-видимому, теплолюбивыми: в Арктике - коралловых рифов ордовика, силура и девона; на Шпицбергене - каменного угля и меловых игуанадонов; в Южной Патагонии - позднеюрских и меловых динозавров; в Антарктиде - каменного угля (а недавно, как отмечалось в главе 8, там найдена и нижнетриасовая рептилия листрозаурус). Следует ли, однако, спешить делать из этих находок выводы о том, что в указанные эпохи в околополярных районах был теплый климат, так что разница между экватором и полюсами была небольшой или даже вовсе отсутствовала, т. е. широтной зональности не было (а следовательно, не было и смены сезонов года)? Один только взгляд на палеомагнитную реконструкцию движения континентов (рис. 54) показывает, что никаких оснований для таких выводов, может быть, и нет. Карты ж и з рис. 54 показывают, что с кембрия по девон современный европейский сектор арктической суши находился в экваториальной зоне (что может объяснить существование коралловых рифов); согласно рис. 54, е, этот регион в карбоне еще был в тропиках (возможное угленакопление), а в триасе, юре и мелу Южная Патагония и Восточная Антарктида находились в умеренных Широтах (рис. 54, 6-г); южный полюс был хотя и недалеко от Западной Антарктиды, но все же не на суше, а над океаном; в карбоне же (рис. 54, е) вся Антарктида размещалась в умеренных широтах.

Согласно рис. 54, южный полюс в течение всего фанерозоя находился либо на материках Гондваны, либо около них. В кембрии - нижнем ордовике он был в Западной Африке, в девоне и нижнем карбоне - в аргентино-южноафриканскойчасти Гондваны. Это может служить объяснением наличия следов континентальных оледенений указанных возрастов (главным образом силуро-девонских тиллитов, см. ниже), описанных Робером в верхах системы Кунделунгу в бассейне Конго, Дю-Тойтом - в свите Столовой горы в Южной Африке и Мааком - в Южной Бразилии; похоже, что попадание полюса на сушу неизбежно приводило к развитию околополярного континентального оледенения (и, возможно, как следствие, к некоторому суммарному похолоданию глобального климата). В перми южный полюс переместился из Южной Америки на западное побережье Антарктиды, в триасе, юре и мелу заметно отошел от него в Тихий океан, а в эоцене, когда уже образовались Атлантика и Индийский океан - в атлантический сектор Антарктиды. Северный полюс в течение всего палеозоя находился в центральных районах Тихого океана, в триасе пересекал восточную оконечность Сибири, в мелу - Аляску, а в кайнозое уже находился в Арктике.

Вследствие того, что суточные суммы приходящего на верхнюю границу земной атмосферы солнечного тепла не зависят от долготы (рис. 66), климат, несмотря на различия, создаваемые континентами и океанами, обладает ярко выраженной широтной зональностью. Раньше, когда массы океана и атмосферы были меньше, Земля вращалась быстрее, и наклон экватора к эклиптике был меньше современного, каждый из этих факторов делал широтную зональность климата еще более резкой, чем теперь. Эта зональность выглядит следующим образом. В экваториальной зоне сильный нагрев земной поверхности создает интенсивную конвекцию с образованием мощных кучевых облаков и ливневыми осадками, так что эта зона оказывается влажной (гумидной). Восходящие движения компенсируются здесь притоком воздуха к экватору в нижних слоях атмосферы (пассатные ветры) и их оттоком в более высоких слоях. В субтропиках оттекающий воздух отклоняется вращением Земли на восток, и ячейки пассатной циркуляции вынужденно замыкаются нисходящими движениями, так что субтропические зоны оказываются засушливыми (аридными). Дальше к полюсам тепло переносится подвижными циклонами, образующимися в западно-восточных течениях умеренных широт и сопровождающимися обильными осадками, так что эти зоны опять оказываются гумидными. Указанными свойствами широтной зональности климата воспользовался Н. М. Страхов [39] при своих фанерозойских палеоклиматических реконструкциях, выявивших движение полюсов (но проделанных еще на фиксистской основе - без учета движения континентов - и потому требующих теперь усовершенствования).

Рис. 66. Суточные суммы солнечного тепла (кал./см2 ⋅ сут), приходящего на верхнюю границу земной атмосферы (при значении солнечной постоянной 1.946 кал./см2 ⋅ мин).

При отсутствии широтной зональности климата не было бы и сезонных колебаний погоды. Поэтому свидетельства о наличии в ту или иную геологическую эпоху сезонных колебаний погоды суть доказательства широтной зональности климата этой эпохи. Такими свидетельствами являются прежде всего породы с годичными слоями, так называемые варвиты, которые обнаружены практически во всех геологических периодах фанерозоя. Примерами могут служить североамериканские ленточные сланцы с возрастами от девона до миоцена, описанные В. Брэдли (1931 г.), и знаменитые верхнепермские ленточные эвапориты - ангидриты и каменные соли Соликамска и немецкого цехштейна. Кроме варвитов следует упомянуть еще и организмы с годичными слоями роста. Выше упоминались годичные слои роста у древних кораллов; они прослеживаются по крайней мере до табулят, существовавших от ордовика до перми. Годичные слои, обнаруженные в рострах, т. е. в калыщтовых хвостах раковин мезозойских головоногих моллюсков белемнитов, показали, что даже в самые теплые века юры широтная зональность климата была достаточно заметной.

Качественными индикаторами климатических зон могут служить многие горные породы. Так, в аридных зонах образуются эвапориты - доломиты, ангидриты, гипсы, калийная и каменная соли, осаждающиеся из растворов в условиях сильного испарения, а также карбонатные красноцветы (продукты выветривания, обедненные кремнеземом и окрашенные окислами железа) и лёссы. В гумидных зонах образуются каменные угли и продукты глубокого химического выветривания пород суши - бескарбонатные красноцветы, белые глины каолины, алюминиевые руды бокситы, некоторые железные и марганцевые руды.

Теплому климату свойственны эвапориты, красноцветы, морские известняки (прежде всего биогермы, т. е. остатки кораллов и других известьвыделяющих рифообразующих организмов, по-видимому, и ранее бывших в основном теплолюбивыми), а также ряд организмов, представляющихся теплолюбивыми, - крупные рептилии, крупные насекомые, крупные породообразующие фораминиферы, брюхоногие моллюски ципреи, из растений - пальмы и др. Наиболее важными свидетелями холодного климата являются тиллиты, т. е. неслоистые и несортированные конгломераты - смеси валунов с глинами или мергелями, рассматриваемые как остатки древних ледниковых морен и отличающиеся от несортированных конгломератов неледникового (например, оползневого) происхождения наличием отполированного и исштрихованного скального ложа и такими геоморфологическими признаками, как плоскодонные долины с крутыми стенками, цирки и «бараньи лбы».

Кроме перечисленных качественных индикаторов палеоклиматов теперь применяется также и количественный метод - оценка палеотемператур вод в древних бассейнах по отношению изотопов кислорода O18/O16 в карбонатах раковин существовавших в тех водах животных (см. книгу Р. Боуэна [561). Как установил Г. Юри, равновесие между содержанием изотопов кислорода в карбонатах и в воде, описываемое, например, соотношением

CO163 + 3H2O18 ↔ CO183 + 3H2O16

зависит от температуры воды: карбонаты слегка обогащены тяжелым изотопом кислорода О18 по сравнению с водой, и это обогащение растет с понижением температуры. Если в воде отношение O18/O16 равно 1/500, то в карбонатах оно оказывается равным 1.022/500 при температуре 25° С и 1.026/500 - при 0° С.

Обычно измеряется величина δ =( (R - R0)·1000)/R0, где R - отношение СO16O18/СO16 в исследуемом образце, a R0 - в некотором эталонном карбонате; но δ с помощью простой эмпирической формулы вычисляется температура воды.

В качестве примера на рис. 67 приводятся значения δ, полученные М. Кейтом и Дж. Вебером (1964 г.) для образцов североамериканских пресноводных известняков (преимущественно из района Великих озер, на восточной части границы между США и Канадой) с возрастами от девона до четвертичного периода. График показывает, что в девоне значения δ были низкими (а температуры воды - высокими), затем они росли до максимума в перми (минимум температуры), затем падали до минимума в мелу (максимум температуры), после чего опять росли до максимума в четвертичном периоде. Согласно рис. 54, в девоне восточная часть Северной Америки находилась в умеренных широтах южного полушария, затем она перемещалась на север, в перми пересекала экватор, в мелу достигла крайнего северного положения, а после этого сместилась чуть южнее. Исходя из этих палеоширот, можно было бы ожидать прямо противоположного хода кривой на рис. 67. Это усиливает вытекающие из рис. 67 выводы о наиболее теплом климате Земли в девоне и особенно в мелу и о наиболее холодном климате в плейстоцене и особенно в перми.

Рис. 67. Отношение δ 018 изотопов кислорода в североамериканских пресноводных известняках фанерозойского возраста по М. Кейту и Дж. Веберу (1964 г.).

Самыми выдающимися из климатических событий в истории Земли были, конечно, ледниковые периоды, характеризовавшиеся появлением континентальных ледниковых щитов (в настоящее время такие щиты покрывают Антарктиду и Гренландию), от которых остаются обширные площади тиллитов. Как уже отмечалось, геологами обнаружены многочисленные тиллиты как фанерозойского, так и докембрийского возраста. Самыми древними из них являются, по-видимому, нижнепротерозойские, наиболее яркими представителями которых служат тиллиты в свите Гоуганда нижней части серии Кобальт Гуронской надсерии на юго-востоке Канадского щита. Тиллиты Гоуганда имеют возраст свыше 2 млрд. лет, - по-видимому, между 2.0-2.1 и 2.2-2.3 млрд. лет. Свита Гоуганда имеет мощность 650-1300 м и содержит тиллиты, переслоенные с окаменевшими глинами - аргиллитами и аркозовыми песчаниками (гранитного состава); конгломераты в тиллитах лишены какой-либо сортировки, содержат валуны специфических форм - утюгообразные и «дропстоны», сопровождаются ленточными глинистыми сланцами с изолированными валунами и в ряде случаев лежат на исштрихован-ном ложе, так что их ледниковое происхождение практически не вызывает сомнений. Ниже серии Кобальт в Гуронской надсерии есть еще слои конгломератов, имеющих облик тиллитов, - это свита Брюс серии Квирк-Лейк и еще ниже - свита Рамсей-Лейк серии Хуг-Лейк. Вся эта многослойная структура свидетельствует, возможно, о перемежаемости ледниковых периодов того времени.

Тиллитообразные конгломераты такого же возраста обнаружены в надсерии Анимики в бассейне оз. Верхнего на Канадском щите (с тиллитами Гоуганда коррелируют, по-видимому, тиллоиды свит Ферн-Крик и Рини-Крик серии Чоколай, но тиллоиды есть и в вышележащей серии Миномини), в серии Бид-жавар в Индии (несортированные валунные и пуддинговые конгломераты, переслаивающиеся со сланцами и среднезернистыми осадками алевролитами), в серии Витватерсранд (свита Гавернмент-Риф) и в серии Трансвааль (тиллит Грикватаун, содержащий штрихованные гальки) в Южной Афике, в серии Уайтвотер в Западной Австралии, в осадочной свите Сарколийской серии Карельского комплекса (конгломераты, в которых встречаются валуны типа «дропстонов») и, по-видимому, также и в Южной Америке. Таким образом, нижнепротерозойское оледенение, возможно, имело глобальный характер.

В среднем протерозое, нижнем и среднем рифее на всех континентах встречаются многочисленные слои несортированных конгломератов, иногда похожих на тиллиты, но их глобальная корреляция пока что не осуществлена, и сколько-нибудь ясной картины, как для нижнего протерозоя, еще не сложилось. Зато в верхнем рифее и в венде в разных частях мира найдены многочисленные тиллиты (рис. 68), хорошо коррелирующие друг с другом и группирующиеся в основном по двум возрастам, - нижние около 750-800 млн. лет (верхнерифейское оледенение) и верхние около 650-680 млн. лет (вендское оледенение).

Рис. 68. Карта распространения верхнерифейских и вендских тиллитов по Л. И. Салопу [18].

Назовем некоторые из этих тиллитов. В Западной Европе это тиллиты Шихалион, Портосгейг, Фанад и другие в свите Нижний Дальрёд в Шотландии; тиллиты Гранвиль в серии Верхний Бриовер Армориканского массива во Франции; нижние и верхние тиллиты в серии Верхний (Красный) Спарагмит в провинции Финмаркен (район Варангер-фьорда) в Северной Норвегии и вендские тиллиты Спарагмит Муэльв в Южной Норвегии, а также аналогичные им нижние и верхние тиллиты Варяжской серии в Швеции. Упомянем также два горизонта свиты Уилсонбреен в серии Полярисбреев на о. Западный Шпицберген и аналогичные тиллиты в свите Свеанор серии Готия на острове Северо-Восточная Земля того же архипелага.

В Восточной Европе обнаружены ворхиерпфейские тиллиты в Волоковой и Эйновских сериях полуостровов Рыбачьего и Среднего на Кольском полуострове, вендский Яблоновский тиллит в Эстонии, аналогичные ему тиллиты Вильчанской свиты в Белоруссии, тиллиты Парцинской свиты Пачелмской серии на Русской плите (вскрытые Каверинской скважиной на глубинах 1408-20 и 1428-38 м). Назовем еще тиллиты в верхнерифейских Танинской, Койвинской и вендской Вильвенской свитах Серебрянской серии Среднего Урала, вендские уральские тиллиты в Среднечурочинской свите Полюдова кряжа, в Лаптапайской свите Приполярного Урала, Хойдышорской свите Полярного Урала, вендские тиллоиды в Кургашлинской свите Южного Урала и верхнерифейские тиллоиды в Мазаринской свите Уралтау.

В Азии назовем следующие: в Сибири - тиллиты Суктальминской свиты Чингасанской серии Енисейского кряжа; в Казахстане - два горизонта тиллитов (Сатанскую иБайконырскую свиты) Улутауской серии; на Дальнем Востоке - тиллиты в разрезе Столбовского поднятия Приколымья; в Тянь-Шане - два горизонта тиллитов, нижний из них, очень мощный - Джетымский (400-2500 м), верхний - Байконырский (15-100 м); в Южном Китае - тиллиты свиты Наньто в провинциях Хубей и Юньнань.

В Северной Америке укажем верхнерифейские тиллоиды Коппер Харбор в серии Верхнее Кивино в штате Мичиган; тиллиты Боннет-Плум-Ривер на Юконе; два горизонта тиллитов (нижний - в свите Тоби, верхний - в свите Монк) в серии Виндермер в Британской Колумбии; верхнерифейские тиллиты Покателло, Минерал-Форк, Кингстон-Пик в Кордильерах; тиллиты в серии Маунт-Роджерс в Аппалачах и в серии Консепшн на Нью-Фаундленде. Назовем еще тиллиты Ульваберг в верхней части серии Хаген-фьорд на Земле Кронпринца Христиана и в серии Мёркебьерг в Конг-Оскар-фьорде в Восточно-Гренландской складчатой области, а также тиллиты на юге Земли Пири в северо-восточной Гренландии.

В Африке следует назвать прежде всего верхнерифейскйе тиллиты Большого конгломерата в надсерии Катанга, а также Малого конгломерата в начале серии Кунделунгу верхов надсерии Катанга и вендские тиллиты Жбелия в серии Каес в Мавритании.

И верхнерифейские, и вендские тиллиты весьма широко представлены в Австралии. В районе Кимберли это тиллит Фаргу и выше него широко распространенные верхнерифейскйе тиллиты Мун-Лайт-Велли (мощностью до 150 м) в серии Дуэрдин на блоке Стерт, два горизонта тиллитов Ландриган в серии Кунианди прогиба Лаббок и тиллиты Валып в серии Маунт-Хауз западнее прогиба; выше них в серии Луиза-Дауне прогиба Лаббок обнаружены вендские тиллиты Эган. В Южной Австралии это верхнерифейскйе тиллиты Стерт, Апшила, Библиендо (Фиттон), очень мощные (до 2300 м) тиллиты Болла-Болена (Годж) и вендские тиллиты Ерилина серии Амберетана надсерии Аделаида. В Центральной Австралии (бассейн Амадеус) это верхнерифейскйе тиллиты формации Арейонга и пачка Олимпик вендских тиллоидов в формации Пертататака.

Мы привели этот длинный (но все же еще неполный) перечень фактических свидетельств, хорошо известных геологам, для сведения климатологов, из которых многие еще недостаточно осведомлены о грандиозных климатических событиях верхнего рифея и венда. Л. И. Салоп [18] отмечает, что в доледниковых, межледниковых и послеледниковых отложениях этих эпох встречается немало пород, свидетельствующих о теплом климате, - красноцветов, доломитов, биогерм и даже эвапоритов.

К следующей ледниковой эпохе (карбона и перми) климат пришел, по-видимому, в результате постепенного похолодания, заметного по кривой рис. 67 (в течение которого южный полюс перемещался из Западной Африки через Бразилию и Аргентину в Антарктиду, оставляя на своем пути упоминавшуюся выше цепочку силуро-девонских тиллитов).

На всех континентах Гондваны имеются обширные площади тиллитов с возрастами от верхнего карбона до нижней перми (около 300-250 млн. лет тому назад, так что в некоторых районах ледниковые периоды имели длительность до 50 млн. лет). К ним относятся знаменитые тиллиты Двайка в Южной Африке Итараре в Южной Америке, Талчир в Индии, Куттунг и КамиЛарои в Австралии, тиллиты Трансантарктических гор Восточной Антарктиды, Мадагаскара.

Особенное удивление вызывали тиллиты Индии и северо-западной Австралии - районов, сейчас находящихся в тропиках; их пытались объяснить как остатки высокогорных оледенений, но, по-видимому, в карбоне и перми высоких гор в этих районах все же не было. В настоящее время все тиллиты Гондваны более естественно рассматривать как следы существования околополярного ледникового щита. Согласно геоморфологическим данным о тиллитах, один из центров растекания льда на этом щите находился в Восточной Антарктиде, и лед стекал оттуда и на Южную Австралию, и на Юго-Восточную Африку, а с Юго-Западной Африки - на Южную Америку. Потоки льда, перемещавшиеся извне на Австралию, Африку и Южную Америку, являются одним из важных свидетельств существования в прошлом единой Гондваны и, следовательно, движения континентов. Обширные потоки льда перемещались также по Африке и Индии на север.

Для упомянутых тиллитов характерна многослойная структура. Так, например, в Австралии на породах серии Бурунди нижнего карбона лежит первый слой тиллитов серии Куттунг (по-видимому, низы верхнего карбона), затем - пачка вулканитов, на ней - второй главный тиллит Куттунг, затем - слой морских отложений, на нем - Лочинварский тиллит серии Камиларои (верхний карбон или нижняя пермь), затем - опять слой морских отложений, четвертый тиллит (нижняя пермь), угли Грэта, тиллитовые горизонты Бранкстон и Больварра и, наконец, угольные слои верхней перми. Пять горизонтов тиллитов имеется и в 300-метровой толще серии Итараре в районе Параны в Южной Америке. Однако полная расшифровка перемежаемости пермокарбоновых оледенений Гондваны - дело будущего.

Потепление климата (возможно, вследствие перемещения южного полюса с суши в Тихий океан, см. рис. 54, б-г), прервавшее в перми оледенение Гондваны, продолжалось, хотя и с некоторыми колебаниями, в течение всего мезозоя. Количественные свидетельства этого дали определения палеотемператур по изотопам кислорода (главным образом в рострах белемнитов и в раковинках планктонных фораминифер, обитавших в верхнем слое моря), выполненные Г. Лауэнстамом и С. Эпстайном (1954 и 1959 гг.), Д. П. Найдиным с сотрудниками (1954-1964 гг.) и другими авторами (см. книгу Р. Боуэна [56]). Судя по образцам из формации Нунканба бассейна Фицрой северо-западной Австралии, пермское оледенение закончилось там, по-видимому, в конце Артинского века. Данные по юре, особенно западноевропейские, несмотря на их большой разброс, все же создают впечатление, что температуры нарастали до максимума в Тоарском веке, а в Мальме опять росли до максимума, по-видимому, в Оксфордском веке (даже в это наиболее теплое время сезонные колебания температуры воды в верхнем слое моря около Шотландии, измеренные по слоям в ростре белемнита, достигали 5° С). Затем температуры падали до минимума в нижнем мелу - Неокоме, росли до максимума в Альбе, имели минимум в начале верхнего мела - Сеномане и максимум в его середине - Сантоне и опять падали до минимума в конце мела - Кампане или Маастрихте. Минимумы были порядка 14-18° С, максимумы достигали 26-32° С, т. е. колебания были значительными. Попытки оценить широтные температурные градиенты в умеренных широтах показали, что в теплые века мела, когда изотермы смещались к северу на 10-25°, градиенты заметно уменьшались (хотя и оставались значительными), однако разбросы в этих данных были очень большими.

После минимума в конце мела температуры, по-видимому, еще раз повысились и в палеоцене достигли максимума, а затем уже началось длительное и постепенное понижение температур (возможно, из-за смещения северного полюса в Арктику и ее почти полного закрытия, что приблизило ее по суммарным тепловым свойствам к континентам), завершившееся в плейстоцене развитием ледниковых периодов. В качестве иллюстрации на рис. 69 приведена кривая кайнозойских палеотемператур верхнего слоя воды в северо-западной части Тихого океана, построенная А. П. Лисицыным по материалам послойного анализа изотопов кислорода в двух колонках пород, полученных в результате бурения в период 6-го рейса «Гломара Челленджера».

Рис. 69. Кайнозойские палеотемпературы верхнего слоя воды в северо-западной части Тихого океана по А. П. Лисицыну. 1 - скважина 44, 19° с. ш.; 2 - скважина 47, 32° с. ш.

Первым крупным районом, на котором сказалось кайнозойское похолодание климата, явилась, естественно, Антарктида. Ныне ледниковый покров на ней, согласно сводке В. И. Бардина и И. А. Суетовой (1967 г.), имеет площадь около 14 млн. км2 и объем 24 млн. км3 (что составляет около 90 % объема всех ледников мира; объем Гренландского ледникового щита равен 2.6 млн. км3; на арктические и горные ледники остается менее 1%); растопление всего антарктического льда повысило бы уровень Мирового океана на 55 м. Около 83% антарктического льда сосредоточено в ледниковом куполе Восточной Антарктиды толщиной до 3.6 км, дно которого лежит в основном выше, а местами значительно выше уровня моря (рис. 70), а поверхность в среднем выше 2 км над уровнем моря. Отделенный от него Трансантарктическими горами ледниковый щит Западной Антарктиды лежит в основном на дне океана и на ряде островов и включает огромные плавающие шельфовые ледники в морях Росса и Уэдделла (площадями соответственно 0.54 и 0.48 млн. км2). Атмосферные осадки над Антарктидой, в среднем всего около 150 мм в год, по некоторым оценкам сейчас немного превышают потери льда (главным образом путем отрыва айсбергов).

Рис. 70. Подледный рельеф Антарктиды. Высоты (м): 1 - более 2000; 2 - 0-2000; 3 - 0-1000; 4 - менее 1000.

Геологические разрезы на о-вах Короля Джорджа и Сеймура и в Южной Австралии (отделившейся от Антарктиды лишь в конце эоцена), а также материалы колонок донных осадков Южного океана свидетельствуют, что ледниковый щит Антарктиды образовался лишь в миоцене - около 20 млн. лет тому назад - и с тех пор существует до нашего времени (это подтверждают и данные о падении уровня Мирового океана на много десятков метров, начавшемся в среднем миоцене и продолжавшемся в течение верхнего миоцена и плиоцена); до этого, т. е. в течение всего палеогена, в Антарктиде господствовал умеренный прохладный климат, по-видимому, с высокогорными ледниками. Отметим, что приблизительно одновременно с образованием ледникового щита Антарктиды или вскоре после него в верхнем миоцене начали возникать высокогорные оледенения на Аляске. По-видимому, около 3 млн. лет тому назад сформировался и с тех пор существует Гренландский ледниковый щит. Ныне он покрывает 1726 тыс. км2 из 2176 тыс. км2 площади Гренландии (еще 108 тыс. км2 там приходится на другие ледники) и включает Северный купол с высотами до 3300м и Южный с высотами до 2730 м; уровень дна 600-1000 м по краям щита и 0-100 м и ниже в его центре. Осадки на щите составляют 300-400 мм в год, расход льда на таяние и образование айсбергов несколько больше прихода, так что сейчас щит медленно сокращается.

В плейстоцене похолодание климата привело, наконец, к формированию на северных половинах Европы и Северной Америки огромных ледниковых щитов, оказавшихся, однако, здесь неустойчивыми и многократно стаивавшими (по-видимому, полностью) и образовывавшимися вновь. Для восстановления их истории можно использовать целый ряд разнообразных методов. Это прежде всего выявление древних ледниковых морен и связанных с ними геоморфологических объектов («бараньи лбы» и т. п.), а также водно-ледниковых отложений (галечников), образующихся перед концами ледников; измерение высот древних снеговых линий в горах; изучение типов почв, уровней замкнутных озер, уровня Мирового океана (снижающегося по мере перехода воды в континентальные ледниковые щиты и повышающегося при таянии последних, что отмечается береговыми террасами соответствующих возрастов); измерение толщин последовательных годичных слоев деревьев и слоистых осадочных пород - варвитов. Весьма ценны палеонтологические данные о древней фауне и флоре, в том числе о пыльце и спорах растений в слоях осадочных пород и раковинках планктона в слоях колонок морских осадков. Как указывалось выше, отношение изотопов кислорода δ O18 в карбонатах раковин ряда организмов определяется палеотемпературами среды их обитания, а также ее собственным изотопным составом (обогащающимся легким изотопом при таянии ледников); значения O18 в слоях колонок льда ледников определяются главным образом температурой выпадающего на ледник снега.

На рис. 71 показаны колебания значений O18 в раковинках планктона в слоях колонки глубоководных осадков из Тихого океана за последний миллион лет по Н. Шеклтону и Н. Опдайку (1973 г.), отражающие глобальный объем льда на Земле. Этот график показывает, что по крайней мере за последние 600 000 лет континентальные оледенения образовывались и стаивали с периодом в среднем около 100 000 лет; см. на рис. 72 спектр периодов, построенный Дж. Имбри и Н. Шеклтоном (1974 г.) по данным рис. 71. Колебания с таким спектром, в котором интенсивность возрастает с ростом периода, называются «красным шумом»; последовательные состояния климата здесь коррелированы. Иначе говоря, в масштабах десятков тысячелетий система атмосфера-океан-суша обладает «запоминающими устройствами» (таковыми служат ледниковые щиты); поведение такой системы в некоторой мере предсказуемо по ее предыстории. Из рис. 71 видно также, что в течение 90% времени в плейстоцене климат был холоднее современного. Интересно отметить чрезвычайную резкость потеплений (т. е. быстроту таяния континентальных ледниковых щитов), обозначенных на рис. 71 римскими цифрами.

Рис. 71. Значения δ 018 в колонке глубоководных осадков из Тихого океана по Н. Шеклтону и Н. Опдайку (1973 г.).

Рис. 72. Спектр колебаний климата в плейстоцене по Дж. Имбри и Н. Шеклтону (1974 г.).

Последовательность оледенений плейстоцена была впервые изучена на примере Альп А. Пенком и Э. Брюкнером (1901 - 1909 гг.). Разработанная ими схема, позже детализированная Б. Эберлем (1930 г.), включает пять эпох оледенения - Дунайскую, состоявшую из трех стадий (самую раннюю из них теперь называют Биберской), двухстадийные Гюнцскую и Миндельскую и затем, после особенно продолжительного межледниковья, - двухстадийную Рисскую и трехстадийную Вюрмскую (Гюнц, Миндель, Рисс - реки, а Вюрм - озеро в бассейне Дуная). Эта схема, снабженная абсолютными возрастами (в нижней половине плейстоцена имеющими лишь ориентировочный характер), показана в первой графе табл. И. По данным Пенка и Брюкнера, ледниковые цирки Альп в эпохи оледенения заполнялись фирном не больше, чем теперь, т. е. количество осадков тогда не превосходило современного, но температуры были ниже, вследствие чего снеговая линия находилась много ниже современной (на 1200 м), таяние ледников было замедленным, и их языки спускались в долины много ниже, чем теперь, на севере, западе и юге Альп, выходя за пределы гор на равнины и образуя там огромные ледники подножий.

В настоящее время история плейстоцена в большинстве районов мира изучена уже довольно обстоятельно. Сводки данных по всему миру изложены в ряде книг, из которых мы упомянем лишь книгу К. К. Маркова с соавторами [57]. Климат, по определению, есть понятие глобальное, и те или иные проявления каждой ледниковой эпохи, естественно, обнаруживаются во всех районах мира, но, конечно, они отнюдь не везде и не всегда сводились к росту ледников. Иногда их следы еще не найдены или, например, стерты более поздними оледенениями, поэтому создано множество региональных хронологий плейстоцена, различающихся местными наименованиями и рядом деталей. В табл. 11 кроме альпийской хронологии приведена также североевропейская, русская и североамериканская.

Табл. 11. Хронология плейстоцена.

Максимальное оледенение в плейстоцене (Рисс-Заале-Днепровское-Иллинойс) превосходило современное оледенение втрое и покрывало 30% площади суши, или 45 млн. км2, из них 13.9 составляла Антарктида, 13.14 - Лаврентьевский ледниковый щит в Канаде, 5.76 - Европейский ледниковый щит, от 4.3 до 2.7 - Урало-Сибирский ледниковый покров, 2.6 - оледенение Кордильер, 2.16 - Гренландия, 2.25 - горы Евразии, 0.7 - горы южного полушария (это составляло 25% площади Евразии, 60% Северной Америки и 110% Антарктиды; в северном полушарии площадь оледенения превышала современную в 13 раз). Ледовый покров океана превышал современный в 1.5 раза и занимал 4% площади океана, или 25 млн. км2.

Всего льдом было покрыто 14% поверхности Земли, вдвое больше, чем теперь. Ледниковые щиты достигали в Европе 48°30', а в Северной Америке 37° широты. Карта максимального распространения льдов в северном полушарии приведена на рис. 73. На рис. 74 показаны южные границы четырех эпох оледенений - Окской, Днепровской (максимальной, во время которой одна из южных лопастей ледникового щита опускалась далеко вниз по Днепру, а другая почти полностью заполняла междуречье между Доном и Волгой), Московской и Валдайской - на европейской территории СССР.

Рис. 73. Максимальное распространение льдов в плейстоцене в северном полушарии по К. К. маркову с соавторами [57]. 1 - современная граница морских льдов; 2 - их древняя граница; 3 - современные суши; 4 - древнее наземное максимальное оледенение; 5 - современная граница вечной мерзлоты.

Максимальный объем льдов суши в плейстоцене составлял около 55 млн. км3, в том числе 23.9 - в Антарктиде (как сегодня), 23.9 - в Северной Америке, 7.6 - в Европе и 0.7 - в Урало-Сибирской области (60% этих льдов было сосредоточено в северном и 40% - в южном полушарии, тогда как теперь эти цифры равны 8 и 92%).

Рис 74. Границы плейстоценовых ледниковых щитов на европейской территории СССР. Ледниковые щиты: 1 - Окский; 2 - Днепровский; 3 - Московский; 4 - Валдайский.

Во время межледниковий, по-видимому, стаивало около половины этих льдов, и ледниковые щиты оставались только в Антарктиде и Гренландии. Это приводило повышению уровня Мирового океана на 85-120 м и образованию соответствующих террас на берегах морей и океанов (рис. 75); такие террасы были изучены еще в конце XIX в. в Средиземноморье (Калабрийские, затем предгюнцские Сицилийские, гюнц-миндельские Милаццские, миндельрисские Тирренские, Риссвюрмские Монастирские и самые низкие Фландрские, или Ниццские), а затем и во многих других районах мира.

Рис. 75. Плейстоценовые колебания уровня моря по данным о высоте средиземноморских террас по Ф. Цейнеру (1959 г.).

Наоборот, во время ледниковых эпох уровень Мирового океана понижался, большая часть континентального шельфа обнажалась и образовывались сухопутные «мосты», например, между Европой и Британскими островами, Чукоткой и Аляской (по последнему «мосту» около 30 тыс. лет тому назад в Америку из Азии проникли люди). Из-за понижения уровня океана во время ледниковых эпох шельфовые ледники Антарктиды должны были ложиться на дно шельфа, превращаться в континентальные ледниковые щиты и нарастать по толщине; во время межледниковий они должны были разрушаться и превращаться опять в плавучие ледники. Следы четырех таких событий на западном берегу моря Росса, по-видимому, совпадают по времени с ледниковыми эпохами северного полушария.

Выдающийся югославский ученый М. Миланкович (см. его книгу [58]) предложил объяснять колебания климата в плейстоцене колебаниями наклона е экватора Земли к плоскости ее орбиты, а также элементов земной орбиты (а именно - произведения е·sin π, где е - эксцентриситет орбиты, а π - долгота перигелия, т. е. самой близкой к Солнцу точки орбиты, отсчитываемой от точки весеннего равноденствия), создаваемыми действием на Землю сил притяжения остальных планет. Колебания величин ей e·sin π не меняют получаемой Землею в целом годичной суммы солнечного тепла, но могут приводить к изменениям распределения этого тепла по широтам и сезонам года (это распределение показано на рис. 66), а потому могут сказываться на климате. Так, увеличение е·sin π вызывает пропорциональное увеличение разности в длинах теплого и холодного полугодий (весна+лето) - (осень+зима), а увеличение ε приводит к пропорциональному sin ε · sin φ увеличению разности между суммами солнечного тепла за теплое и холодное полугодия на каждой широте φ (т. е. к увеличению континентальности климата). Чтобы понять, как это сказывается на климате, мы можем ожидать, например, что более холодные лета и теплые зимы будут способствовать росту ледников и за длительное время (много тысячелетий) могут привести к развитию ледниковой эпохи.

Вместо астрономических полугодий, длины которых меняются в зависимости от значений е·sin π, Миланкович рассматривал так называемые калорические полугодия, определяемые для каждой широты φ по отдельности, как полугодия одинаковой продолжительности, в течение которых ежедневная суточная сумма солнечного тепла на широте φ в любой день летнего полугодия больше суточной суммы солнечного тепла на этой широте в любой из дней зимнего полугодия. Колебания суммы солнечного тепла за летнее калорическое полугодие получаются как сумма (а за зимнее полугодие - как разность) колебаний ε и e·sin π, взятых с некоторыми множителями, зависящими от широты (см. главу 4 книги [9]). Для наглядной демонстрации результатов Миланкович рассчитывал колебания эквивалентной широты φ1(t) - той, на которую в настоящее время за летнее калорическое полугодие приходит столько же солнечного тепла, сколько в момент t прошлого времени приходило на широте 65° северного полушария. Рост эквивалентной широты означает похолодание, убывание - потепление.

Расчеты, произведенные Миланковичем, были затем повторены с небольшими уточнениями рядом авторов. Последние, наиболее детальные расчеты произвели советские астрономы Ш. Г. Шараф и Н. А. Будникова (1967-1969) на период в 30 млн. лет в прошлое и 1 млн. лет в будущее оказалось что эксцентриситет е колебался в пределах 0.0007-0.0658 (его современное значение 0.017) преимущественно с периодами около 0.1, 0 425 и 1 2 млн лет, наклон ε колебался в пределах 22.°068-24°.568 с периодами около 41 и 200 тыс. лет. Эти периоды неплохо соответствуют нашим представлениям о продолжительности колебаний климата в плейстоцене. Эквивалентные широты колебались в пределах 58-79° (т. е. довольно значительно) с преимущественными периодами в 41 тыс. лет и 1.2 млн. лет. Построенные Шараф и Будниковой графики эквивалентных широт показаны на рис. 76 Максимумы эквивалентных широт (φ1 ≥ 69°) можно попытаться сопоставить с ледниковыми периодами. Тогда получаются возрасты Дунайских арттиконы эпох - 970, 855 и 685 тыс. лет, Гюнца - 590 и 565 тыс. лет, Минделя - 476 и 435 тыс. лет, Рисса - 230 и 187 тыс. лет, Вюрма - 115, 72 и 25 тыс. лет вполне удовлетворительно согласующиеся с имеющимися фактическими данными о последовательности и длительности ледниковых периодов плейстоцена.

Рис. 76. Графики эквивалентных широт по Ш. Г. Шараф и Н. А. Будниковой. а - последний миллион лет; б - будущий миллион лет.

Если между максимумами эквивалентных широт φ1 ≥ 69° и ледниковыми периодами в самом деле есть генетическая связь, то кривую б рис 76 можно интерпретировать как предсказание на будущее ледниковой эпохи с оледенениями типа Гюнца через 170, 215, 260 и 335 тыс. лет, затем сильного оледенения через 505 тыс. лет, эпохи с сильными оледенениями типа Рисса через 620, 665 и 715 тыс. лет и наконец, эпохи с одним сильным и двумя слабыми оледенениями через 830, 870 и 910 тыс. лет (заметим, впрочем, что в эти времена техника, несомненно, сможет предотвращать ледниковые периоды если конечно, будет устранена опасность социальных катастроф). Следует подчеркнуть, что в настоящее время Земля находится, по-видимому, в состоянии типичного межледниковья, и можно ожидать, что через несколько десятков тысячелетий начнется следующий ледниковый период.

В изложенной теории М. Миланковича колебания климата в плейстоцене рассматриваются как вынужденные, создаваемые малыми колебаниями распределения приходящего солнечного тепла по поверхности Земли (тогда как периоды собственных колебаний системы атмосфера-океан-суша по имеющимся оценкам, по-видимому, короче главных периодов плейстоценовых колебаний климата). Однако эти вынуждающие причины существовали всегда. Почему же резкие колебания климата, в минимумах которых развиваются континентальные оледенения, начались только в плейстоцене? Ответом может служить предположение, что реакция системы атмосфера- океан-суша на названные выше малые вынуждающие колебания была слабой пока эта система находилась в состоянии с теплым климатом (скажем со средними годовыми температурами в Центральной Европе выше 12° С) но стала сильной, когда эта система в результате постепенного кайнозойского похолодания перешла в состояние с прохладным климатом (с указанной температурой ниже 10°). Это предположение выдвигал еще в 1954 г П. Вольдштедт. В его пользу свидетельствуют данные о перемежаемости пев-мокарбоновых и докембрииских ледниковых периодов.

Тонкая структура колебаний климата во время последнего ледникового периода ярко иллюстрируется приведенным на рис 77 профилем изотопного отношения кислорода δ O18 в уникальной 1390-метровой колонке льда, выбуренной в 1966 г. в северо-западной части Гренландского ледникового щита у Кемп Сенчури к востоку от Туле и достигшей скального ложа. Ориентировочная датировка слоев колонки охватывает около 125 тыс. лет, т. е. Земское-Микулинское-Сангамонское межледниковье и Вюрмский-Висленский-Валдайский-Висконсинский ледниковый период. Рис.77 показывает, что межледниковье состояло иэ трех стадий (по американской терминологии-Барбадос I, II, III), прерывавшихся кратковременными похолоданиями. В раннем Висконсине, начавшемся около 75 тыс. лет тому назад, происходили резкие колебания климата с тремя потеплениями (в Европе называвшимися Амерсфурт, Брёруп и Оддераде); этот период закончился глубоким оледенением (тиллит Брадтвилль). В среднем Висконсине было небольшое потепление Порт Талбот (в Европе - Антон Уоррен), второе глубокое оледенение (тиллит Магадор) и небольшое потепление Плум Пойнт (в Европе - Хенгело и Денекамп). Весь поздний Висконсин был очень холодным, особенно в период 22-14 тыс. лет с максимумом холода около 18 тыс. лет тому назад. Отметим, что на указанный фон налагаются еще более высокочастотные колебания с периодами порядка 1000 лет и иногда со значительными амплитудами, которые вполне могут быть реальными. На рис. 78 показана увеличенная верхняя часть кривой рис. 77, охватывающая последние 14 тыс. лет и характеризующая ход потепления климата в результате стаивания Вюрмских ледниковых щитов Европы и Северной Америки (совершенно аналогичные кривые получены для колонок льда из 2164-метровой скважины 1968 г. на станции Бэрд и 507-метровой скважины 1970 г. на станции Восток в Антарктиде). Данные рис. 78 отлично согласуются со сведениями о моренах неравномерно отступавших ледниковых щитов, повышении уровня Мирового океана, высоте снеговой линии в горах и длинах горных ледников, с палеоботаническими данными (в частности, о слоях в торфяниках) и многими другими разнообразными материалами. Они свидетельствуют о том, что очень холодный заключительный период Вюрмского оледенения ознаменовался резкими колебаниями ледниковых щитов - их наступанием во время Померанской стадии (16-14 тыс. лет тому назад) и отступанием в Раунисском межстадиале (13.7-13.2 тыс. лет назад); затем произошло похолодание Древний Дриас (13.2- 12.4 тыс. лет назад), потепление Ббллинг (12.4-12.1 тыс. лет назад), похолодание Средний Дриас (12.1-11.9 тыс. лет назад), резкое потепление Аллерёд (11.9-11.1 тыс. лет назад) и последнее наступание уже заметно сократившегося Скандинавского ледникового щита во время крайне резкого похолодания Молодой Дриас (развившегося за столетие и продолжавшегося в течение 11.1-10.3 тыс. лет тому назад), оставившее после себя морены Сальпаусселькя в Финляндии. После этого началось стремительное таяние ледникового щита, завершившееся всего за 1000 лет, и потепление климата, продолжавшееся до максимума около 6 тыс. лет тому назад.

Рис. 77. Профиль изотопного отношения кислорода ε 018 в колонке льда Кемп Сенчури по В. Дансгаарду с соавторами.

Рис. 78. Профиль изотопного отношения кислорода ε 018 в колонке льда Кемп Сенчури за последние 14 тыс. лет.

Под тяжестью Вюрмского ледникового щита Скандинавия довольно глубоко осела в верхнюю мантию Земли. Быстро освободившись от этой тяжести (что привело к появлению в этом районе отрицательных гравитационных аномалий), она стала подниматься. У прежнего центра оледенения в вершине Ботнического залива этот подъем за последние 9 тыс. лет составил 250 м, продолжается он и теперь со скоростью около 1 см/год (современные „отрицательные гравитационные аномалии достигают здесь 50 мгал) и, по-видимому, составит в будущем еще около 200 м; аналогичные данные имеются и для района Гудзонова залива в Канаде. Сочетание подъема суши и подъема уровня Мирового океана создало специфические условия существования Балтийского моря, которое то теряло связь с Атлантическим океаном и опреснялось, то (трижды) восстанавливало эту связь и осолснялось. До Аллерёда здесь было пресное Балтийское ледниковое озеро; в эпоху Аллерёда в него проникли морские воды, образовав первое Иольдиевое море (названное по моллюску иольдия); в эпоху Сальпаусселькя оно снова превратилось в озеро; после этого (9.5 тыс. лет тому назад) образовалось второе Иольдиевое море; через тысячу лет из-за поднятия суши Датские проливы закрылись, и образовалось Анциловое озеро (названное по моллюску анцилус); около 7 тыс. лет тому назад из-за подъема уровня океана это озеро опять соединилось с Атлантикой, образовав Литориновое море (по моллюску литорина); к настоящему времени это море сократилось в размерах и несколько опреснилось. Четыре последние стадии этого процесса показаны на рис. 79.

Рис. 79. Стадии формирования Балтийского моря. а - Балтийское ледниковое озеро (10 тыс. лет назад); б - второе Иольдиевое море(9.5 тыс. лет назад); в - Анциловое озеро (8.5 тыс. лет назад); г - Литориновое море (7 тыс. лет назад). 1 - материковый лед; г - моря; 3 - озера; 4 - изолинии поднятия (м).

По палеоботаническим данным С. Фирбас (1949 г.) установил следующую последовательность послеледниковых климатов в Западной Европе, показанную на рис. 78 римскими цифрами: I, II, III - холодный климат раннего, среднего и позднего субарктического времени; IV - более теплый и сухой предбореальный период; V - еще более сухой бореальный период; VI, VII - более влажный и наиболее теплый климат раннего и позднего атлантического периода (с наибольшими температурами во время климатического оптимума, когда было теплее, чем теперь, но, по-видимому, все же несколько холоднее, чем во времена предыдущих межледниковий; судя по палеофлоре Шпицбергена, во время климатического оптимума в Арктике, вероятно, не было многолетних льдов); VIII - более сухой суббореальный период с начинающимся похолоданием климата; IX, X - более холодный и влажный климат раннего и позднего субатлантического периода, продолжавшегося приблизительно до четвертого века нашей эры. После этого началось потепление, достигшее максимума в «эпоху викингов» VIII-XI вв., когда малая ледовитость морей к востоку, югу и западу от Гренландии позволяла викингам совершать по этим морям дальние путешествия.

Рис. 80. Отклонения средних пятилетних значений температуры воздуха (δ Т, в градусах Фаренгейта) в некоторых широтных зонах от их значений в 1880-1884 гг. по Дж. Митчеллу (1961 г.).

Около 870 г. викинги заселили Исландию. В 875 г. исландский викинг Гунбьерн обнаружил Гренландию, а в 982 г. Эрик Рыжий обследовал ее южные побережья и присвоил ей нынешнее наименование, означающее «Зеленая страна»; исландские колонии в Гренландии просуществовали до XV в. В 880 г. конунг Оттар обогнул северную точку Европы - мыс Нордкап и достиг Белого моря. Около 900 г. викинги достигли Нью-Фаундленда, а затем и близлежащих берегов Северной Америки, где были основаны поселения Винланда, Маркланда и Хеллуланда. В 1050-1060 гг. король Норвегии Харальд Хардруд ходил морем на север и встретил тонкий паковый лед, толщиной до 2.5-3 м, лишь очень далеко на севере и северо-востоке от последних встреченных им островов (Шпицбергена или Новой Земли). До 1200 г. охотники на тюленей, моржей и китов нередко достигали Шпицбергена и Новой Земли. Итак, в «эпоху викингов», как и во время климатического оптимума, в Арктике, возможно, не было или было лишь немного многолетних льдов.

Рис. 81. Средние месячные значения температуры воздуха средней по массе.

Затем похолодало, и в период приблизительно с 1430 по 1850 г. царил холодный климат с максимумами холода в XV и XVII вв.; это время называют «малым ледниковым периодом» (иногда же этот термин относят только к XVII-XIX вв.). Дж. Бьеркнес (1965 г.) установил, что в это время температура поверхности воды в Атлантике в Саргассовом море была выше, а в районе Исландии ниже, чем сегодня; вследствие этого теплоотдача от океана атмосфере в пассатной зоне была слабее, что приводило к ослаблению атмосферной циркуляции в умеренных широтах. Из-за этого температуры воды в Саргассовом море еще более повышались, а в районе Исландии понижались; этот процесс мог бы привести к развитию нового ледникового периода, если бы не противоположное действие усиливающегося переноса тепла к северу течениями в северной половине Атлантического океана. Положительная обратная связь между ослаблением теплоотдачи океана в атмосферу и ослаблением атмосферной циркуляции в этом районе является примером механизмов, способных создавать колебания климата с периодами порядка нескольких сотен лет.

После завершения «малого ледникового периода» климат потеплел. Особенно заметным это потепление было в первой половине XX столетия, т. е. буквально у нас на глазах; см. на рис. 80 построенные Дж. Митчеллом (1961 г.) графики изменений температуры воздуха в 1870-1960 гг., показывающие, что в северном полушарии (и особенно в его полярном районе) потепление было более интенсивным, чем в южном, причем особенно сильно потеплели зимы. На построенной Дж. Митчеллом глобальной карте этого потепления видна существенная разница в поведении океанов и континентов: потепление охватило в основном океаны, особенно Арктику, тогда как на континентах, наоборот, чуть похолодало. Ледовитость Баренцева моря за первую половину XX в. уменьшилась на 20%, граница распространения айсбергов в Южном океане сместилась на 1700 км к Антарктиде; уровень Мирового океана за это время, по-видимому, поднялся приблизительно на 6 см. Окончание этого потепления иллюстрируется приведенным на рис. 81 графиком В. Старра и А. Оорта (1973 г.), показывающим, что средняя по всей массе атмосферы температура воздуха в северном полушарии за пятилетие 1958-1962 гг. упала приблизительно на 0.5° С.