Методы изучения истории оледенений

В предыдущей главе приводился ряд величин абсолютного возраста, иллюстрирующих историю новейшего ледникового этапа. Возникает вопрос: каким путем были получены эти геохронологические показатели и другая палеогляциологическая информация?

Здесь прежде всего надо сказать, что реконструкции истории оледенений непосредственно основываются на материалах изучения ледниковых и других генетически связанных с ними отложений. Наиболее полной информацией мы располагаем об отложениях четвертичной системы. Методы их изучения в принципе мало отличаются от обычных стратиграфических методов, применяемых в геологии. Все решает последовательность напластования. Однако в одном разрезе четвертичных отложений редко встречается более двух моренных горизонтов, и очень трудно найти разрезы, полностью вскрывающие весь комплекс ледниковых отложений. Нередко во время молодых оледенений происходила полная или частичная переработка более древних морен.

Несмотря на пробелы в геологической летописи событий, изучение самих морен дает чрезвычайно ценный материал для реконструкции динамики ледниковых покровов и обстановок моренонакопления. В современных условиях практикуется сопряженный анализ вещественного состава и строения морен, включающий гранулометрический и петрографический состав, изучение формы крупных обломков, минеральный состав мелкозема, ориентировку удлиненных обломков и т. д. Полученные данные позволяют конкретно представить себе общий характер и направление движения древних ледников, их температурный режим, взаимодействие с подстилающим ложем и другие принципиально важные индикаторы. В меньшей степени литологические материалы способствуют установлению последовательности событий, особенно при отсутствии надежной геохронологической привязки.

Важное значение для определения возраста и пространственных корреляций морен играет ископаемая флора и фауна межледниковых отложений, но интерпретация этих данных осложняется из-за неоднократных миграций организмов, обусловленных изменениями климата. Прямой путь для геохронологических исследований открывает изотопная хронометрия, которая за последние десятилетия достигла больших успехов. Применявшиеся ранее методы датирования геологических событий по изотопам урана и свинца, имеющим большие периоды полураспада, мало подходили для изучения четвертичного периода, который в целом относительно непродолжителен.

Весомый вклад в исследование четвертичной истории внесло радиоуглеродное датирование. Этот метод основан па объективных закономерностях радиоактивного распада и отличается высокой точностью по сравнению со многими другими геохронологическими методами. Радиоактивный углерод (¹⁴С) образуется в атмосфере при бомбардировке атомов азота космическими лучами, затем при окислении он входит в состав углекислоты, которая усваивается растениями и попадает в организмы животных. При жизни растений и животных поддерживается равновесие концентрации ¹⁴С в природе. С гибелью организма это равновесие нарушается, так как происходит только распад ¹⁴С с образованием азота. Период полураспада ¹⁴С составляет 5570 лет, и с теоретических позиций применение радиоуглеродного метода не превышает 50 тыс. лет.

Контроль метода был проведен на археологических образцах известного возраста и годичных кольцах деревьев. Величины возраста, полученные разными методами, обнаружили четкую сходимость в пределах последних 5000 лет. Для более древнего периода контроль, к сожалению, не был осуществлен, в частности, из-за отсутствия столь долго живущих деревьев. Однако имеются случаи хорошей согласованности результатов датирования разнотипных материалов, взятых из одного горизонта. При оценке точности радиоуглеродных датировок надо принимать во внимание возможность ошибок за счет загрязнения образцов углеродом более молодого и более древнего возраста. С этой целью проводится исследование темпов образования ¹⁴С в верхних слоях атмосферы. В качестве образцов берутся годичные кольца деревьев. Выявленные различия между предполагаемым и действительным содержанием ¹⁴C могут отражать не только изменения в эффективности обмена углеродом между атмосферой и океаном, но и колебания в притоке космической радиации. Определить степень участия этих факторов пока еще очень трудно, но можно предполагать, что существует тесная зависимость от интенсивности магнитного поля Земли, которое влияет на ионосферу, служащую барьером для солнечной радиации.

Разработка хронологии четвертичного периода - чрезвычайно сложная задача. До использования радиоизотопных методов неоднократно предлагались геохронологические шкалы, основанные на темпах накопления ритмично-слоистых осадков разного генезиса, чаще всего озерных. Сделанные на этой основе оценки продолжительности этапа развития покровных оледенений в умеренных широтах колебались от 1 млн. до 400 тыс. лет.

За последние десятилетия для изучения истории четвертичного периода широко привлекаются глубоководные донные осадки океанов. При этом детально исследовались турбулентные и донные течения, процессы оползания и переотложения рыхлых материалов. На дне океана были обнаружены выходы коренных пород, и выяснилось, что тектонический режим океанического ложа отнюдь не был таким спокойным, как полагали.

Большое внимание при изучении четвертичных осадков уделялось выявлению признаков ледниковой обработки песчаных зерен, тогда как для осадков более низких широт детально анализировалось воздействие перигляциальных процессов на строение поверхности зерен. Изменения характера поверхности зерен в разных морских обстановках - также предмет специальных исследований. Колебания температуры поверхностных вод четко проявляются и в минеральном составе донных осадков, и в насыщенности их карбонатом кальция.

Определение возраста молодых донных океанических осадков осуществляется с помощью радиоуглеродного метода, а для более древних горизонтов привлекаются другие радиоизотопные методы или проводится экстраполяция с учетом темпов осадконакопления.

Американский геохимик Ч. Эмилиани первый предложил использовать при изучении морских осадков палеотемпературный метод, основанный на определении соотношения изотопов кислорода ¹⁶O:¹⁸O в створках фораминифер (для контроля проводятся соответствующие анализы современных образцов). Полученные данные свидетельствуют о температурах поверхностных вод во время жизни микроорганизмов. При этом предполагается, что осадконакопление происходило непрерывно и с одинаковой скоростью, так что ход изменений температуры, установленный по изотопам кислорода, является функцией времени.

Выяснилось, что при испарении воды ее молекулы, содержащие более легкий изотоп, перемещаются быстрее, чем те, которые содержат более тяжелый. Следовательно, концентрация изотопов кислорода в воде непосредственно зависит от температуры. При понижении температуры на 1° С доля изотопа ¹⁸O увеличивается на 0,02%. Во время оледенений более легкий изотоп ¹⁶O активно испарялся и включался в состав ледниковых покровов, тогда как в океанах накапливался более тяжелый изотоп ¹⁸O. Во время межледниковий талая вода, обогащенная изотопом ¹⁶O, возвращалась в океаны.

Анализ колонок донных осадков Карибского моря палеотемпературным методом ясно показал, что во время последнего материкового оледенения температура поверхностных вод понижалась на 6°С. Всего за последние 425 тыс. лет было выделено восемь крупных циклов изменений температуры (каждый цикл включал одно оледенение и одно межледниковье). Привязка к абсолютной хронологической шкале осуществлялась с помощью радиоизотопных методов: радиоуглеродного в молодой части, протактиниево-ториевого (²³¹Ра:²⁸⁰Th) в более древней.

Для датирования вулканических пород используется калий-аргоновый метод. Полученные с его помощью результаты успешно привлекались для расшифровки летописи позднекайнозойского оледенения Антарктиды. В Европе возраст одного из древних материковых оледенений (гюнцского?) был определен в 400-350 тыс. лет назад, что свидетельствует в пользу относительно короткой геохронологической шкалы плейстоцена. Однако остается некоторое сомнение в правомочности полученных результатов, так как трудно точно измерить малые количества такого газообразного продукта распада, как аргон.

Методы абсолютной хронологии, основанные на применении радиоактивных изотопов, имеют неоспоримое преимущество для установления последовательности событий четвертичной истории, но есть у этих методов и свои ограничения. Прежде всего нельзя исключить вероятность различных загрязнений, попавших в анализируемые образцы. Между датированными отрезками времени остаются различные по продолжительности интервалы, особенно в эоплейстоцене, континентальные отложения которого довольно слабо изучены. Наконец, далеко не всегда находятся подходящие образцы для датирования, а сами радиоизотопные анализы дорогостоящие.

В силу вышеизложенных причин часто практикуются методы относительной геохронологии, существенно дополняющие определения абсолютного возраста. В качестве объектов исследования привлекаются костные остатки млекопитающих, раковины моллюсков, створки фораминифер и остракод, пыльца и споры растений. По этим остаткам фиксируются в основном температурные колебания, но в ряде случаев регистрируются также изменения осадков и другие показатели климатов прошлого - индикаторы условий обитания растений и животных.

Следует отметить, что имеются немалые трудности при сопоставлении данных по эволюции морских и континентальных организмов. Правда, океанологи и гидробиологи полагают, что установленную последовательность колебаний температуры морской воды можно непосредственно сопоставить с изменениями климатических условий на суше, но на самом деле эта зависимость гораздо сложнее.

Путем привязки результатов микропалеонтологических исследований морских осадков к абсолютной хронологической шкале, созданной на основе радиоуглеродных, протактиниево-ториевых и протактиниево-иониевых датировок, удалось детально проследить колебания природных обстановок за последние 175 тыс. лет. При этом в колонках с наиболее однородной текстурой осадков была выявлена постоянная скорость седиментации порядка 2,5 см в 1000 лет. Мощность всей толщи плейстоценовых отложений составляла 38 м, а продолжительность четвертичного периода - более чем 1,5 млн. лет.

Для регистрации последовательных изменений природной среды в прошлом широко используется спорово-пыльцевой анализ. Этот метод прежде всего основывается на хорошей сохранности внешних оболочек пыльцевых зерен и оболочек спор растений (рис. 8), особенно при отсутствии доступа воздуха (например, в торфе, озерных илах и глинах). Пыльца и споры производятся растениями в огромных количествах. Так, из одной сережки орешника выпадает до 14 млн. пыльцевых зерен, а из одного растения щавеля - 400 млн. Перенос пыльцы и спор осуществляется ветром, текучими водами, насекомыми, летучими мышами, птицами и даже пресноводными моллюсками. Эксперименты показали, что преобладает транспортировка этих микроскопических частиц на относительно небольшие расстояния. Поэтому "пыльцевой дождь" для конкретной территории в большинстве случаев примерно соответствует составу наземной растительности.

Рис. 8. Пыльца и споры некоторых растений умеренной зоны (рисунок М. X. Моносзон). 1 - ель обыкновенная; 2 - лещина обыкновенная; 3 - береза пушистая; 4 - дуб черешчатый; 5 - липа мелколистная; 6 - сосна обыкновенная; 7 - ольха черная; 8 - вяз гладкий; 9 - ива трехтычинковая; 10 - подорожник ланцетовидный; 11 - лисохвост луговой; 12 - полынь обыкновенная; 13 - марь белая; 14 - щитовник болотный; 15 - хвощ болотный; 16 - многоножка обыкновенная

Пыльца и споры садятся на поверхность суши и на дно водоемов. Эти частицы очень малы (от 10 до 150 мк) и обычно бывают достаточно полно представлены даже в небольших образцах породы. Отбор образцов из геологических разрезов проводят послойно, причем большая частота отбора обеспечивает детальную информацию. В итоге спорово-пыльцевого анализа составляются диаграммы, на которых графически показано процентное содержание пыльцы и спор различных растений. Этот метод обладает высокой информативностью, во всяком случае, по сравнению с другими палеогеографическими методами.

В Англии получило распространение изучение остатков жуков, прежде всего их надкрылий, которые лучше всего сохраняются в озерных и болотных отложениях. По строению эти ископаемые формы обнаруживают сходство с современными и позволяют воссоздать условии обитания. В ряде разрезов слои с остатками жуков датированы радиоуглеродным методом, получена своеобразная летопись изменений природы. При сопоставлении с результатами спорово-пыльцевого анализа выяснилось, что благодаря высоким темпам распространения жуки быстрее реагируют на изменения температуры, чем растения. Таким путем удалось существенно дополнить представления о климатах эпохи последнего оледенения и послеледникового времени.

Физические свойства климата неизбежно проявляются в составе и строении поверхностных отложений (рис. 9). Само присутствие донной морены указывает на пребывание ледника. По составу крупных валунов в морене можно представить пути движения ледника и характер его воздействия на ложе. Наличие ленточных отложений свидетельствует о развитии плотинных озер, получавших сток талых ледниковых вод. Для диагностики очень холодного климата важную роль играет изучение следов многолетней мерзлоты (палеокриологический метод). Современные исследователи достаточно уверенно различают такие ископаемые мерзлотные явления, как каменные полосы и полигоны, криотурбационные смятия слоев, морозобойные клинья, полигональные грунты, термокарстовые воронки, валунные поля и солифлюкционные покровы. Большой набор интересной информации о климатических условиях прошлого дает изучение лёссов и погребенных почв, Даже гранулометрический анализ лёссов позволяет раскрыть важные особенности перигляциальных обстановок. Дополнительные сведения получают благодаря применению минералогического, геохимического и других методов.

Рис. 9. Формирование рельефа краевой ледниковой зоны во время подвижки ледника (вверху) и после его таяния (внизу) (По В. Шеппсу). КМ - конечная морена; ЛГ - ледяные глыбы; ЗР - зандровая равнина; Д - дельта; О - озеро; М - моренная равнина; ОГ - озовая гряда; К -котловина; ОЗ - озерная равнина

Еще одно важное средство изучения истории четвертичного периода - анализ изменения магнитного поля Земли. Палеомагнитные исследования обнаружили ряд колебаний полярности магнитного поля Земли, и эти колебания в нескольких случаях удалось датировать с помощью калий-аргонового метода. Палеомагнитный метод широко распространен для датирования как континентальных, так и морских отложений (рис. 10). Выяснилось, что присущая настоящему времени нормальная полярность была свойственна последним 700 тыс. лет, составляющим магнитную эпоху Брюнес. Предыдущие 1,7 млн. лет с обратной полярностью относятся к эпохе Матуяма. В ее пределах выделены два коротких интервала с нормальной полярностью - Ярамилло (900 тыс. лет назад) и Олдувей (1,9 млн. лет назад). Все эти события в истории магнитного поля Земли позволяют установить важнейшие геохронологические вехи четвертичного периода.

Рис. 10. Палеомагнитная шкала геологического времени (слева) и изменения палеотемператур за последние 5 млн. лет (справа) (по Д. Тарлингу)

Новейшие исследования помогли подробно проследить ход изменений полярности магнитного поля Земли и наметить довольно тесные зависимости между этими изменениями и вымиранием организмов. Синхронность подобных явлений показывает, что уменьшение полярности магнитного поля Земли перед сменой знака сопряжено с быстрым притоком космической радиации к поверхности Земли, соответственно возрастают темпы мутации, вызывающей вымирание старых и появление новых видов.

Комплекс данных по глубоководным осадкам океанов позволил выделить около 1,8 млн. лет назад начало крупного планетарного похолодания, сопоставляемого с нижней границей четвертичного периода. В это время усилилась миграция североатлантической фауны в Средиземное море, средняя температура поверхностных вод там понизилась до 20° (в настоящее время 25-26°С). Раннечетвертичное похолодание открыло эпоху часто повторявшихся на фоне общего ухудшения климата температурных колебаний. Амплитуда этих колебаний последовательно увеличивалась, и к началу плейстоцена (около 700 тыс. лет назад) холодные интервалы проявились особенно резко. Это послужило мощным стимулом развития материковых оледенений не только в полярных, но и в умеренных широтах.