Одна из важнейших философских идей современной цивилизации – концепция геологического времени. Геологическое время, которое называют также геологической историей, представляет собой костяк, на котором построена вся геология. Он обеспечивает порядок в кажущейся путанице горных пород на земной поверхности и под землей и раскрывает длинную историю жизни нашей планеты. Летопись постепенных и катастрофических изменений записана внутри слоев горных пород. В некоторых слоях документально зафиксированы медленные процессы, такие как отложения осадков на протяжении миллионов лет; в других записаны рассказы об опустошении, например о столкновении астероида с Землей, которое произошло 66 млн лет назад и положило конец господству нептичьих динозавров.
Временная шкала Земли огромна по человеческим меркам, и поэтому ее трудно охватить. Даже геологам необходимо перепроверять детали и многократно обращаться к временной шкале, чтобы понять весь ее размах. Есть множество методов, с помощью которых ученые, студенты и остальные люди, не имеющие отношения к науке, могут выучить шкалу геологического времени: от простого запоминания до использования аналогий и визуальных метафор. Рассказы о различных животных и событиях на Земле с позиции разных наук представляют собой еще один способ разобраться в геологической истории.
Концепция геологического времени вдохновляет на серьезные философские догадки. Геологическая история представляет собой контекст, в котором рассматривается жизнь, поскольку демонстрирует взаимосвязь между всеми элементами нашей планеты: воздухом, водой, почвой, горными породами и самими живыми организмами. Геологическая история позволяет заглянуть в прошлое Земли, во времена, когда происходили значительные климатические события, и дает возможность извлечь уроки и обратить внимание на предупреждения и аналогии с тем, как современное человечество обращается с окружающей средой. Тревожно, что, если смотреть на наше сегодняшнее отношение к миру природы и использованию ресурсов Земли, кажется, будто мы еще не осознали значение геологической истории. Действительно ли мы живем в самом конце времен? Или можно извлечь еще какие-нибудь уроки, в том числе найти способы управления климатическим кризисом, с которым сталкивается планета? Давайте начнем с того, что обратимся к самой геологической истории и посмотрим, насколько рано геологи установили последовательность событий временной шкалы и выяснили, каким образом приспосабливались живые организмы, а также расскажем об истории таких открытий. А затем рассмотрим, какое значение эти открытия имеют в наши дни.
Тот факт, что Земле 4,6 млрд лет, трудно осознать. Для иллюстрации геологического времени часто используется аналогия с часами, у которых имеется двадцатичетырехчасовой циферблат и минутная и секундная стрелки (см. цветную вклейку 3.1). Рождение Земли зафиксировано на этих часах в полночь, когда планета образовалась из пыли в результате аккреции частиц. Люди появились всего лишь в последние две минуты суток. Все остальное геологическое время вплоть до наших дней – отсчитываемые на этих часах предшествующие 23 часа 58 минут.
В этой книге определения, касающиеся единиц геологического времени, используются в соответствии со следующими правилами: в первых нескольких главах термины «верхний, средний и нижний» применяются в историческом смысле, когда шкала геологического времени еще разрабатывалась. Далее в книге при обсуждении геологического времени и комплексов горных пород термины «верхний, средний и нижний» относятся к специфическим стратиграфическим единицам в соответствии с Международной хроностратиграфической таблицей (утвержденной Международной комиссией по стратиграфии)[127]. Эти прилагательные обозначают хроностратиграфические (время – горные породы) подразделения. Наконец, термины «ранний, средний и поздний» используются в более широком смысле для описания событий, например, таких, как периоды жизни или вымирания определенных растений или животных на протяжении геологического времени. Эти термины обозначают геохронологические подразделения.
Сначала геологи разработали шкалу геологического времени с помощью методов определения относительного возраста, устанавливая местоположение слоев и пластов по отношению друг к другу и исходя из изменений живых организмов со временем (см. главу 1). В последовательности ненарушенных горных пород более старые слои находятся на большей глубине, а более молодые – ближе к вершине, в соответствии с принципом суперпозиции, впервые сформулированном Николаусом Стеноном. Выводы об относительном возрасте слоев основываются также и на других принципах Стенона, обсуждавшихся в главе 1, таких как принципы первоначального горизонтального залегания и секущих взаимоотношений. Кроме того, геологи изучают ископаемые остатки, чтобы идентифицировать и соотнести слои для определения относительного возраста горных пород.
Уильям Смит впервые предложил и применил эти методы в начале XIX в., руководствуясь работами Стенона о последовательности геологических комплексов. Смит установил взаимосвязь между уникальными ископаемыми и слоями горных пород в центре Англии и разработал принцип последовательности фауны и ископаемых. При исследовании обнажений горных пород, вскрытых во время строительства каналов для транспортировки угля через центральную часть Англии, Смит выяснил, что особые окаменелые раковины появляются в конкретных слоях. Ученый провел сравнение слоев в двух каналах, затем применил свои методы к геологическим слоям во всем регионе, а потом и по всей стране и в 1815 г. создал первую геологическую карту Англии. Позднее в XIX в. Джеймс Геттон понял, что определенные горные породы, которые должны фиксировать историю Земли, в действительности не наблюдаются поверх тех слоев, где они должны были бы залегать, и пришел к выводу об утраченных слоях. Он назвал эти пробелы в геологической летописи несогласиями, которые появляются в результате эрозии и других событий, разрушающих горные породы. Наличие несогласий привело Геттона к представлениям о циклах, огромном возрасте Земли и единстве процессов. Чарлз Лайель разработал идеи Геттона о несогласиях и об использовании текущих процессов для понимания событий в прошлом – концепцию, которая называется униформизмом. Перечисленные методы – использование принципов стратиграфии (Стенон); идентификации ископаемых, локализации и корреляции (Смит); пробелов во времени и скорости изменений (Геттон и Лайель) – позволили геологам XVIII и XIX вв. убедительно воссоздать последовательность событий, в том числе с учетом пробелов, и построить первую шкалу геологического времени.
Существует множество методов корреляции пластов одного участка с другими участками в той же стране или в других регионах мира. Геологи могут сопоставлять горные породы по ископаемым остаткам, их группированию, эволюционным изменениям организмов и событиям вымирания; это называется биостратиграфией. Биостратиграфический анализ применим по отношению к осадочным горным породам, потому что эти слои состоят из рыхлых отложений, содержащих останки животных и растений. Геологи также используют для корреляции пластов литостратиграфию, то есть изучают свойства горных пород: размер зерен, тип цемента, окружающую среду отложения, присутствие несогласий и химический состав. Кроме того, геологи применяют климатостратиграфию для определения связи между толщами горных пород за счет сходства климата, в котором откладывались различные пласты.
С конца XVIII в. геологи стали применять биостратиграфические методы и реже литостратиграфические для установления принадлежности комплексов горных пород геологическим периодам. Смитсоновский принцип последовательности фауны, наряду с работами Жоржа Кювье, Александра Броньяра и Луи Агассиса об ископаемых и вымирании, был исключительно важен для понимания того, как определенные ископаемые связаны с конкретными пластами. Шкала геологического времени сначала была основана на этих принципах.
Тем не менее соотнесение последовательности ископаемых и изменений организмов с хроностратиграфическими событиями – не простая задача. Первоначальная среда, в которой жили организмы, отличается от места к месту и содержит совершенно разные биологические виды. Фоссилизация – довольно редкий процесс, требующий наличия специальных условий, при которых тела не разрушаются и не размываются; более того, сохранность увеличивается, если материал подлежит быстрому захоронению при малой концентрации кислорода или при полном его отсутствии. К тому же через миллионы лет необходимо определить местоположение отложений и извлечь их.
Руководящие ископаемые – это особые виды ископаемых, которые стратиграфы и геологи используют в качестве ключей, так сказать, для раскрытия последовательности горных пород на протяжении времени. Руководящие ископаемые представлены конкретными животными или растениями, которые населяли обширный географический район на протяжении относительно короткого времени, отличались от других видов или подвидов, были широко распространены и легко идентифицируются. Ключевые признаки руководящих ископаемых позволяют геологам разделять слои на основе их морфологии (формы) и распространения.
Например, давно вымершие трилобиты (группа морских артропод, класс Trilobita) считаются основными руководящими ископаемыми палеозойской эры. Существовали тысячи видов этих морских беспозвоночных, которые со временем менялись определенным образом (рис. 3.1, слева). Господство трилобитов закончилось с самым крупным когда-либо зафиксированным вымиранием, свидетельства которого обозначают завершение палеозойской эры и четко определяют границу пермского периода с последующим триасовым. Точно так же основными руководящими ископаемыми мезозойской эры являются аммониты с их спиральными раковинами (рис. 3.1, справа). Аммониты были плодовитыми животными, давшими начало множеству видов, которые позволяют геологам идентифицировать и соотносить геологические слои, а их вымирание знаменует окончание мезозоя.
Рис. 3.1. Слева: трилобит среднего кембрийского периода, гора Стивенс, Британская Колумбия (Mark A. Wilson, 2009); справа: аммонит, Лайм-Реджис, побережье Дорсета, Великобритания (Fluffybiscuit, 2010)
Как мы видели, работы палеонтолога Мэри Эннинг наряду с работами других ученых, в том числе немецкого палеонтолога Фридриха фон Квенштедта и его ученика Альберта Оппеля в 1850-х гг., стали основой для разработки аммонитовых зон – картографированных зон, определяющих возраст комплекса горных пород на основе изменений аммонитов. Аммонитовые зоны калиброваны для отложений по всему миру, в том числе в слоях Западного Внутреннего пролива мелового периода – крупного внутреннего моря, которое когда-то простиралось от Канады до Мексики и на протяжении более 30 млн лет разделяло Северную Америку на два массива суши.
Аммониты быстро скользили сквозь воды Западного Внутреннего пролива, в то время как на его берегах оставались дорожки следов динозавров и их скелеты. Над его широкими солеными потоками летали птерозавры. Там, где сегодня на высоте 1,5 км возвышается Денвер и Скалистые горы, когда-то, в зависимости от периода времени, глубина пролива составляла от 182 м (ровное дно) до 200–500 м (дно с котловинами). Дно было сложено из бедного кислородом ила с промежуточными слоями песка, что создавало идеальные условия для сохранения ископаемых останков. В конечном итоге материал литифицировался, превращаясь в сланцы Пирр, формацию Ниобрара и другие комплексы. Эти горные породы оказались подняты наверх примерно 40–70 млн лет назад вместе с молодыми Скалистыми горами в результате процесса горообразования, который называется ларамийским орогенезом.
Геологи определили возрастные зоны в сланцах Пирр, рядом с Лавлендом, штат Колорадо, на основе распределения различных видов аммонитов (см. цветную вклейку 3.2); зона карты, обозначенная голубым цветом, представляет самый молодой возраст, характеризующийся одним видом из рода Sphenodiscus[128]. Геологи также используют для разграничения времени виды головоногих моллюсков с прямой раковиной – белемнитов.
И аммониты, и белемниты могут дать дополнительную информацию об условиях среды, в которой они жили. В частности, белемниты выстраивались вдоль течения, следовательно, их ископаемые раковины, которые называются рострами, указывают направление движения воды. Исследования раковин аммонитов и ростров белемнитов раскрывают и другие климатические параметры, такие как температура воды.
Иногда, поскольку одна и та же экосистема включала множество животных, геологи рассматривают группы существ и их ископаемые остатки, которые называются ассоциацией, или комплексом ископаемых. Примером ассоциации ископаемых может служить та, в которой сохранились обитатели морского дна и толщи воды над ним, включая знаменитые отложения кембрия в сланцах Бёрджесс в Британской Колумбии. Ассоциации ископаемых, найденные в этих горных породах, включают трилобитов; крупных артропод странного вида – аномалокарисов, Anomalocaris, известных также как «странная креветка»; древних, похожих на губок существ; брахиопод, Brachiopoda, – беспозвоночных с раковинами, состоящими из двух соединенных створок; первое известное животное с хордой – пикайю, Picaia; протокрабов; червей и, помимо прочих, предков мечехвостов[129]. Ученые наносят на карту распределение этих ископаемых и таким образом сопоставляют горные породы на протяжении больших участков для составления шкалы геологического времени. При интерпретации комплексов ископаемых требуется осторожность, потому что потоки воды и другие силы могли передвигать останки животных после смерти, но они подходят для корреляции пластов горных пород.
Используя методы определения относительного возраста, геологи были способны установить последовательность событий временной шкалы, но лишь благодаря достижениям физики и химии и их применению по отношению к горным породам стало возможным четко определить границы между эонами, эрами, периодами и эпохами. Эти нововведения в конце концов превратили умозрительные теории эволюции и геологического времени в области науки, имеющие удивительно широкую доказательную базу.
Отчасти в связи с промышленной революцией и стремлением добывать ценные минералы и другие полезные ископаемые, такие как уголь, геологи и минералоги в конце XVIII в. пытались предсказывать местоположение таких важных отложений за счет организации известных геологических пластов во временной последовательности. В частности, немецкий геолог и профессор минералогии Абраам Вернер предпринял одну из первых попыток сформировать шкалу геологического времени, по крайней мере, пластов, которые содержат ископаемые, – тех, что находятся в границах фанерозойского эона. Возраст самых древних горных пород, которые в основном не содержат ископаемых и относятся к докембрийскому суперэону, будет определен гораздо позже с помощью количественных методов.
Вернер первоначально разделил горные породы у поверхности Земли на четыре подразделения, или периода[130]: примитивные, вторичные, аллювиальные и вулканические. Потом он добавил пятое подразделение – переходные горные породы, занимающие промежуточное положение между примитивными и вторичными (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Первая шкала геологического времени, созданная Вернером (концепция автора; иллюстрация Р. Гари Рэма, 2020)
По мнению Вернера, выделенные им примитивные (нем. Urgebirge – «первозданные») горные породы, лежащие в основе формаций, представляли собой самый древний материал Земли и состояли из кристаллических (вулканических) горных пород. Вернер и его коллеги утверждали, что примитивные пласты не содержат никаких ископаемых или органических остатков. В немецком языке приставка Ur- означает «главный или первичный, подлинный», а Gebirge в современном значении – «горы или горная цепь». Термин «первозданный» применялся Вернером в более широком смысле по отношению к любой древней формации, в горах или где-то еще, ученый также использовал и другие термины, связанные с горным делом, в качестве источника для множества определений[131]. Переходные горные породы (нем. Übergangsgebirge) были более молодого возраста, стратиграфически располагались над примитивными породами и состояли как из горных пород, образовавшихся в результате химических процессов (осаждения из воды или других химических реакций – например, некоторые известняки, кремень), так и из других, сложенных из зерен обломочного материала (образованных в результате выветривания – например, песчаник). Эти переходные слои состояли из отвердевших известняков, а также граувакк (нем. Grauwacke) и редких силлов и даек (горизонтальных и вертикальных интрузий (внедрений) новой горной породы внутри ранее существовавших слоев). Немецкое слово Übergang означает «переход, превращение». Таким образом, эти пласты перекрывали первичные и залегающие выше вторичные горные породы. Над переходными пластами располагались еще более молодые пласты, названные вторичными, или флецевыми (нем. Flötzgebirge или Flötz, пишется также Floetz). Термином «флец» в горнорудном деле называли пласты, представляющие собой горизонтально залегающие слоистые отложения, имеющие экономическое значение, такие как уголь, содержащий органические вещества и ископаемые. Вернер постулировал, что эти первые три слоя, формирующие основу его временной шкалы, откладывались из Мирового океана и составляли основную часть горных пород на Земле. Над первичными, переходными и вторичными горными породами залегали аллювиальные пласты (нем. Aufgeschwemmt – «вымытые водой»), то есть намывные отложения, тонким слоем расположенные поверх отложений трех основных типов. Эти слои создавались проточной водой, имеющей преимущественно горизонтальное дно разной толщины и ограниченной ширины. В схеме Вернера самые верхние слои были вулканическими (нем. Vulkanische). По утверждению ученого, источником этих слоев стали воспламенившиеся угольные пласты, которые были потушены водой, в результате чего в водных условиях образовались слои базальта[132]. Позже геологи выяснили, что вулканические горные породы образовались в результате остывания магмы.
Среди европейских стратиграфов, занимавшихся изучением горных пород и пластов в то же время, что и Вернер, был Петр Симон Паллас. Паллас, немецкий зоолог и ботаник, изучал формации горных пород в Уральских горах России и выделил пласты в систему (трехчастную), включающую первичные, вторичные и третичные материалы. Сначала залегают первичные горные породы – самые старые, состоящие из кристаллических элементов; затем идут вторичные пласты, содержащие ископаемые остатки и существующие преимущественно в виде горизонтальных слоев; и наконец, третичные отложения – самые молодые – состоят из рыхлого галечника и осадков[133].
Трехчастная система известна также как третичная. Третичной системой (периодом) официально именовался временной интервал геохронологической шкалы до тех пор, пока в большинстве версий временной шкалы ее не заменили неогеновой системой[134]. Трехчастную систему применил Иоганн Готлоб Леман, немецкий геолог и минералог, в своем исследовании горного массива Гарц и Рудных гор в Германии. Леман обратил внимание на то, что ядро гор содержало первичные породы кристаллической природы, покрытые вторичными формациями осадочных пород с ископаемыми остатками, а на вершине некоторых вторичных формаций залегали третичные отложения, состоящие из рыхлых осадков.
Итальянский геолог Джованни Ардуино (1714–1795) работал в Альпах и усовершенствовал трехчастную классификацию Палласа и Лемана[135]. Он заметил, что в этих отложениях встречается галька, которая, как выяснилось, происходит из вернеровских более древних первичных и вторичных формаций. Ардуино назвал эти пласты monti terziari – «третичные горы» и отмечал, что в них содержатся определенные ископаемые, для которых характерно расположение горизонтальными слоями. Ардуино отделил эти отложения от залегающих выше рыхлых аллювиальных отложений. Последние он выделил в четвертую группу – quarto ordine («четвертый разряд»), – которая стала известна как четвертичные отложения.
Представления Вернера о геологическом времени, объединенные с идеями Палласа, Лемана, Ардуино и других ученых, позволили создать первую временную шкалу (рис. 3.3), включающую такие категории, как первичные (или примитивные), переходные, вторичные, третичные и четвертичные горные породы, расположенные в возрастном порядке от более древних к более молодым.
На самом деле отголоски первых вариантов подразделения геологического времени представлены в современной временной шкале, особенно в таких названиях, как третичный и четвертичный периоды. Вернер полагал, что все горные породы образовались в результате осаждения из воды. Несмотря на то что его теория, нептунизм, была позже опровергнута геологами, идеи Вернера оказались важными для определения последовательности пластов. Он применил принцип суперпозиции Стенона к формациям, наблюдаемым в естественных условиях, и поэтому заслуженно считается создателем первой шкалы геологического времени.
Рис. 3.3.Итоговая первая шкала геологического времени (концепция автора; иллюстрация Р. Гари Рэма, 2020)
Геологи пересматривали и уточняли временную шкалу геологии по мере развития науки и дальнейшего изучения происхождения и формирования горных пород. Открытия ископаемых и совершенствование классификации привели к лучшему пониманию того, как развивалась жизнь, и дали возможность для более точного определения последовательности этапов геологической истории. В конечном итоге на основе этих открытий геологи выделили пять основных категорий, предложенных Вернером и другими учеными. С начала XIX в., как мы увидим далее, европейские геологи предлагали официальную периодизацию, основывая свою классификацию на описательном анализе типов горных пород и интерпретации взаимосвязей фауны (животных, представленных ископаемыми из конкретного региона в конкретное время). И вновь стремление организовать полученные экспериментальные данные так, чтобы помочь горнодобывающему производству, стимулировало работу по установлению этапов геологической истории.
Распределение по категориям следующего расширенного варианта шкалы геологического времени (таблица 3.1) было связано с активными исследованиями, спорами и обсуждениями и ожесточенной внутренней борьбой, свойственной для ученых викторианской эпохи. Относительная очередность ископаемых помогла геологам определить соответствующую последовательность интервалов шкалы геологического времени, но основным предметом споров и обсуждений было установление точных временных границ и отличительные особенности данных, на основе которых принимались такие решения[136]. Тем не менее лишь в XX в. были разработаны методы радиометрического датирования – использование изотопов с известным периодом полураспада – для определения «абсолютных» дат.
Основные единицы геологического времени, которые впервые разграничили геологи, в конце концов стали называть периодами, два или более периода – эрами, а две или более эры – эонами. Например, палеозойская эра (палеозой – от греч. παλαιός – древний и ζωή – жизнь) была первой, загадки которой удалось разгадать, затем последовала мезозойская (мезозой – от греч. μέσος – средний, промежуточный и ζωή – жизнь) и кайнозойская (кайнозой – от греч. ϰαινός – новый и ζωή – жизнь). Вместе эти три эры составляют фанерозойский эон. По мере дальнейших исследований ископаемых и горных пород появились дальнейшие подразделения на периоды, например каменноугольный, триасовый и юрский. Как будет показано далее, по сравнению с полого наклоненными вторичными осадочными пластами, которые богаты ископаемыми остатками, труднее всего было установить периодизацию более старых переходных пластов. Это было связано с их деформацией, отсутствием ископаемых и разнообразием типов горных пород, в том числе «древних граувакк», залегающих под особым маркирующим горизонтом в Англии, который геологи называют древним красным песчаником.
Таблица 3.1. Подразделения фанерозойского эона и их история от самых молодых до самых древних эр и периодов
1 Desnoyers J. Observations sur un ensemble de depots marins plus recents que les terrains tertiaires du bassin de la Seine, et constituant une formation geologique distincte: Precedes d’un apercu de la nonsimultaneite des bassins tertiaires // Annales Scientifiques Naturelles, 1829. Vol. 16. P. 171–214, 402–419.
2 Vacarri E. The «classification» of mountains in eighteenth century Italy and the lithostratigraphic theory of Giovanni Arduino (1714–1795) // Vai G. B., Glen W. and Caldwell E. (eds.). The Origins of Geology in Italy. Geological Society of America Special Paper 411, 2006. P. 157–177.
3 Naumann C. F. Lehrbuch der geognosie. Leipzig: Englemann, 1866. Vol. 3. P. 8.
4 Hornes M. Mittheilung an Professor BRONN gerichtet, Wien // Neues Jahrbuch fur Mineralogie, Geologie, Geognosie und Petrefaktenkunde, 1853. P. 806–810.
5 International Union of Geological Sciences (IUGS) International Commission on Stratigraphy, 2005, Definition and rank of Quaternary (неопубликованный доклад IUGS), 9 p., доступен онлайн http://www. stratigraphy. org/.
6 Ogg J. G., Ogg G. M. and Gradstein F. M. A concise geologic time scale. Amsterdam: Elsevier, 2016, 234 p.
7 D’Halloy J. J. O. Observations sur un essai de carte geologique de Pay-Bas de la France, et de quelques contrees voisines. Namur: Imprimerie de Madame Huzard, 1822. P. 23.
8 Smith W. Strata Identified by Organized Fossils, Containing Prints on Colored Paper of the Most Characteristic Specimens in Each Stratum (in 4 parts). L.: Arding, 1816–1819.
9 Conybeare W. D. and Phillips W. Outlines of the Geology of England and Wales. L.: William Phillips, George Yard, 1822, 470 p.
10 Alberti F. A. von. Beitrag zu einer Monographie des bunten Sandsteins, Muschelkalks und Keupers: Und die Verbindung dieser gebilde zu einer Formation. Tubingen, Stuttgart University, 1834, 366 p.
11 Murchison R. I. First sketch of some of the principal results of a second geological survey of Russia, in a letter to M. Fischer // Philosophical Magazine and Journal of Science. 1841, series 3. № 19. P. 417–422.
12 Пенсильванский и миссисипский периоды не признавались Геологической службой США до 1953 г. Berry W. B. N. Growth of a Prehistoric Time Scale (revised edition). Palo Alto, Blackwell Scientific, 1987. P. 101, 102.
13 Sedgwick A and Murchison R. I. On the Silurian and Cambrian Systems, exhibiting the order in which older sedimentary strata succeed each other in England and Wales // British Association for the Advancement of Science. Report 5th Meeting, 1835. P. 59–61.
14 Murchison R. I. The Silurian System, Founded on Geological Research, in Two Parts (Part 1). L.: John Murray, 1839. P. 11.
15 Lapworth C. On the tripartite classification of the lower Paleozoic rocks // Geological Magazine, 1879, N series. Vol. 6. P. 1–15.
Границы кембрия, самого древнего из периодов палеозойской эры и первоначально классифицированного Вернером как переходный, впервые были установлены британским геологом Адамом Седжвиком[137]. В кембрийской системе Седжвик обратил внимание на три группы горных пород, причем самая верхняя часть комплекса содержала ограниченное число ископаемых. Седжвик изучал эти обнажения на севере Уэльса. Его шотландский коллега и друг, сэр Родерик Мурчисон (Мерчисон) (1792–1871), исследовал горные породы в Южном Уэльсе, где дал название силурийской системе (периоду) по имени племени коренного народа – силуров, которые в 76–77 гг. были завоеваны римлянами вместе с другими 26 племенами железного века. Изучавшиеся Мурчисоном горные породы содержали гораздо больше ископаемых остатков по сравнению с пластами, описанными Седжвиком на севере, но при этом соответствовали другим формациям Англии и Уэльса при использовании принципа последовательности фауны, разработанного Смитом.
Между Седжвиком и Мурчисоном существовали серьезные разногласия относительно того, где находится граница между кембрийской и силурийской системами. Седжвик в своих исследованиях кембрия из-за редкого присутствия ископаемых остатков не поддерживал использование смитсоновского принципа последовательности фауны. Мурчисон сделал ситуацию еще более запутанной, утверждая, что организмы, найденные в верхних отделах кембрия, относятся к силурийскому периоду. Из-за этого между друзьями возникла острая дискуссия, в результате которой их дружбе пришел конец. На самом деле спор становился все более ожесточенным. Мурчисон стал руководителем Геологического общества в 1855 г. и с этого момента отказывался публиковать любые статьи Седжвика, связанные с этой темой[138]. Мурчисон также отрицал, что кембрий является самостоятельной системой[139]. Спор продолжался даже после смерти Мурчисона и Седжвика, и лишь в 1879 г. Чарлз Лэпуорт (Лапуорс) (1842–1920), профессор геологии из Университета Бирмингема, чтобы разрешить противоречие, предложил добавить между кембрийским и силурийским период, названный ордовикским – в честь еще одного британского племени[140]. Лэпуорт провел анализ, основанный на изучении граптолитов (вымерших морских животных, класс Pterobranchia, подкласс Graptolithina, живших преимущественно в палеозойскую эру), характерных для пластов. Оказалось, что три периода – кембрийский, ордовикский и силурийский – на самом деле имеют разные, уникальные для каждой ассоциации ископаемых. Кроме того, геологические исследования доказали, что Мурчисон неверно определил возраст и местоположение горных пород нижнего силура – вероятно, Седжвик был бы удовлетворен.
Седжвик классифицировал кембрийскую систему на основе описательных характеристик горных пород, не проводя объяснительного анализа, который требует изучения, в стиле Смита, взаимосвязи фауны и определения характерных ассоциаций ископаемых наряду с руководящими ископаемыми. Без подобных исследований другие геологи сначала не могли сопоставить пласты, возможно, относящиеся к кембрийскому периоду, в разных местах. Приблизительно в 1850 г. было установлено, что трилобиты связаны с горными породами кембрийской системы, и взаимоотношения других комплексов этой системы стали рассматривать, исходя из наличия ископаемых[141]. К 1879 г., через шесть лет после смерти Седжвика, с учетом работы Лэпуорта, прояснившей, что верхняя зона кембрийского периода и нижняя часть силурийского относятся к ордовику, кембрий вновь был утвержден Геологическим обществом как самостоятельная система.
Ордовикская система, предложенная Лэпуортом, была одной из наиболее проблематичных из-за спора между Седжвиком и Мурчисоном, и Британская геологическая служба не принимала ее как систему до 1960 г., хотя британские геологи начали использовать этот термин уже с 1900 г. Ордовикский период был принят Геологической службой США в 1903 г.[142]. Ордовик сначала был разделен на шесть серий в Британии на основе изучения ископаемых, имеющих раковины, и граптолитов из Уэльса, Шропшира, Озерного края и Южной Шотландии. Когда систему стали применять по всему миру, оказалось, что трудно сопоставлять пласты на основе только граптолитовой фауны – стандартная практика для того времени. Для различения серий позже добавили информацию, собранную по крупицам на основе анализа конодонтов (вымерших морских животных, класс Conodonta, обладавших осевым скелетом в виде хорды; их ископаемые остатки представлены в основном похожими на зубы структурами; полагают, что конодонты напоминали угрей), брахиопод и трилобитов[143]. С тех пор подразделения этого периода были подтверждены с помощью количественного датирования.
Верхняя[144] часть силура, описанная Мурчисоном, стала новым силурийским периодом после выделения самостоятельного и более старого ордовика. Мурчисон использовал оба термина для горных пород и биостратиграфических зон, давая определение этого периода с использованием объяснительного, а не описательного способа. В 1839 г.[145] он опубликовал книгу «Силурийская система» (Silurian System) и посвятил ее Седжвику (это было еще до их ссоры). Мурчисон обнаружил, что горные породы совершенно отличаются цветом, структурой и природой от горных пород, залегающих выше и ниже, и выделил четыре эпохи. Органические останки также отличались и были представлены криноидеями (животными, также известными как морские лилии, родственные морским звездам, офиурам и морским ежам), ракообразными и древними рыбами, не встречающимися в залегающих выше слоях горных пород[146]. Сланцы верхнего лудлоу[147], самые молодые силурийские породы, включали костеносный слой, полный фрагментов покрова, зубов, позвонков, чешуи и других известковых частей рыб. Агассис, знаменитый (а позднее печально известный) палеонтолог, специализировавшийся на ископаемых рыбах, приехал в Англию, чтобы изучить найденные Мурчисоном образцы и помочь ему в их идентификации.
Мурчисон писал, что многие виды никогда ранее не встречались и являются «самыми древними существами в своем классе»[148]. Агассис определил, что некоторые из фрагментов принадлежали древним челюстным рыбам (Plectrodus), другие – бесчелюстным (Spagodus), и предложил новый вид: Thelodus parvidens, представители которых достигали 1 м в длину и чей покров был образован не перекрывающимися, похожими на зубы, чешуями. Ротовое отверстие телодуса располагалось на конце тела и было обращено вперед, а не вниз, поэтому, скорее всего, это был обитатель толщи воды, а не бентофаг. Чешуя и отпечатки в горных породах – все, что осталось от телодуса; настоящие кости этого ископаемого животного все еще не найдены.
Девонская система была выделена Седжвиком и Мурчисоном в сообщении о кембрии в 1839 г., задолго до того, как между коллегами возникли разногласия. Решение вопроса о том, какие слои относятся к девонскому периоду, само по себе не обошлось без дискуссии, известной как «великий спор о девоне»[149]. Изучив горные породы силурского периода и описав их в качестве системы в Уэльсе, в 1836 г. Седжвик и Мурчисон решили попытаться разгадать тайны переходных горных пород Девоншира и Корнуолла, исследуя формации одного возраста и с одинаковой фауной.
Участок в Девоншире, называемый Большая кульмская впадина, содержал слои горных пород, которые имели самое прямое отношение к спору о близлежащих слоях девонского периода. Эта формация, которая (как теперь известно) относится к каменноугольному периоду, расположена в долине между северной и южной частями Девоншира и находится над слоями более древними, чем те, которыми интересовались Седжвик и Мурчисон. Последовательность слоев состоит из аргиллита, сланца, низкокачественного угля и песчаника, которые называются слоями кульма. Эти последовательности осадочных горных пород, мощность которых достигает несколько тысяч метров, содержат уголь и имеют экономическое значение.
Еще до установления границ горных пород Седжвиком и Мурчисоном Картографическое управление Великобритании в 1834 г. наняло британского геолога Генри де ла Беша, будущего основателя и директора Геологической службы Великобритании, для создания геологической карты Юго-Западной Англии. Работая в районе Девоншира, де ла Беш обнаружил ископаемые растения в горных породах кульма и в декабре того же года представил доклад по материалам своих изысканий[150]. Он утверждал, что растения происходят из более древних переходных комплексов (называемых граувакками), залегающих под пластами каменноугольного периода. Эта точка зрения противоречила работам ведущего палеоботаника того времени Джона Линдли, который объявил, что растения очень похожи на те, что относятся к карбону, и родственны ископаемым растениям северных и западных угленосных свит. Выводы Генри де ла Беша опровергал и Мурчисон, который не верил в существование ископаемых растений в более древних пластах.
В 1835 г. де ла Беш создал карту Девоншира, на которой пласты кульма были объединены в один геологический комплекс. В следующем году Седжвик и Мурчисон, объединившись против де ла Беша, представили свою точку зрения на ежегодном собрании Британской ассоциации в Бристоле и не просто указали, что Генри де ла Беш неверно охарактеризовал пласты кульма, но и более того – выставили его некомпетентным. Война терминов и идей становилась все более ожесточенной. В феврале 1839 г. де ла Беш опубликовал свою работу «Доклад о геологии Корнуолла, Девона и Западного Сомерсета» (Report on the Geology of Cornwall, Devon, and West Somerset), в которой заявил, что он по-прежнему не считает, будто кульм относится к карбону, но неохотно отделил его от залежей граувакк и назвал эти пласты каменноугольной серией. Кроме того, де ла Беш не согласился с определениями кембрийской и силурийской систем, данных Седжвиком и Мурчисоном, утверждая, что это местные названия и что они «мешают развитию геологии»[151].
Торопясь нанести ответный удар, Седжвик и Мурчисон опубликовали свой доклад «О классификации более древних многослойных горных пород Девоншира» (On the Classification of the Older Stratified Rocks of Devonshire)[152], но не через Геологическое общество, в котором предусматривался процесс рецензирования и обсуждения, а в журнале Philosophical Magazine and Journal of Science. Они представили статью в журнал всего за неделю до публикации в апреле 1839 г. В этом язвительном обзоре, говоря об открытиях де ла Беша, ученые обвиняли его в нечестности: использовании их работы, выполненной в пластах кульма, без ссылки на источник. Седжвик и Мурчисон также утверждали (курсив оригинала):
Большая кульмская впадина Девона и урегулирование вопроса о ее истинном геологическом положении являются ключом к [геологическому] строению двух графств в целом; и никто не обладал этим ключом, пока в 1836 г. мы не представили его Британской ассоциации в Бристоле[153].
Ученые далее предположили, что несогласие отделяло девонскую систему от залегающих ниже горных пород кульма, а также утверждали, что термин «граувакка» принадлежит «мрачной, неясной эпохе» и его использование настолько же абсурдно, как применение вернеровского термина «флецевые породы». «Вредные» граувакки были добавлены в выделенный Седжвиком и Мурчисоном новый период, когда они обнаружили корреляцию этих горных пород с древним красным песчаником. Верхний отдел кульма определили как относящийся к каменноугольному периоду, поскольку содержащиеся в нем ископаемые были родственны похожим организмам, обнаруженным в горных породах, которые с помощью биостратиграфических методов были датированы карбоном.
Лайель говорил, что проблема, связанная с кульмом, была одной из самых важных, когда-либо обсуждавшихся в Геологическом обществе[154]. Благодаря ей не только широко стал применяться смитсоновский принцип последовательности фауны, но и подтвердилась роль биостратиграфии как необходимого инструмента для определения относительного возраста и соотношения пластов. Таким образом, использование ископаемых утвердилось в качестве важного стратиграфического маркера.
Существовавшие разногласия между геологами представляли собой нечто большее, чем просто разные академические точки зрения, касающиеся формаций: они имели также экономическое значение. Мурчисон был глубоко убежден в том, что никаких сухопутных растений, указывающих на угленосные свиты, используемые для обеспечения отопления в большинстве домов и городов Англии, нельзя обнаружить в граувакках или переходных горных породах, залегающих под древним красным песчаником. В последующие несколько лет новые находки ископаемых подтвердили выделение отделов между периодами, в том числе добавление верхней части кульма к каменноугольному периоду.
В конце концов спор относительно девона был разрешен геологами, которые подтвердили, что он является самостоятельным периодом, содержащим древний красный песчаник, первоначально отнесенный к залегающим выше отложениям каменноугольного периода[155]. Древний красный песчаник стал важным маркирующим горизонтом в стратиграфии Британии не только из-за своего ярко-красного цвета, но и потому, что в нем содержалось незначительное число очевидных ископаемых и его легко было отличить от других пластов[156].
Каменноугольный период был одним из самых первых периодов, выделенных британским викарием и геологом Уильямом Конибиром и геологом Уильямом Филлипсом в 1822 г. из-за его экономической важности[157]. Выделение пород этого периода было гораздо менее спорным по сравнению с некоторыми другими, отчасти из-за того, что их было легче отличить благодаря цвету – от темного до черного, – это результат высокого содержания углерода. Конибир и Филлипс поместили каменноугольную систему среди переходных горных пород Вернера, обратив внимание на то, что пласты погружаются и искривляются, в отличие от горизонтально залегающих над ними «флецевых» горных пород, и несогласие указывает на утраченные геологические пласты между ними. Горные породы этого периода (иногда их называют угленосными свитами) содержат уголь с высоким содержанием углерода и состоят из нижних толщ глины и «гравия», известняка и песчаника. Песчаник, о котором упоминали Конибир и Филлипс, – это древний красный песчаник. Позже выяснилось, что он старше, и Мурчисон в 1839 г. отнес его к девонскому периоду[158]. С угленосными свитами были ассоциированы залежи железной руды, тоже имеющей промышленную ценность. Конибир и Филлипс исследовали огромное разнообразие растительного материала, представленного всего несколькими родами, но при этом включавшими более четырехсот видов. Ученые почти не отмечали наличие останков животных[159]. Большая часть пластов угля отлагалась в болотистых условиях в озерах или по краям водоемов с большим количеством растительного материала.
В Соединенных Штатах каменноугольный период был разделен дальше на миссисипский и пенсильванский подпериоды. Нижний отдел каменноугольного периода, как выяснил в 1839 г. американский геолог Дэвид Дейл Оуэн, который работал на Главное управление кадастровых съемок США и проводил разведку полезных ископаемых, был представлен широкими пластами известняка и известкового сланца, простиравшимися на территорию нескольких штатов, но не содержавшими угля. Оуэн назвал эти слои подкарбоновыми, отделив их от угленосных слоев каменноугольного периода. Александр Уинчелл, профессор геологии и палеонтологии Мичиганского университета, в 1870 г. назвал нижние слои каменноугольного периода миссисипской известняковой серией (группой Миссисипи). В 1891 г. Генри Шейлер Уильямс, геолог из Нью-Йорка, выполнял для Геологической службы США исследование по корреляции пластов, целью которого была систематизация множества вводящих в заблуждение названий, данных различным комплексам горных пород. Уильямс выделил верхний отдел карбона в пенсильванскую серию и немного модифицировал терминологию Уинчелла в отношении пород каменноугольного периода, назвав их миссисипской серией[160]. В 1906 г. серии были возведены в ранг периодов. Геологическая служба США в 1953 г. наконец признала названия для этих периодов[161].
Мурчисон дал название пермскому периоду в честь города Пермь в 1841 г. после посещения России для изучения стратиграфии и проведения полевых исследований совместно с Эдуардом де Вернейлем, французским палеонтологом, Александром фон Кейзельрингом, немецко-русским горным инженером, и Николаем Кокшаровым, русским минералогом[162]. До того, как выделить пермский период, Мурчисон исследовал отложения девонского периода в России, которые стратиграфически соответствовали отложениям в Англии того же возраста. Мурчисон путешествовал с де Вернейлем и во время этого путешествия идентифицировал силурийские, девонские и каменноугольные слои, изучая ископаемые в горных породах России. Для древнего красного песчаника России была характерна та же фауна, что и в Британии, что подтверждало точку зрения Мурчисона о его принадлежности к девонскому периоду. Во время экспедиции 1841 г. Мурчисон идентифицировал пласты более молодого возраста, чем каменноугольные, которые по биостратиграфическим параметрам соответствовали формации в Германии, названной цехштейн, нем. Zechstein (zech – твердый, stein – камень). Эта формация представляла собой карбонатный комплекс, образовавшийся в результате поднятия и снижения уровня моря, которое привело к появлению богатых нефтью слоев. Отложения цехштейна в Британии были ассоциированы с известняковым комплексом (магнезиальным известняком), залегающим над каменноугольными пластами. Возник спор относительно того, к какому периоду принадлежат выделенные Мурчисоном в России слои – к нижнему триасу или к пермскому периоду[163], но, исходя из данных об ископаемых, Мурчисон назвал эту новую формацию с ее уникальной флорой и фауной пермской, в честь города Пермь на Среднем Урале.
Первый период мезозойской эры – это триас. Триасовые слои (стратиграфически более молодые, чем пермские) были выделены немецким геологом Августом фон Альберти в 1834 г. на основе формации в Германии, состоящей из пластов пестрого песчаника, ракушечного известняка и радужных мергелей, или кейпера (представляющих подошвенное налегание при подъеме уровня моря)[164]. Альберти назвал формацию триасом в честь трех пластов. Вернер и другие первые геологи первоначально относили эти слои к нижней части вторичных, или «флецевых», пластов. Обильные ископаемые в верхних отделах вторичных пластов позволяли более легко классифицировать толщу. Обнаруженные Альберти месторождения соли, горные породы и фауна недалеко от города Зульц, где находились три знаменитых триасовых отложения, по характеру отличались и от более древнего цехштейна (пермский период), и от более молодого лейаса (юрский период). Пестрый песчаник формирует впечатляющие обнажения выветренной красной породы. В конечном итоге триасовые слои были выделены в аналогичных морских отложениях Альп и со временем на других континентах.
Юрский период, одно из первоначально выделенных подразделений, был наиболее изученным среди периодов мезозоя, отчасти благодаря тому, что множество обнажений горных пород того времени находилось вдоль побережья Дорсета, местности, где работала Мэри Эннинг.
Александр фон Гумбольдт, прусский географ, натуралист и исследователь, был первым, кто обратил внимание на юрские горные породы во время путешествия по Южной Франции, Западной Швейцарии и Северной Италии, и назвал их в 1799 г. юрским известняком (нем. Jura-Kalkstein), в честь гор Юра. Гумбольдт сделал свои выводы, опираясь исключительно на характеристики горных пород и стратиграфию, и не включил в свое сочинение никакой информации об ископаемых. В Англии Смит официально выделил юрские пласты в качестве системы лишь в своем отчете 1816–1819 гг.[165]. В 1822 г. Конибир и Филлипс продолжили подразделение юрского периода, выделив оолитовую серию (оолиты – это шаровидные образования, из которых образованы некоторые известняки), состоящую из более молодого оолита и более древнего лейаса[166]. В течение нескольких лет после этого в состав первых временных шкал входила оолитовая серия (рис. 3.4), созданная Джоном Филлипсом, английским геологом из Йоркшира, который помогал Смиту с проведением геологической съемки при создании карты графства Йоркшир[167].
Меловой период – последний период мезозойской эры, который был впервые выделен Жан-Батистом Жюльеном д’Омалиусом д’Аллуа, бельгийским геологом, проводившим исследования Парижского бассейна в период с 1817 по 1822 г. Он назвал меловые формации (мягкий, тонкозернистый известняк, сложенный останками крошечных морских организмов), найденные там, территорией мела, а система в конечном итоге стала называться меловой. В Англии Смит определил местоположение таких пластов и стал первым, кто показал, что меловая формация занимает обширные участки. Из мела этого возраста, сложенного из спрессованных, богатых кальцитом фораминифер (одноклеточных крошечных морских животных), образованы Белые скалы Дувра.
Окончание этого периода привлекло столько же внимания, сколько и его начало и середина, в связи с падением астероида, в результате которого образовался кратер Чиксулуб, и его ролью в вымирании живых организмов в конце мелового периода. Следует особенно отметить исследования кратера Чиксулуб, проведенные физиком Луисом Альваресом и его сыном, геологом Уолтером Альваресом. Луис Альварес в 1968 г. стал лауреатом Нобелевской премии за свои работы в области физики элементарных частиц[168]. Карьера Альвареса была выдающейся: во время Второй мировой войны в Массачусетском технологическом институте он занимался разработкой сложного детонатора для плутониевой бомбы «Толстяк», открыл радиоактивность трития, работал над изучением свойств космических лучей, разработал три разные радарные системы, одна из которых до сих пор используется в управлении воздушным движением. Альварес также был профессором Калифорнийского университета в Беркли, где под его руководством был построен 12-метровый линейный ускоритель частиц.
Рис. 3.4. Развитие временной шкалы геологии и форм жизни (Phillips, 1860. P. 51)
В 1977 г. Уолтер Альварес, профессор геологии Калифорнийского университета в Беркли, специалист по геоархеологии и палеомагнетизму, находился в Губбио, Италия, где собирал образцы для палеомагнитных исследований. Изучая особый пласт известняка в месте стыка меловых и третичных слоев, он обратил внимание на тонкий слой красной глины, покрывающий известняк. Пласт известняка под глиной содержал фораминиферы, но в самом слое глины их не было, а в залегающем выше, четвертичном известняке, можно было обнаружить всего лишь один вид фораминифер. Уолтер Альварес привез образцы глины в лаборатории Беркли и проконсультировался со своим отцом, который посоветовал провести дальнейшее исследование в лаборатории своих коллег, физиков-ядерщиков Фрэнка Асаро и Хелен Мичел. Асаро и Мичел использовали метод, который они разработали для точного определения низких концентраций элементов. Ученые обнаружили в образцах глины концентрацию иридия в шесть раз больше, чем обычно встречается на Земле. Путем дальнейшего сравнения концентрации иридия в других материалах ученые определили, что источник иридия – внеземной. На основе исследований иридия в 1980 г. четверо ученых опубликовали свои результаты, подробно изложив теорию ужасного столкновения с астероидом, которое привело к вымиранию живых организмов на границе мела и палеогена (K-Pg) (раньше эту границу называли границей мелового и третичного периодов, K-T)[169]. Пройдет еще десять лет, прежде чем исследователи найдут место падения астероида. Именно столкновение с астероидом и связанное с ним массовое вымирание знаменуют окончание мелового периода и мезозойской эры и начало кайнозойской эры.
Кайнозойская эра – современная эра геологической истории Земли, и ее первым периодом с исторической точки зрения является третичный. Термин «третичный» был предложен в 1760 г. итальянским геологом Джованни Ардуино на основе вернеровской системы[170]. Ардуино идентифицировал пласты в горах Италии только по их литологическим характеристикам, без использования ископаемых, и поместил их стратиграфически над вернеровской вторичной системой как относящиеся к третьему периоду – третичному. Геологи в дальнейшем выделили такие горные породы по всему континенту и обратили внимание на то, что с ними ассоциированы определенные комплексы ископаемых. Например, в 1810 г. Кювье и Броньяр дали пространную характеристику третичных горных пород, исходя из анализа ископаемых и пластов Парижского бассейна[171].
Третичный период стал официальным подразделением геохронологической шкалы на основе работы Лайеля 1833 г. и состоит из следующих эпох (которые являются более короткими подразделениями внутри конкретных периодов): палеоцена, эоцена, олигоцена, миоцена и плиоцена. Лайель выделил эоцен, миоцен, плиоцен и одну из более поздних стадий четвертичного периода – плейстоцен – в 1833 г. в третьем томе «Основных начал геологии»[172]. Первоначально основу для выделения этих отделов создали изучение ископаемых и биостратиграфия. Позднее, когда появились методы количественного датирования, они стали соответствовать временным (хроностратиграфическим) подразделениям. Лайель добавил олигоцен и палеоцен в издания своей книги 1854 г. и 1874 г. соответственно.
Палеоген (от греч. παλαιός – старый, древний и γενής – рождающий, рожденный) был принят Международной комиссией по стратиграфии в качестве нижнего отдела третичного периода, состоящего из палеоцена, эоцена и олигоцена. Карл Фридрих Науман, профессор минералогии и геологии Лейпцигского университета, впервые выделил палеоген в ранг системы в 1866 г. Основой для определения послужили его исследования на севере Германии, где в горных породах соседних третичных слоев наблюдались разные фауна и флора[173].
Международная комиссия по стратиграфии постановила классифицировать верхний отдел третичного периода как неогеновый, состоящий из эпох миоцена и плиоцена. Мориц Гёрнес, директор Музея естественной истории в Вене, впервые использовал термин «неоген» в 1853 г., упоминая о работе профессора зоологии и технологии Гейдельбергского университета Хенрика Георга Бронна, вышедшей двадцатью с лишним годами ранее[174]. Гёрнес исследовал ископаемые Венецианского бассейна и обратил внимание на то, что фауны миоцена и плиоцена больше похожи друг на друга, чем на фауну более древних слоев, и поэтому отнес их к новой категории – неогену. Он установил взаимосвязь между своими находками на Сицилии, Кипре и Родосе, а также включил более молодые ледниковые и намывные отложения, которые были позднее идентифицированы как четвертичные, причем это разграничение отчасти основывалось на категориях, выделенных Бронном.
Французский геолог и археолог Жюль Денуайе выделил четвертичный период в 1829 г. при исследовании осадков в бассейне Луары в регионе Турен и в Лангедоке, Франция[175]. Он обнаружил и обозначил три комплекса моложе третичных слоев и назвал этот период четвертичным. В рамках четвертичного периода Денуайе выделил современные породы (самые молодые), делювиальные и раковинный известняк туренского горизонта (мергель с раковинами). Не во всех комплексах были ископаемые; некоторые представляли собой горную породу, образовавшуюся в результате литификации булыжников под действием рек.
В 1833 г. французский геолог Анри-Поль-Ирене Ребуль определил, что ископаемые четвертичного периода представляют собой остатки животных, живущих и ныне, в отличие от ископаемых третичного периода[176]. Лайель включил четвертичный период в том виде, в котором его выделил Денуайе, во французское издание «Элементов геологии» 1839 г. В рамках четвертичного периода Международная комиссия по стратиграфии приняла эпохи плейстоцена и голоцена. Плейстоцен был определен как начало самых последних периодов оледенения и межледниковья, когда климат стал холоднее и массивные ледниковые щиты покрыли большие участки Северного полушария.
Дискуссия о четвертичном периоде и его подразделениях – стоит ли и как включить их в кайнозойскую эру – продолжалась десятки лет. Например, во времена Лайеля некоторые геологи были не согласны с отнесением ледниковых отложений к плейстоцену; сам Лайель предпочел поместить их в свою категорию «более молодого плиоцена»[177]. Часть проблем возникала потому, что первоначально единицы временной шкалы выделяли с помощью биостратиграфии с использованием руководящих ископаемых или климатологии (ледниковых периодов), а затем, с появлением количественных методов датирования, их с разной степенью точности превратили в хроностратиграфические подразделения. В самом последнем издании геохронологической шкалы Международная комиссия по стратиграфии выделяет (от более древнего к более молодому) палеогеновый, неогеновый и четвертичный периоды.
Классификация эр – более длинных подразделений временной шкалы – была предложена несколькими британскими геологами. В 1838 г. Седжвик предложил термин «палеозойская серия» (позднее – эра) для объединения пластов в Британии от нижнего отдела кембрия до верхнего силура (ордовикский период еще не был выделен)[178]. Джон Филлипс в 1840 и 1860 гг. создал усовершенствованный вариант первой шкалы, расширив палеозойскую эру за счет включения пластов девонской, каменноугольной и пермской «систем» – тех, что залегали над слоями кембрийского и силурийского периодов. Филлипс предложил термины «мезозойская» и «кайнозойская» эры и включил в мезозойскую эру триасовую, оолитовую и меловую системы, а в кайнозойскую – эоцен, миоцен и плейстоцен (системы, выделенные Лайелем)[179]. Филлипс изучал количество видов морских животных на протяжении времени в палеонтологической летописи Британии и, исходя из существования разрывов, связанных с событиями массового вымирания, выделил три эры, впервые применив статистический подход (рис. 3.5)[180]. Диаграмма иллюстрирует вымирание в пермском периоде видов, живших в палеозое, а в меловом периоде – родов, живших в мезозойскую эру. Кроме того, кривая, характеризующая обилие видов, имеет несколько «впадин». Самая древняя из них относится к девонскому периоду и свидетельствует об изменении разнообразия видов в «переокисленных» осадках[181]; а вторая «впадина» приходится на середину мезозойской эры и связана с утратой ряда организмов в самой верхней части оолитовых горных пород. Более поздние исследования выявили пять значимых вымираний, но два события – вымирание в конце пермского периода и столкновение с астероидом в конце мезозоя, – как показал Филлипс, являются отличительными признаками перехода между эрами.
Рис. 3.5.Определение границ геологических эр и распространенность видов живых организмов (Phillips, 1860, figure 4)
В Западной Европе возраст Земли в 1650 г. впервые высчитал епископ англиканской церкви Ирландии Джеймс Ашер на основе тщательного подсчета числа поколений людей, упоминаемых в Библии, библейского возраста и других исторических дохристианских дат. Согласно подсчетам Ашера, Земля возникла 23 октября 4004 г. до н. э., следовательно, сейчас ее возраст был бы чуть более шести тысяч лет. По мере развития геологии в эпоху Просвещения, с начала XVIII в., исследования и размышления Геттона, а затем Лайеля поставили под сомнение возраст Земли, вычисленный Ашером; эти ученые полагали, исходя из своих научных исследований, что наша планета, более вероятно, существует миллионы лет. Эта цифра все увеличивалась по мере развития науки, и теперь известно, что возраст Земли исчисляется миллиардами лет.
Несмотря на то что ученые разгадывают тайны эонов и эр в истории Земли, гораздо меньше известно о самых далеких временах, и чем дальше в прошлое мы смотрим, тем все более обобщенными и широкими становятся интервалы, на которые разделено это время. Тем не менее эти начальные периоды, как мы увидим далее в главе 4, все больше оказываются в центре внимания благодаря хроностратиграфическим методам[182].