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).
