Методы восстановления прошлого биосферы

И Земля, как и все действительно существующее имеет свою историю, которая... везде, показывая осложнение или нарастание явлений, есть единственный и неисчерпаемый источник для изучения существующего.

К.Ф. Рулье

...Метод есть эмбриология истины.

А.И. Герцен

ВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

История изменения земной поверхности давно интересовала человечество. Еще у древнегреческого мыслителя и математика Пифагора (VI в до н.э.) имеются высказывания палеогеографического характера о том, что «внешний вид Земли непрерывно меняется: в одних местах суша опускается в море, в других - выдвигается из него...». Аристотель (384 - 322 г. до н.э.) дал правильные объяснения некоторых геологических процессов, протекающих на поверхности Земли. В эпоху Возрождения наука сделала несомненный шаг вперед. Леонардо да Винчи (1452-1519) - итальянский ученый, скульптор, архитектор, живописец, инженер, творец знаменитой картины «Джоконда» провел ряд экспериментальных исследований в области естественных наук, отстаивая решающее значение опыта в познании законов природы. Он после внимательного наблюдения скоплений морских раковин в обнажениях на возвышенных местах высказал мысль, что уровень моря прежде был выше, чем теперь, а ископаемые раковины некогда обитали на морском дне. Присутствие в горных породах хорошо окатанных галек Леонардо да Винчи объяснял существованием реки, которая раньше здесь впадала в море, т.е. он по существу рассуждал актуалистически.

В XVII - XVIII вв. находки трупов мамонтов и других палеонтологических остатков, изучение янтаря, каменного угля и интересных эрратических валунов побудили исследователей к первым серьезным заключениям о прошлом нашей планеты. Постепенно утвердилось представление, что ископаемые окаменелости представляют собой остатки различных растений и животных, населявших Землю в прошлом. М.В. Ломоносов в своем капитальном труде «О слоях земных» (1763), предвосхитил эволюционное учение Ч. Дарвина, и отстаивая исторический подход к изучению природных явлений, писал: «Твердо помнить должно, что видимые телесные на Земле вещи и весь мир не в таком состоянии были сначала от создания, как ныне находим, но великие происходили в нем перемены, что показывает История и древняя География». Он впервые применил термин «древняя география», который был предшественником новой науки - палеогеографии. В дальнейшем многие отечественные ученые помимо актуализма применяли в своих исследованиях различные методы: фациальный, палеоэкологический, сравнительно-литологический и др.

Английский естествоиспытатель Ч. Лайель (1797-1875) активно поддерживающий эволюционную теорию Ч. Дарвина, является одним из основоположников сравнительно-исторического метода (актуализма). Хотя этот метод был намечен еще в сочинениях мыслителей античности и эпохи Возрождения, его обосновал Ч. Лайель и весьма умело применял в исследованиях. Сущность актуализма (от лат. «действенный») заключалась в том, что настоящее - ключ к познанию прошлого.

Профессор зоологии Московского университета К.Ф. Рулье (1814-1858) одним из первых в России осознал, что, используя только один сравнительно-исторический метод, невозможно расшифровать все без исключения явления природы. Развитие живого и неживого мира есть сложный процесс, не укладывающийся в рамки изучения современности. Поэтому при изучении памятников древности необходимо применять кроме сравнения и другие методы. К. Рулье отчетливо прослеживал идею о сходстве древних и современных факторов, изменяющих земную поверхность. Это наиболее ярко было высказано им в середине минувшего столетия: «История образования Земли невольно привела нас к убеждению, что ее минувшие судьбы подлежали тем же общим законам, которые ныне управляют всеми явлениями на Земле...».

Большую роль в познании прошлого биосферы Земли сыграли работы отечественных ученых: П.С. Палласа, В.Д. Ковалевского, А.П. Карпинского, Л.II. Павлова, Н.И. Андрусова, А.Д. Архангельского, Н.М Страхова, Л.С. Берга, К.К. Маркова, И.П. Герасимова и многих других (Соловьев, 1966). При восстановлении былых ландшафтов нашей планеты применяются различные методы, краткая характеристика которых представлена ниже.

ОБ ИСКОПАЕМЫХ ОСТАТКАХ

Наши знания о живших ранее организмах оказываются довольно жалкими и скудными. Миллиарды особей предков современного растительного и животного мира безвозвратно исчезли в геологическом прошлом, не оставив после себя никаких остатков. По оценкам палеонтологов, в геологической летописи сохранились следы всего лишь 0,01% видов, некогда населявших Землю. Это связано с очень плохой сохранностью тел организмов после их гибели. Следы существования, которые оставляют после себя некогда жившие организмы, подразделяются на морфологические и геохимические.

Морфологические следы наиболее очевидны, так как они встречаются в виде различных остатков, окаменелостей и отпечатков. При естественной мумификации организмы сохраняются значительно лучше, но, к сожалению, обнаруживаются весьма редко, при замерзании трупов животных (в частности мамонтов) в условиях многолетней (вечной) мерзлоты севера Сибири.

Отпечатки представляют собой окаменелые следы, оставленные мягким телом организма или его частью на поверхности тонкозернистого осадка, который впоследствии превращается в твердую горную породу.

Иногда в отложениях встречаются отпечатки мягких тканей растений и животных, в частности медуз.

Окаменелостями чаще всего оказываются твердые части тела организмов: раковины моллюсков, скелеты губок и кораллов, кости позвоночных животных. Другие части тела животных также могут подвергаться процессам окаменения (фоссилизации). При этом различные минеральные вещества, находящиеся в природных водах в растворенном состоянии, проникают в тело погибшего организма и минерализуют его, постепенно замещая все ткани. Процессу фоссилизации могут подвергаться остатки растений и микроорганизмов. Однако окаменение последних происходит только в исключительных условиях: когда их остатки захороняются и консервируются преимущественно в тонкозернистых отложениях.

Окаменелые остатки организмов встречаются в отложениях последних этапов геологической истории, охватывающих ближайшие 570 млн. лет. В связи с этим по предложению американского геолога Ч. Шухерта этот период назван фанерозойским эоном, или фанерозоем (от греч. «фанерос» - очевидный, четкий, и «зое» - жизнь), к которому относятся три эры: палеозойская, мезозойская и кайнозойская. Предшествующий фанерозою более древний и продолжительный период истории Земли назван криптозоем (от греч. «криптос» скрытый), охватывающим огромный промежуток времени - почти 4 млрд. лет. Его обозначают еще как докембрий, или дофанерозой.

Организмы, существовавшие в криптозое, не имели твердого скелета, и их остатки представлены главным образом микрофоссилиями или строматолитами минеральными образованиями, возникшими в результате деятельности живых организмов. Строматолиты оказываются наиболее древними морфологическими проявлениями жизни. Они представляют преимущественно шаровидные и полушаровидные (иногда грибовидные, ветвящиеся) образования со сложной слоистостью, состоящие в основном из карбоната кальция. Все строматолиты образовались на мелководье и их строителями были сине-зеленые водоросли и бактерии. Древнейшие строматолиты найдены в докембрийских отложениях (формация Варравуна) Западной Австралии - их возраст оценивается величиной 3,5 млрд. лет.

Геохимические следы существования организмов прошлого Земли обнаруживаются в виде органических соединений в осадочных и метаморфических породах. Эти соединения широко распространены в рассеянном состоянии в осадочных комплексах. В состав органического вещества входят в различных пропорциях углеводороды, углеводы, жиры и аминокислоты. Они оказываются преимущественно растительного происхождения и образовались из остатков мелких растительных организмов, ранее обитавших в виде планктона в различных зонах древних водоемов.

Важным достижением органической геохимии последнего времени является открытие в наиболее древних горных породах углерода биогенного (фотосинтетического!) происхождения. Следы деятельности фотосинтезирующих организмов в виде набора органических соединений обнаружены в филлитовых сланцах системы Онвервахт в Южной Африке. Возраст этих пород - 3,44 млрд. лет.

В современной геохимии особое значение имеют изотопные методы исследования, позволяющие устанавливать следы жизнедеятельности в самых древних метаморфических породах земной коры. Сущность метода заключается в том, что в процессе жизнедеятельности организмов при обмене с веществом внешней среды происходит изменение изотопного состава некоторых биофильных химических элементов (водорода, углерода, серы). В отношении отыскания следов древней жизни особенно показательными являются данные по изотопному составу углерода. В процессе фотосинтеза растения усваивают углекислый газ преимущественно с более легким изотопом углерода С, и в результате в организме растений устанавливается определенное соотношение изотопов углерода, значительно отличающееся от углерода карбонатных отложений (по отношению ¹²С/¹³С). По этому признаку легко распознать углерод органического - биогенного происхождения. В последние годы Э.М. Галимовым выполнены наиболее обстоятельные исследования геохимии изотопов углерода в связи с деятельностью растений, животных и микроорганизмов.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ДРЕВНЕГО РЕЛЬЕФА СУШИ

Древний рельеф относительно редко сохраняется в ископаемом состоянии. Среди известных форм погребенного рельефа преобладают прежде всего речные долины, реже вулканические конусы, дюны и складчатые хребты. Наличие погребенного рельефа устанавливается путем изучения геологических обнажений, бурением и геофизическими работами. При этом изучение древнего рельефа всегда сочетается с исследованием древних тектонических движений, ибо крупные формы рельефа отражают особенности тектонического режима того или иного участка земной коры.

Реконструкция древнего рельефа суши производится на основе всестороннего анализа фаций и формаций, при этом прежде всего устанавливается область сноса, а затем уже анализируется общий характер рельефа суши. Область активной денудации отложений (область сноса) восстанавливается в результате анализа распространения типов фаций по площади. По мере приближения к области сноса морские фации сменяются лагунными и континентальными: обломочные породы становятся более грубыми и хуже отсортированными, уменьшается степень окатанности, закономерно изменяются состав и сохранность органических остатков. По данным Л.Б. Рухина (1962), некоторым указанием на удаление от области сноса иногда является окраска отложений. Если она зависит от фациальных условий, то уменьшение красноцветных отложений служит в большинстве случаев надежным показателем удаления от области сноса.

Показателями горного или равнинного рельефа являются мощность осадков, их состав и степень дифференциации, типы фаций и пр. Признаками горного рельефа - большая скорость осадконакопления во впадинах, широкое развитие грубообломочных толщ, быстрая смена фаций в пространстве и др. О равнинном рельефе свидетельствуют: малая скорость накопления осадков во впадинах, небольшая их мощность, слабое развитие грубообломочных пород, однородный состав фаций, хорошая дифференцированность отложений по гранулометрическому анализу и др.

О примерной высоте древнего рельефа можно судить на основе изучения возможных уклонов в долине рек. Так, уклоны современных равнинных рек обычно составляют 0,4 - 4 м; горных - 1 - 10 м на каждый километр, а в случае же переноса валунов уклоны горных рек могут быть даже до 100 м на 1 км длины. Поэтому, зная длину реки, и умножив ее величину (в километрах) на предполагаемый уклон, можно оценить высоту соответствующего участка области сноса. Однако при определении абсолютных высот областей сноса необходимо учитывать и особенности древнего климата (Верзилин, 1979).

Изучение форм рельефа, образованных древними ледниками, заключается в измерении простирания ледниковых шрамов, борозд, царапин на поверхности ледникового ложа, ориентировки бараньих лбов, конусов выноса эрратических валунов и др. Но прежде чем определить направление движения древних ледников, существовавших на суше в пределах изучаемой территории в соответствующий период ее геологической истории, необходимо получить достоверные данные о ледниковом генезисе отложений и других образований. К типичным ледниковым отложениям относят обычно различные типы морен (донные, боковые, конечные), отложения друмлин, крупные эрратические валуны; к водно-ледниковым - флювиогляциальные отложения, конусы выноса, зандровые, камовые, озовые и др. Особенно ледниковые формы рельефа имеют широкое распространение на севере Америки и Евразии, где в четвертичном периоде ледниковые покровы занимали соответственно 60% и 25% их территории.

В последнее время успешно развивается новое направление геоморфологии палеогеоморфология, которая связана с реконструкцией рельефа суши в геологическом прошлом. Это вызвано еще и тем, что изучение древнего рельефа позволяет открывать новые россыпные месторождения золота, платины, алмазов, а также и других полезных ископаемых. Палеогеоморфологические материалы способствуют решению некоторых сложных проблем геологической эволюции нашей планеты.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ДРЕВНИХ ВОДОЕМОВ

Морские осадки наиболее богаты органическими остатками, так как водная среда создает наилучшие условия для их захоронения и сохранения в ископаемом состоянии. Это позволяет полнее охарактеризовать условия формирования морских отложений по сравнению с континентальными. При исследовании древних морских и озерных водоемов важно установить положение древней береговой линии, глубину, рельеф дна, характер течений, соленость, термический режим и др.

Реконструкция береговой линии производится на основе выявления фаций береговых отложений и прибрежных образований, а также характерных для побережий форм рельефа (береговые валы, дюны, остатки волноприбойных уступов), которые иногда сохраняются в ископаемом состоянии. Определение характера рельефа дна древних водоемов иногда весьма затруднительно. Существует ряд критериев, позволяющих проводить реконструкцию рельефа древних бассейнов. В частности показателем существования крупных неровностей в рельефе морского дна могут служить рифовые комплексы. О характере рельефа дна можно судить по результатам изучения подводных оползней, фаций мутьевых потоков, изменений гранулометрического состава донных осадков, а также на основании изменения площади органических остатков. Реконструкция рельефа дна древних бассейнов тесно связана с выяснением глубин накопления в них определенных типов донных отложений.

Определение глубин. Существуют различные критерии, позволяющие определять глубины древних водоемов: литологофациалъные, геохимические, минералогические, биологические и др. Гранулометрический анализ донных осадков позволяет не только определить положение береговой линии, но и дать оценку глубины древнего водоема. Так, для прибрежной зоны, подверженной воздействию прибоя, характерна грубозернистость и плохая сортировка осадков, например, современные галечники обычно образуются на глубинах не более 10 - 15 м. Для литоральной зоны характерны знаки ряби и песчаные волны. Например, в Северном море крупномасштабные песчаные волны отмечаются только на глубинах менее 30 м, т.е. там, где существуют значительные приливо-отливные течения. Однако, иногда на шельфе отмечается распространение в прибрежной зоне глинистых илов, а дальше от берега, в более глубоководной зоне, - песчаных отложений, в частности вдоль Кавказского побережья Каспия и западного берега Африки. Такая особенность объясняется огромным выносом реками илистого материала и интенсивным его отложением в прибрежной зоне бассейна.

Более глубоководные осадки сложены главным образом глинистыми и кремнистыми породами с нечеткой слоистостью с остатками планктонных организмов. Тонкозернистость донных осадков зависит от подвижности вод и расчлененности области стока. В свою очередь подвижность вод зависит от размеров бассейна, поэтому в водоемах разной величины положение нижней границы однотипных осадков зачастую существенно различается. По данным Н.М. Страхова (1963), алевриты на океаническом шельфе я о отлагаются с глубины 75 - 100 м, в Черном море - 15 - 25 м, а в Балхаше - всего с 2 - 3 м. Для определения относительной глубины древних водоемов также используются геохимические и минералогические критерии: изучение пустот в лавах, излившихся на дне, железистых ми играл он, у самого берега образуется детритовый гетит, а с удалением от него - шамозит, глауконит и др. (Шопф,1982).

Однако наиболее точными методами определения глубин древних водоемов являются биологические критерии, так как организмы обитают на вполне определенных глубинах. Например, наличие остатков донных водорослей является показателем мелководных условий, поскольку фотосинтезирующие водоросли обычно обитают на глубинах, не превышающих 50 - 70 м. Также о мелководности и подвижности водной среды свидетельствуют находки моллюсков, обладающих массивными раковинами. Коралловые постройки, как правило, формируются на глубинах 40 - 60 м. По мере увеличения глубины количество донных форм уменьшается и их скелетные элементы делаются более хрупкими. Иногда признаками глубоководных условий формирования осадков являются остатки светящихся рыб в миоцене Предкавказья, многочисленных находок зубов акул в палеогеновых отложениях юга Русской платформы. Но такие находки довольно редки.

Определение солености. Соленость указывает на количество растворенных веществ в фиксированном объеме морской воды. В некоторых замкнутых морях имеет место отклонение от средней солености Мирового океана (35%о). Так, соленость вод на поверхности Черного моря составляет 17-18, Каспия - 12 - 13, но зато Красного моря - до 40, а Персидского залива - более 50 промилле. Соленость древних водоемов восстанавливается по составу хемогенных осадков и характеру органических остатков. По мере увеличения солености вод в морях происходит последовательное выпадение хемогенных осадков: карбонаты кальция - карбонаты магния - сульфаты - галиты.

Использование ископаемой флоры и фауны представляет собой наиболее достоверный способ, позволяющий восстанавливать соленость древних водоемов. Соленость служит главным фактором, определяющим возможность нормального развития морских организмов. Известно, что кораллы, радиолярии, головоногие моллюски, морские ежи и лилии, большинство фораминифер обитали только в морях с нормальной соленостью. В бассейнах с пониженной соленостью широко распространялись брахиоподы, гастроподы, остракоды и харовые водоросли. К настоящему времени разнообразие и специфика многих древних пресноводных моллюсков выявлены хорошо, что позволяет их надежно отличать от сходных морских форм.

О газовом режиме осадконакопления в древних водоемах судят по присутствию определенных соединений элементов, имеющих переменную валентность, прежде всего железа и марганца. Так, на окислительную среду указывают - наличие гематита, фосфатов, а на резко восстановительную (сероводородное заражение) - присутствие сульфидов железа, марганца, цинка и свинца.

Температурный режим древних водоемов определяют методом фаций-индикаторов, а в последние годы с помощью изотопно-кислородного анализа. Признаками теплых водоемов служат: мощные толщи известняков, доломитов, железа, марганца, кораллы, граптолиты, соленосные фации и др. Признаками холодных вод - кремнистые и гляциально-морские осадки, холодолюбивые комплексы различных организмов (фораминиферы, диатомовые водоросли и пр.). Так, размеры раковин бентосных фораминифер увеличиваются по мере понижения температуры воды: самые крупные виды пелиципод живут в наиболее холодной воде. Некоторые виды планктонных фораминифер имеют незначительную пористость скелетных элементов, так как это необходимо в более холодных тяжелых водах для поддержания своей плавучести. Даже эти единичные примеры показывают тесную связь между обликом организмов и температурой вод водоемов, где они обитают. Особенно достоверные данные о древних водоемах, в частности о глубине, солености и температурном режиме дает изучение облика различных диатомовых водорослей.

МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КЛИМАТОВ ПРОШЛОГО

Показателями теплого влажного климата служат: высокая степень выветрелости континентальных отложений и глубокое их химическое разложение; образование красноцветной коры выветривания; преобладание биогенного карбонатонакопления перед хемогенным в водоемах; месторождения бокситов, каолинов, каменных углей и др. Признаками холодного климата являются: малая мощность коры выветривания; слабая степень химического разложения отложений; присутствие ледниковых и флювиогляциальных отложений. О засушливом (аридном) климате свидетельствуют: известковистость всех континентальных фаций, в водоемах - преобладание хемогенного карбонатонакопления; континентальное и лагунное соленакопление; широкое развитие фаций эолового типа;

пестроцветность отложений и др. Кроме того, анализ сезонной слоистости некоторых осадков (ленточные глины, соленосные толщи) позволяет судить о наличии и характере климатических сезонов.

Довольно широко в палеоклиматологии используются ископаемые остатки древних растений и животных. Среди ископаемых организмов имеются надежные индикаторы климата теплых эпох (вечнозеленые растения, кораллы). Именно теплый и влажный климат в наибольшей степени способствовал развитию наземной растительности, а понижение температуры воздуха и уменьшение влажности приводили к резкому обеднению ее видового состава. Аналогичная зависимость характерна и для организмов морских экосистем, когда в теплых водах органический мир по количеству видов намного богаче, чем в холодных. Например, в морских водах около Индонезии обитает около 40000 видов, в Средиземном море - более 6000, а в высоких широтах - около 400 видов морских животных. Однако в целом остатки ископаемых организмов позволяют получить лишь качественную оценку климатов геологического прошлого без количественных показателей.

Для решения проблем палеоклиматологии особую роль играет разработанный в 50-х годах американским ученым лауреатом Нобелевской премии Г. Юри аналитический метод определения палеотемператур по изотопному составу кислорода. Природный кислород сложен тремя стабильными изотопами ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О. Если карбонатные скелеты организмов образуются в изотопном равновесии с окружающей средой, то при постоянном составе воды соотношение ¹⁸О/¹⁶О в карбонатном материале будет изменяться в зависимости от температуры. Эта взаимосвязь проверена экспериментально и может служить шкалой геологического термометра. Изотопный анализ позволяет получить количественные показатели древних климатов, судить о простирании климатических зон в прошлом, и даже о сезонных колебаниях температур. Так, изотопный метод показал, что в четвертичном периоде (плейстоцене) общее похолодание климата отразилось в охлаждении поверхностных вод экваториальной части Тихого океана на 6°С по сравнению с современными значениями. Однако для получения объективных данных по климатам прошлого необходимо исследовать массовый материал и для взаимного контроля применять ряд методов. Особенно хорошие результаты при палеоклиматических реконструкциях (с получением количественных параметров) дают спорово-пыльцевой (палинологический), диатомовый и изотопно-кислородный анализы в сочетании с методами ядерной геохронологии.

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ДРЕВНИХ ЛАНДШАФТОВ

При реконструкции древних ландшафтов, как составных частей биосферы, необходимо провести следующие исследования:

1. Изучить систематический состав флоры и фауны для каждого последовательного отрезка геологического времени;

2. Изучить эволюцию флоры и фауны в тесной связи с физико-географическими условиями их существования;

3. Восстановить палеобиоценозы и их географическое распространение;

4. Провести палеоэкологические исследования, т.е. дать реконструкцию жизнедеятельности древних организмов и их сообществ на основе изучения ископаемых остатков.

Для восстановления истории развития флоры и растительности прошлых геологических эпох особую роль играют палеоботанические методы, которые в зависимости от размеров ископаемых фоссилий подразделяются на макро- и микрофлористические. С помощью первых исследуют достаточно крупные растительные остатки - ископаемые семена, плоды, шишки, древесину и др., которые сохраняясь лишь в особо благоприятных условиях, встречаются редко. Значительно шире для изучения четвертичных отложений применяются микрофлористические методы (спорово-пыльцевой, диатомовый). Однако главным методом палеогеографических исследований ландшафтов прошлого является палинологический или спорово-пыльцевой анализ, на описании методики которого и следует остановится подробнее.

Палинологический анализ, несмотря на свою относительную молодость, является одним из ведущих методов в палеоботанике. Впервые количественный подсчет пыльцевых зерен применил в 1916 г. шведский ученый Л. Пост. В нашей стране акад. В.Н. Сукачев еще в 1903-1905 гг. использовал данный метод при изучении болот и озер Курской области. В 1938 г. в Институте географии АН СССР начала работать первая пыльцевая лаборатория (под руководством В.П. Гричука), а к настоящему времени их количество превышает 150. Такой размах палинологических исследований показывает универсальность метода и возможности его применения в различных естественных науках (стратиграфия, палеогеография, геоморфология, археология, гляциология, океанология, биогеография и др.).

Это подтверждается материалами сборника «Палинология России» (т. 1 - 2, М., 1995), подготовленного российскими палинологами к IX Международному Палинологическому конгрессу (Хьюстон, Техас, 1996).

Объектами изучения спорово-пыльцевого анализа являются микроскопические растительные остатки - зерна цветочной пыльцы наземных растений. Развиваясь в огромных количествах в органах растений (1 экз. небольшого растения - щавеля продуцирует около 400 млн. пыльцевых зерен), пыльца и споры по мере созревания высыпаются наружу и рассеиваются на обширном расстоянии от производящего растения. Попав тем или иным путем на поверхность почвы или водоема, пыльцевые зерна захороняются и переходят в ископаемое состояние. Исключительная стойкость пыльцы и спор (их оболочки состоят из целлюлозы и спорополленина) дает возможность обнаруживать их в отложениях различного возраста и генезиса.

Строение оболочек пыльцы и спор отличается большим разнообразием. Различие морфологических форм позволяет под микроскопом определять принадлежность встреченных форм к соответствующим семействам, родам и видам. Это хорошо видно на рис. 9, где даны микрофотографии ископаемой пыльцы древесных пород, спор, мхов и папоротников, найденных в четвертичных отложениях юго-запада Прикаспийской низменности. На рис. 10 показаны пыльцевые зерна доминантных травянистых растений (маревых, полыней, сложноцветных, злаковых и др.).

Палинологический анализ имеет ряд преимуществ перед другими палеоботаническими методами:

1. Хорошая сохранность пыльцы в ископаемом состояний;

Рис. 9. Ископаемые споры и пыльца древесных пород в четвертичных отложениях Прикаспийской низменности (сфотографированы при увеличении 1000^х). 1 - сфагновые мхи (Sphagnum); 2 - папоротники (Polypodiaceae); 3 - плауны (Ly cop odium); 4 -липа (Tilia cordata); 5 - береза (Betula); 6 - ольха (Alnus); 7 - ель (Picea sec. Omorica); 8 - сосна обыкновенная (Pinus silvestris); 9 - дуб (Quercus).

2. Чрезвычайная их распространенность в природе;

3. Обилие пыльцевых зерен - как объектов исследования, особенно в морских и озерных осадках (в 1 г. навески глубоководных осадков Черного моря фиксируется до 100 - 140 тыс. пыльцевых зерен);

4. Перенос пыльцы и спор различными способами (в основном воздушным путем) на значительные расстояния.

Рис. 10. Ископаемая пыльца травянистых растений в четвертичных отложениях Прикаспия (увеличение 1000^х). 1 - осоковые (Сурегасеае); 2 - злаковые (Gramineae); 3 рогоз (Typha angustifolia); 4 - 7 - маревые (Chenopodiaceae) (при увеличении 1500^х); 8 - сложноцветные (Compositae); 9 - полыни (Artemisia); 10 - крестоцветные (Cruciferae); 11 - гвоздичные (Caryophyllaceae).

Для обоснования и правильной интерпретации палеоботанических материалов по кайнозойским отложениям палинологами проведены обширные методические работы по изучению переноса пыльцы воздушным и водным путем, а также закономерностей формирования современных спектров в различных растительных зонах (тундра, тайга, смешанные леса, степи, пустыни). Установлено, что состав спорово-пыльцевых спектров поверхностных проб почв в общих чертах правильно отражает состав растительности соответствующих зон (Гричук, Заклинская, 1948). Этот факт имеет важное значение для реконструкций палеоклимата и палеоландшафтов плейстоцена. Поскольку пыльца и споры в значительных количествах фиксируются в морских осадках по сравнению с континентальными отложениями различного генезиса, особую роль приобретают исследования пыльцы и спор в современных осадках различных морских водоемов.

Этому способствовало развитие нового направления - маринопалинологии. В Ростовском университете в 60-х годах одним из авторов были начаты систематические палинологические исследования Азовского, Черного, Каспийского, Аральского и Средиземного морей (Вронский, 1976). Был проведен весь комплекс работ по маринопалинологии: изучение «пыльцевого дождя» над акваториями, исследования пыльцы в поверхностном слое современных осадков, а также донных голоценовых отложений из разрезов колонок и морских скважин (45 разрезов). На основе палинологических данных было проведено стратиграфическое расчленение донных осадков и их корреляция, палеогеографические реконструкции южных морей России и сопредельных территорий в плейстоцене и голоцене.

В последние годы при палеогеографических исследованиях важное значение приобретают палеоклиматические реконструкции на основе спорово-пыльцевых материалов с приведением количественных характеристик. Однако для этой цели большинство математических методов, в том числе и информационно-статистический, используют взаимосвязь климатических параметров лишь с пыльцой древесных пород. Это значительно затрудняет применение данных методик для реконструкций палеоклимата по ископаемым спектрам аридных районов (преобладает пыльца травянистых растений), где в основном и располагаются южные водоемы. Поэтому возникла необходимость в разработке методики применения математических методов (с помощью ЭВМ) для обработки палинологических данных аридных районов с целью получения количественных параметров палеоклимата (Вронский, Букреева, 1991).

Методика моделирования палеоклиматов и палеоландшафтов. Известно, что информацию о климате, при котором происходило захоронение ископаемых пыльцевых зерен, несут в себе качественный состав и процентное соотношение компонентов спорово-пыльцевого спектра (СПС). Выявление этой закономерности и является решением задачи количественной оценки элементов палеоклимата. Полагая, что между климатом и составом СПС в прошлом существовали те же связи, что и в настоящее время (метод актуализма), можно выявить такие закономерности и экстраполировать их в прошлое. Имея в качестве исходной информации палинологические данные из поверхностных проб морских осадков и количественные элементы климата, можно создавать расчетные модели.

Параметры расчетной модели при обработке палеоботанических данных базировались на применении различных математических методов (главных компонентов, множественного регрессионного анализа и др.). Проведена математическая обработка (на ЭВМ серии ЕС-1055 и ЕС-1045) спорово-пыльцевых спектров 90 образцов современных донных осадков Северного Каспия, Азовского и Аральского морей (рис. 11) и климатических показателей (средние температуры года, июля, января и среднегодовая сумма осадков)

Рис. 11. Схема расположения станций отбора поверхностных проб донных осадков южных морей, исследованных палинологическим анализом. А - Аральское море; Б - Северный Каспий; В - Азовское море.

37 метеостанций, расположенных на побережьях изучаемых водоемов. Спектры охарактеризовали в основном три растительные ассоциации побережий морей: пустыни, полупустыни и сухие степи. Каждый из 90 рецептных спектров описан 27 компонентами и количественными оценками четырех элементов современного климата.

Оптимально информативные наборы количественной оценки температурных показателей и среднегодовой суммы атмосферных осадков включают в себя: общее количество пыльцы травянистых растений (TR) и спор (SP), пыльцу полыней (Art), маревых (Chen), эфедры (Eph), водных растений (Wodn), споры зеленых мхов (Вrуа). Ниже приводятся уточненные расчетные уравнения для получения количественных показателей палеоклимата плейстоцена по ископаемым СПС аридных районов (Букреева, Вронский, 1995).

1. Температура года = 18,67 - 0,11TR + 0,02SP + 0,001Chen;

2. Температура июля = 15,8 + 0,09TR + 0,26Eph + 0,002Chen + 0,013Art + 0,065Wodn

3. Температура января = -20,61 - 0,11TR + 0,023Chen + 0,13Вrуа + 2,5Т°года;

4. Годовая сумма осадков = 989,6 + 2,17 Pin – 8,92 Gram – 7,9 Chen – 10,9 Art – 16,11 Wodn

Полученные впервые для аридных районов расчетные модели могут быть рекомендованы в практику палинологических исследований четвертичных отложений южных регионов России и сопредельных территорий (Средняя Азия, Казахстан и др.).

При определении типа растительности в аридных областях по составу ископаемых спектров возрастает роль пыльцы травянистых растений. Так, методом главных компонентов установлено, что максимальную информацию о типе растительности в исследуемом районе несут следующие компоненты СПС: общее количество пыльцы травянистых растений (TR), пыльцы маревых (Chen), полыней (Art) и разнотравья (RAZN). Причем указанные компоненты перечислены по степени убывания информативности. Они вошли в качестве аргументов в расчетные уравнения, позволяющие определять следующие типы растительности:

1. Пустыня

Д₁ = - 638,7 + 15,5 TR - 2,2 Gram - 2,32 Chen - 2,39 Art + 1,2 RAZN;

2. Полупустыня

Д₂ = - 637,95 + 15,6 TR - 1,91 Gram - 2,26 Chen - 2,57 Art+ 0,9 RAZN;

3. Сухая степь

Д₃ = - 537,84 + 14,2 TR - 1,96 Gram - 1,98 Chen - 2,36 Art+ 1,6 RAZN.

Установлено, что распознание спектров пустынь составило 80%, полупустынь 93%, сухих степей - 100%. Тип растительной ассоциации определяется по максимальному значению дискриминантной функции, вычисленной по данному палинологическому спектру. Например, если максимальное значение этой функции принадлежит Д₂, то это означает, что данный ископаемый спектр сформировался в условиях полупустыни, а если Д₃, - в сухих степях. Таким образом, представленные модели могут быть использованы для реконструкции палеоклиматов и палеоландшафтов на количественной основе, а также для выявления тенденций эволюции климата и растительности в недавнем прошлом (голоцене).

Для стратиграфии и палеогеографии плейстоцена важное значение имеет изучение ископаемой фауны млекопитающих, костные остатки которых часто встречаются в континентальных отложениях, весьма бедных другими органическими остатками. Фауна крупных млекопитающих представлена остатками мамонтов, носорогов, древних слонов, овцебыков, лошадей, саблезубых тигров, мастодонтов и др. В последние годы в палеогеографических целях в четвертичных отложениях стали изучаться остатки мелких м