Выяснилось, что при испарении воды ее молекулы, содержащие более легкий изотоп, перемещаются быстрее, чем те, которые содержат более тяжелый. Следовательно, концентрация изотопов кислорода в воде непосредственно зависит от температуры. При понижении температуры на 1° С доля изотопа 18О увеличивается на 0,02%. Во время оледенений более легкий изотоп 16О активно испарялся и включался в состав ледниковых покровов, тогда как в океанах накапливался более тяжелый изотоп 18О. Во время межледниковий талая вода, обогащенная изотопом 16О, возвращалась в океаны.
Анализ колонок донных осадков Карибского моря палеотемпературным методом ясно показал, что во время последнего материкового оледенения температура поверхностных вод понижалась на 6° С. Всего за последние 425 тыс. лет было выделено восемь крупных циклов изменений температуры (каждый цикл включал одно оледенение и одно межледниковье). Привязка к абсолютной хронологической шкале осуществлялась с помощью радиоизотопных методов: радиоуглеродного в молодой части, протактиниево-ториевого (231Pa : 280Th) в более древней.
Для датирования вулканических пород используется калий-аргоновый метод. Полученные с его помощью результаты успешно привлекались для расшифровки летописи позднекайнозойского оледенения Антарктиды.
Рис. 8. Пыльца и споры некоторых растений умеренной зоны (рисунок М. X. Моносзон)
1 — ель обыкновенная; 2 — лещина обыкновенная; 3 — береза пушистая; 4 — дуб черешчатый; 5 — липа мелколистная; 6 — сосна обыкновенная; 7 — ольха черная; 8 — вяз гладкий; 9 — ива трехтычинковая; 10 — подорожник ланцетовидный; 11 — лисохвост луговой; 12 — полынь обыкновенная; 13 — марь белая; 14 — щитовник болотный; 15 — хвощ болотный; 16 — многоножка обыкновенная
В Европе возраст одного из древних материковых оледенений (гюнцского?) был определен в 400 — 350 тыс. лет назад, что свидетельствует в пользу относительно короткой геохронологической шкалы плейстоцена. Однако остается некоторое сомнение в правомочности полученных результатов, так как трудно точно измерить малые количества какого газообразного продукта распада, как аргон.
Методы абсолютной хронологии, основанные на применении радиоактивных изотопов, имеют неоспоримое преимущество для установления последовательности событий четвертичной истории, но есть у этих методов и свои ограничения. Прежде всего нельзя исключить вероятность различных загрязнений, попавших в анализируемые образцы. Между датированными отрезками времени остаются различные по продолжительности интервалы, особенно в эоплейстоцене, континентальные отложения которого довольно слабо изучены. Наконец, далеко не всегда находятся подходящие образцы для датирования, а сами радиоизотопные анализы дорогостоящие.
В силу вышеизложенных причин часто практикуются методы относительной геохронологии, существенно дополняющие определения абсолютного возраста. В качестве объектов исследования привлекаются костные остатки млекопитающих, раковины моллюсков, створки фораминифер и остракод, пыльца и споры растений. По этим остаткам фиксируются в основном температурные колебания, но в ряде случаев регистрируются также изменения осадков и другие показатели климатов прошлого — индикаторы условий обитания растений и животных.
Следует отметить, что имеются немалые трудности при сопоставлении данных по эволюции морских и континентальных организмов. Правда, океанологи и гидробиологи полагают, что установленную последовательность колебаний температуры морской воды можно непосредственно сопоставить с изменениями климатических условий на суше, но на самом деле эта зависимость гораздо сложнее.
Путем привязки результатов микропалеонтологических исследований морских осадков к абсолютной хронологической шкале, созданной на основе радиоуглеродных, протактиниево-ториевых и протактиниево-иониевых датировок, удалось детально проследить колебания природных обстановок за последние 175 тыс. лет. При этом в колонках с наиболее однородной текстурой осадков была выявлена постоянная скорость седиментации порядка 2,5 см в 1000 лет. Мощность всей толщи плейстоценовых отложений составляла 38 м, а продолжительность четвертичного периода — более чем 1,5 млн. лет.
Для регистрации последовательных изменений природной среды в прошлом широко используется спорово-пыльцевой анализ. Этот метод прежде всего основывается на хорошей сохранности внешних оболочек пыльцевых зерен и оболочек спор растений (рис. 8), особенно при отсутствии доступа воздуха (например, в торфе, озерных илах и глинах). Пыльца и споры производятся растениями в огромных количествах. Так, из одной сережки орешника выпадает до 14 млн. пыльцевых зерен, а из одного растения щавеля — 400 млн. Перенос пыльцы и спор осуществляется ветром, текучими водами, насекомыми, летучими мышами, птицами и даже пресноводными моллюсками. Эксперименты показали, что преобладает транспортировка этих микроскопических частиц на относительно небольшие расстояния. Поэтому «пыльцевой дождь» для конкретной территории в большинстве случаев примерно соответствует составу наземной растительности.
Пыльца и споры садятся на поверхность суши и на дно водоемов. Эти частицы очень малы (от 10 до 150 мк) и обычно бывают достаточно полно представлены даже в небольших образцах породы. Отбор образцов из геологических разрезов проводят послойно, причем большая частота отбора обеспечивает детальную информацию. В итоге спорово-пыльцевого анализа составляются диаграммы, на которых графически показано процентное содержание пыльцы и спор различных растений. Этот метод обладает высокой информативностью, во всяком случае, по сравнению с другими палеогеографическими методами.
В Англии получило распространение изучение остатков жуков, прежде всего их надкрылий, которые лучше всего сохраняются в озерных и болотных отложениях. По строению эти ископаемые формы обнаруживают сходство с современными и позволяют воссоздать условия обитания. В ряде разрезов слои с остатками жуков датированы радиоуглеродным методом, получена своеобразная летопись изменений природы. При сопоставлении с результатами спорово-пыльцевого анализа выяснилось, что благодаря высоким темпам распространения жуки быстрее реагируют на изменения температуры, чем растения. Таким путем удалось существенно дополнить представления о климатах эпохи последнего оледенения и послеледникового времени.
Рис. 9. Формирование рельефа краевой ледниковой зоны во время подвижки ледника (вверху) и после его таяния (внизу) (По В. Шенпсу)
