Сидерические методы

Так иногда кратко называют методы, использующие записи годичных природных циклов в разнообразных природных телах, образующихся за счет ежегодного прироста массы (лат. sidus, родительный падеж sideris - звезда, небесное светило). Благодаря комплексной реакции на сезонность, прежде всего, на изменения температур, образуются годичные слои древесины, кораллов, раковин моллюсков, натечных минеральных образований в пещерах (спелеотем), осадков на дне водоемов. Прямой подсчет годичных слоев позволяет с точностью до года определить возраст каждого (если начать с современности). В характеристиках слоев, например, в их толщине, отражаются как многолетние климатические колебания, так и экстремальные погодные события. Измерив параметры каждого слоя, можно получить ряд значений в числовом и графическом выражении (например, дендрограмму – ряд толщины годичных колец деревьев). Такие ряды путем визуального сопоставления и/или с использованием статистических методов позволяют решать две задачи: (1) продлять ряд вглубь времени, сопоставляя записи с пересекающимися начальным и конечным отрезками, и (2) коррелировать ряды, полученные в разных точках территории, для которой постулируется подобие погодно-климатических колебаний.

Варвометрия

Варвометрия – подсчет и измерение толщины годичных слоев озерных отложений - варв (швед. varv – кругооборот, цикл). Для обозначения регулярной годичной слоистости используется также термин "ленточные отложения" (глины, суглинки и т.п.). Метод разработан шведским геологом Г. де Геером (первая публикация – 1884 г). Де Геер сопоставил вариации толщины варв, отлагавшихся на дне приледниковых озер времени последней дегляциации в серии разрезов на юге Швеции и на этой основе выстроил хронологию отступания края ледникового щита (его последовательным позициям с юга на север соответствовали разные приледниковые водоемы, отложения которых и были увязаны де Геером). В 1930-х гг его ученик Э.Антевс построил по тем же принципам хронологию дегляциации Североамериканского континента.

Для водоемов с преобладанием минерального осадконакопления за счет поступления вещества с водосбора характерны кластические варвы ("ленточная слоистость"), образующиеся за счет резких колебаний притока речных вод в течение года. К таковым относятся и озерно-ледниковые ленточные глины: весенне-летние песчано-алевритовые и зимние глинистые слои. Различаются и другие типы сезонной слоистости: органокластические (выделяется повышенное накопление органики в теплый сезон), чисто органические (тонкие темные слои зимнего периода малой биопродуктивности и толстые светлые – теплого сезона), карбонатные и железистые, (различия в выпадении CaCO₃ и соединений Fe в зависимости от температуры воды), диатомовые (выделяется летнее цветение диатомовых водорослей). В условиях гляциоизостатически приподнятых территорий де Геер и его последователи имели возможность изучать лимногляциальные варвы в обнажениях. В других случаях это приходится делать по кернам буровых скважин, и тогда важное место занимает технология бурения – получение недеформированной колонки отложений.

Сезонная слоистость может формироваться и в океанических осадках за счет колебаний притока речных вод (в том числе талых ледниковых – ледниково-морские варвы) с суши или внутригодовых изменений биопродуктивности (светлые, обогащенные диатомовыми летние и темные зимние слойки – морские варвы). Годичная ритмика часто проявляется в аллювии фаций прирусловых отмелей и низкой поймы, накапливающихся на пике половодья. Годичный слой начинается светлой песчаной частью фазы подъема половодья, для которой характерны повышенные скорости течения, и завершается более темной суглинистой частью фазы спада половодья, когда уклоны и скорости течения потока падают. Подсчет годичных пар поможет оценить продолжительность накопления толщи, что бывает полезным при выработке стратегии дальнейшего исследования разреза. Например, если при мощности в несколько метров вся толща сформировалась лишь за первые десятки лет, не имеет смысла детально опробовать ее для выявления палеоклиматических изменений или пытаться определить различия в возрасте кровли и подошвы слоя радиоуглеродным методом, точность которого будет заведомого меньше общей продолжительности формирования слоя (см. раздел 7.2.1).

Дендрохронология

Дендрохронология – использование годичных колец деревьев для изучения пространственно-временной динамики природных и социальных процессов. Исследование разбивается на две части: датирование самих годичных колец и извлечение из них содержательного сигнала. Впервые метод был применен для изучения истории солнечной активности астрономом А.Дугласом из университета Аризоны в Тусоне (Tucson), где до сих пор действует созданная им в 1937 г дендролаборатория. Дуглас постулировал следующую причинно-следственную цепочку: светимость Солнца, выраженная через количество солнечных пятен → климат → ширина годичных колец. Современное продолжение этого направления – реконструкция изменений светимости Солнца по содержанию в атмосфере радиоизотопа ¹⁴С. В одном из последних обобщений (Solanski et al., 2004) такая реконструкция выполнена для последних 11,4 тыс. лет и показано, что с середины XX в Солнце вступило в фазу аномально высокой для голоцена активности (рис.7.3), чем частично объясняется тренд повышения глобальных температур (за резкий рост температур с 1970 г это явление ответственно лишь на 30%).

Характер годичного прироста сильно различается для разных пород деревьев. В дендрохронологии наиболее широко используются разные виды дуба, сосны, в Северной Америке также секвойя и ель Дугласа (псевдотсуга), а в Новой Зеландии – дерево каури. Отдельные экземпляры остистой сосны достигают возраста 4700 (некоторые сухостойные экземпляры – до 6000) лет, секвойя – 3500 лет, ель Дугласа и разные виды дуба – обычно не более 500 лет, в исключительных случаях – до 1000 лет. Для продления хронологии на более продолжительные отрезки времени привлекаются ископаемые стволы, погребенные в речных и озерно-болотных отложениях. При этом используется принцип перекрестного наложения, или кросс-датирования, в соответствии с которым ряды ширины или других характеристик колец (например, плотности древесины), обладают сходством внутри ограниченного региона, что позволяет более или менее уверенно состыковывать полученные по разновозрастным стволам, но пересекающиеся во времени серии. Чтобы минимизировать влияние индивидуальных особенностей дерева и случайных факторов и усилить полезный сигнал, измерения выполняются по нескольким радиусам для каждого экземпляра и, если возможно, по нескольким деревьям для каждого места и по нескольким местам в пределах региона – принцип репликации.

Если нуль-момент хронологии известен точно (если она начинается с живущего дерева или, например, точно известен год постройки деревянного сооружения, из которого взят один из стволов), она называется абсолютной. Если нуль-момент определен приблизительно (радиоуглеродным методом или по историческим данным), она называется плавающей. По данным международного архива дендроданных, который поддерживается Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA), на март 2011 г на пяти континентах существовало более 3 тысяч дендрошкал, большинство из которых, впрочем, не превышало по охвату нескольких столетий. Наиболее длинные непрерывные дендрошкалы построены (1) по погребенным в аллювии рек южной Германии стволам дуба черешчатого и скального (до 10,5 тыс.л.н.) и сосны обыкновенной (для пребореала и позднеледниковья) – 12,5 тыс.л., и в ближайшее время ожидается их продление до 14 тыс.л. с использованием плавающих хронологий по сосне из Швейцарии (Friedrich et al., 2004; Schaub et al., 2008); (2) по остистой сосне в горах Уайт Маунтин на востоке Калифорнии – 8,7 тыс.л. (Ferguson, Graybill, 1983); (3) по сосне обыкновенной в Финляндии – 7,5 тыс.л. (Helama et al., 2008), (4) по дубу черешчатому в Северной Ирландии – 7,4 тыс. лет (Baillie et al., 2000).

Характеристики годичных колец представляют запись состояния природной среды с годичным и даже сезонным разрешением (каждое кольцо можно разделить на отдельные части, соответствующие разным сезонам). Полезный сигнал содержится в ширине годичных колец и их сезонных частей, в плотности древесины, ее изотопно-химическом составе (наиболее информативны изотопы ¹⁴C, ¹³C, ¹⁸O, ²H). Для вычленения полезного сигнала величину годового прироста древесины разделяют на отдельные компоненты, связанные с природными и антропогенными факторами роста (принцип суммирования факторов), в том числе: (1) естественный тренд уменьшения скорости роста с возрастом, (2) погодные условия данного года, (3) факторы нарушения внутри лесной экосистемы, (4) факторы нарушения извне, (5) случайные процессы.

Выбор мест для опробования производится таким образом, чтобы максимизировать возможный отклик динамики роста деревьев на изучаемый тип изменений природной среды, т.е. зависит от цели исследования. Например, при реконструкции рядов температур и/или осадков (дендроклиматология) учитывается известный из общей экологии принцип лимитирующих факторов. В засушливых условиях или относительно сухих местообитаниях динамика роста деревьев определяется преимущественно изменениями увлажнения, а вблизи верхней или северной границы леса, или в относительно холодных местообитаниях (склоны северной экспозиции) – изменениями температур. Широкое применение находит дендрохронология для выявления и построения хронологии экстремальных явлений – засух, пожаров, наводнений, включая и геоморфологические процессы, проявляющиеся во временно угнетенном развитии ныне растущих деревьев в зоне их поражения – обвалов, оползней, эрозионных явлений (дендрогеоморфология).

Использование дендрохронологии для датирования древних геологических или археологических объектов возможно лишь при наличии региональной дендрошкалы, с которой можно сопоставить дендросерии по находкам древесины в соответствующих отложениях – аллювии, морене, культурных слоях археологических памятников. К сожалению, в России региональные дендрошкалы созданы для немногих регионов и они относительно коротки, что сильно ограничивает использование этого метода датирования. Существуют шкалы для северо-запада европейской России с общим охватом 1200 лет – для Пскова (кон. VIII – нач. XV вв), Новгорода (кон. IX – кон. XVI вв), Смоленска (кон. XI – нач. XVII вв) и др. (Колчин, Черных, 1977). Это результат огромной работы на археологических памятниках древней и средневековой Руси. В 1990-е годы по ископаемым находкам лиственницы сибирской построены 1500-летняя дендрошкала для ПолярногоУрала и 7000-летняя дендрошкала для Ямала (С.Г.Шиятов, Р.М.Хантемиров – ряд публикаций). В других районах дендрошкалы либо плавающие, либо построены лишь на данных по ныне живущим деревьям и их длина редко превышает 500 лет.

Пример датирования катастрофических событий общепланетарного масштаба представляет уточнение хронологии взрыва вулкана Санторин в Эгейском море, считающегося мощнейшим извержением за всю историю цивилизации. Это событие изначально датировалось по археологическим данным серединой XVI в до н.э. Появившиеся в 1970-е гг радиоуглеродные датировки показали возраст на столетие древнее – между 1630-1600 гг до н.э. Наконец, в 1980-90-е гг было установлено, что в 1628-29 гг до н.э. во всех районах Северного полушария, где есть длинные дендроряды – в Калифорнии, Ирландии, Англии, Германии, Швеции, отмечается резкое падение скоростей прироста деревьев (Lamarche, Hirschboeck, 1984; Hughes, 1988; Baillie, 1989; Grudd et al., 2000). Это связали с глобальным падением температур вследствие пеплового загрязнения стратосферы, и указанная дата принимается сейчас как наиболее вероятная датировка извержения Санторина.

Склерохронология

Склерохронология (греч. scleros – твердый, chronos время) – изучение физико-химических свойств годичных слоев кальцита и арагонита, образующихся в живых (кораллы, раковины моллюсков) и неживых (спелеотемы – натечные пещерные отложения разнообразной морфологии) образованиях. Такие образования используются как записи сигнала о состоянии природной среды, снабженные счетчиком времени – годичными слоями. Привязка к абсолютной шкале времени осуществляется для современных образований подсчетом годичных слоев (в отличие от дендрохронологии, перекрестное наложение удается применять редко, поэтому метод действует в пределах последнего тысячелетия), для древних – датированием самих карбонатов U-Th методом либо содержащихся в них органических включений по ¹⁴С (см. ниже). В качестве регистраторов параметров окружающей среды чаще всего используются скорость прироста, содержание стабильных изотопов ¹⁸O, ¹³C. Для пещерных карбонатов скорость прироста и доля ¹⁸O падают при снижении температуры и растут при ее повышении, а доля ¹³C увеличивается с ростом засушливости и падает с ростом увлажнения (рис.7.4). В кораллах доля ¹⁸O используется как показатель солености воды, которая интерпретируется далее как результат изменений испарения, осадков и речного стока.