обладает ярко выраженной широтной зональностью. Раньше, когда массы океана и атмосферы были меньше, Земля вращалась быстрее, и наклон экватора к эклиптике был меньше современного, каждый из этих факторов делал широтную зональность климата еще более резкой, чем теперь. Эта зональность выглядит следующим образом. В экваториальной зоне сильный нагрев земной поверхности создает интенсивную конвекцию с образованием мощных кучевых облаков и ливневыми осадками, так что эта зона оказывается влажной (гумидной). Восходящие движения компенсируются здесь притоком воздуха к экватору в нижних слоях атмосферы (пассатные ветры) и их оттоком в более высоких слоях. В субтропиках оттекающий воздух отклоняется вращением Земли на восток, и ячейки пассатной циркуляции вынужденно замыкаются нисходящими движениями, так что субтропические зоны оказываются засушливыми (аридными). Дальше к полюсам тепло переносится подвижными циклонами, образующимися в западно-восточных течениях умеренных широт и сопровождающимися обильными осадками, так что эти зоны опять оказываются гумидными. Указанными свойствами широтной зональности климата воспользовался Н. М. Страхов [39] при своих фанерозойских палеоклиматических реконструкциях, выявивших движение полюсов (но проделанных еще на фиксистской основе - без учета движения континентов - и потому требующих теперь усовершенствования).
Рис. 66. Суточные суммы солнечного тепла (кал./см2 ⋅ сут), приходящего на верхнюю границу земной атмосферы (при значении солнечной постоянной 1.946 кал./см2 ⋅ мин).
При отсутствии широтной зональности климата не было бы и сезонных колебаний погоды. Поэтому свидетельства о наличии в ту или иную геологическую эпоху сезонных колебаний погоды суть доказательства широтной зональности климата этой эпохи. Такими свидетельствами являются прежде всего породы с годичными слоями, так называемые варвиты, которые обнаружены практически во всех геологических периодах фанерозоя. Примерами могут служить североамериканские ленточные сланцы с возрастами от девона до миоцена, описанные В. Брэдли (1931 г.), и знаменитые верхнепермские ленточные эвапориты - ангидриты и каменные соли Соликамска и немецкого цехштейна. Кроме варвитов следует упомянуть еще и организмы с годичными слоями роста. Выше упоминались годичные слои роста у древних кораллов; они прослеживаются по крайней мере до табулят, существовавших от ордовика до перми. Годичные слои, обнаруженные в рострах, т. е. в калыщтовых хвостах раковин мезозойских головоногих моллюсков белемнитов, показали, что даже в самые теплые века юры широтная зональность климата была достаточно заметной.
Качественными индикаторами климатических зон могут служить многие горные породы. Так, в аридных зонах образуются эвапориты - доломиты, ангидриты, гипсы, калийная и каменная соли, осаждающиеся из растворов в условиях сильного испарения, а также карбонатные красноцветы (продукты выветривания, обедненные кремнеземом и окрашенные окислами железа) и лёссы. В гумидных зонах образуются каменные угли и продукты глубокого химического выветривания пород суши - бескарбонатные красноцветы, белые глины каолины, алюминиевые руды бокситы, некоторые железные и марганцевые руды.
Теплому климату свойственны эвапориты, красноцветы, морские известняки (прежде всего биогермы, т. е. остатки кораллов и других известьвыделяющих рифообразующих организмов, по-видимому, и ранее бывших в основном теплолюбивыми), а также ряд организмов, представляющихся теплолюбивыми, - крупные рептилии, крупные насекомые, крупные породообразующие фораминиферы, брюхоногие моллюски ципреи, из растений - пальмы и др. Наиболее важными свидетелями холодного климата являются тиллиты, т. е. неслоистые и несортированные конгломераты - смеси валунов с глинами или мергелями, рассматриваемые как остатки древних ледниковых морен и отличающиеся от несортированных конгломератов неледникового (например, оползневого) происхождения наличием отполированного и исштрихованного скального ложа и такими геоморфологическими признаками, как плоскодонные долины с крутыми стенками, цирки и «бараньи лбы».
Кроме перечисленных качественных индикаторов палеоклиматов теперь применяется также и количественный метод - оценка палеотемператур вод в древних бассейнах по отношению изотопов кислорода O18/O16 в карбонатах раковин существовавших в тех водах животных (см. книгу Р. Боуэна [561). Как установил Г. Юри, равновесие между содержанием изотопов кислорода в карбонатах и в воде, описываемое, например, соотношением
CO163 + 3H2O18 ↔ CO183 + 3H2O16
зависит от температуры воды: карбонаты слегка обогащены тяжелым изотопом кислорода О18 по сравнению с водой, и это обогащение растет с понижением температуры. Если в воде отношение O18/O16 равно 1/500, то в карбонатах оно оказывается равным 1.022/500 при температуре 25° С и 1.026/500 - при 0° С.
Обычно измеряется величина δ =( (R - R0)·1000)/R0, где R - отношение СO16O18/СO16 в исследуемом образце, a R0 - в некотором эталонном карбонате; но δ с помощью простой эмпирической формулы вычисляется температура воды.
В качестве примера на рис. 67 приводятся значения δ, полученные М. Кейтом и Дж. Вебером (1964 г.) для образцов североамериканских пресноводных известняков (преимущественно из района Великих озер, на восточной части границы между США и Канадой) с возрастами от девона до четвертичного периода. График показывает, что в девоне значения δ были низкими (а температуры воды - высокими), затем они росли до максимума в перми (минимум температуры), затем падали до минимума в мелу (максимум температуры), после чего опять росли до максимума в четвертичном периоде. Согласно рис. 54, в девоне восточная часть Северной Америки находилась в умеренных широтах южного полушария, затем она перемещалась на север, в перми пересекала экватор, в мелу достигла крайнего северного положения, а после этого сместилась чуть южнее. Исходя из этих палеоширот, можно было бы ожидать прямо противоположного хода кривой на рис. 67. Это усиливает вытекающие из рис. 67 выводы о наиболее теплом климате Земли в девоне и особенно в мелу и о наиболее холодном климате в плейстоцене и особенно в перми.
Рис. 67. Отношение δ 018 изотопов кислорода в североамериканских пресноводных известняках фанерозойского возраста по М. Кейту и Дж. Веберу (1964 г.).
Самыми выдающимися из климатических событий в истории Земли были, конечно, ледниковые периоды, характеризовавшиеся появлением континентальных ледниковых щитов (в настоящее время такие щиты покрывают Антарктиду и Гренландию), от которых остаются обширные площади тиллитов. Как уже отмечалось, геологами обнаружены многочисленные тиллиты как фанерозойского, так и докембрийского возраста. Самыми древними из них являются, по-видимому, нижнепротерозойские, наиболее яркими представителями которых служат тиллиты в свите Гоуганда нижней части серии Кобальт Гуронской надсерии на юго-востоке Канадского щита. Тиллиты Гоуганда имеют возраст свыше 2 млрд. лет, - по-видимому, между 2.0-2.1 и 2.2-2.3 млрд. лет. Свита Гоуганда имеет мощность 650-1300 м и содержит тиллиты, переслоенные с окаменевшими глинами - аргиллитами и аркозовыми песчаниками (гранитного состава); конгломераты в тиллитах лишены какой-либо сортировки, содержат валуны специфических форм - утюгообразные и «дропстоны», сопровождаются ленточными глинистыми сланцами с изолированными валунами и в ряде случаев лежат на исштрихован-ном ложе, так что их ледниковое происхождение практически не вызывает сомнений. Ниже серии Кобальт в Гуронской надсерии есть еще слои конгломератов, имеющих облик тиллитов, - это свита Брюс серии Квирк-Лейк и еще ниже - свита Рамсей-Лейк серии Хуг-Лейк. Вся эта многослойная структура свидетельствует, возможно, о перемежаемости ледниковых периодов того времени.
Тиллитообразные конгломераты такого же возраста обнаружены в надсерии Анимики в бассейне оз. Верхнего на Канадском щите (с тиллитами Гоуганда коррелируют, по-видимому, тиллоиды свит Ферн-Крик и Рини-Крик серии Чоколай, но тиллоиды есть и в вышележащей серии Миномини), в серии Бид-жавар в Индии (несортированные валунные и пуддинговые конгломераты, переслаивающиеся со сланцами и среднезернистыми осадками алевролитами), в серии Витватерсранд (свита Гавернмент-Риф) и в серии Трансвааль (тиллит Грикватаун, содержащий штрихованные гальки) в Южной Афике, в серии Уайтвотер в Западной Австралии, в осадочной свите Сарколийской серии Карельского комплекса (конгломераты, в которых встречаются валуны типа «дропстонов») и, по-видимому, также и в Южной Америке. Таким образом, нижнепротерозойское оледенение, возможно, имело глобальный характер.
В среднем протерозое, нижнем и среднем рифее на всех континентах встречаются многочисленные слои несортированных конгломератов, иногда похожих на тиллиты, но их глобальная корреляция пока что не осуществлена, и сколько-нибудь ясной картины, как для нижнего протерозоя, еще не сложилось. Зато в верхнем рифее и в венде в разных частях мира найдены многочисленные тиллиты (рис. 68), хорошо коррелирующие друг с другом и группирующиеся в основном по двум возрастам, - нижние около 750-800 млн. лет (верхнерифейское оледенение) и верхние около 650-680 млн. лет (вендское оледенение).
Рис. 68. Карта распространения верхнерифейских и вендских тиллитов по Л. И. Салопу [18].
Назовем некоторые из этих тиллитов. В Западной Европе это тиллиты Шихалион, Портосгейг, Фанад и другие в свите Нижний Дальрёд в Шотландии; тиллиты Гранвиль в серии Верхний Бриовер Армориканского массива во Франции; нижние и верхние тиллиты в серии Верхний (Красный) Спарагмит в провинции Финмаркен (район Варангер-фьорда) в Северной Норвегии и вендские тиллиты Спарагмит Муэльв в Южной Норвегии, а также аналогичные им нижние и верхние тиллиты Варяжской серии в Швеции. Упомянем также два горизонта свиты Уилсонбреен в серии Полярисбреев на о. Западный Шпицберген и аналогичные тиллиты в свите Свеанор серии Готия на острове Северо-Восточная Земля того же архипелага.