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.
В Восточной Европе обнаружены ворхиерпфейские тиллиты в Волоковой и Эйновских сериях полуостровов Рыбачьего и Среднего на Кольском полуострове, вендский Яблоновский тиллит в Эстонии, аналогичные ему тиллиты Вильчанской свиты в Белоруссии, тиллиты Парцинской свиты Пачелмской серии на Русской плите (вскрытые Каверинской скважиной на глубинах 1408-20 и 1428-38 м). Назовем еще тиллиты в верхнерифейских Танинской, Койвинской и вендской Вильвенской свитах Серебрянской серии Среднего Урала, вендские уральские тиллиты в Среднечурочинской свите Полюдова кряжа, в Лаптапайской свите Приполярного Урала, Хойдышорской свите Полярного Урала, вендские тиллоиды в Кургашлинской свите Южного Урала и верхнерифейские тиллоиды в Мазаринской свите Уралтау.
В Азии назовем следующие: в Сибири - тиллиты Суктальминской свиты Чингасанской серии Енисейского кряжа; в Казахстане - два горизонта тиллитов (Сатанскую иБайконырскую свиты) Улутауской серии; на Дальнем Востоке - тиллиты в разрезе Столбовского поднятия Приколымья; в Тянь-Шане - два горизонта тиллитов, нижний из них, очень мощный - Джетымский (400-2500 м), верхний - Байконырский (15-100 м); в Южном Китае - тиллиты свиты Наньто в провинциях Хубей и Юньнань.
В Северной Америке укажем верхнерифейские тиллоиды Коппер Харбор в серии Верхнее Кивино в штате Мичиган; тиллиты Боннет-Плум-Ривер на Юконе; два горизонта тиллитов (нижний - в свите Тоби, верхний - в свите Монк) в серии Виндермер в Британской Колумбии; верхнерифейские тиллиты Покателло, Минерал-Форк, Кингстон-Пик в Кордильерах; тиллиты в серии Маунт-Роджерс в Аппалачах и в серии Консепшн на Нью-Фаундленде. Назовем еще тиллиты Ульваберг в верхней части серии Хаген-фьорд на Земле Кронпринца Христиана и в серии Мёркебьерг в Конг-Оскар-фьорде в Восточно-Гренландской складчатой области, а также тиллиты на юге Земли Пири в северо-восточной Гренландии.
В Африке следует назвать прежде всего верхнерифейскйе тиллиты Большого конгломерата в надсерии Катанга, а также Малого конгломерата в начале серии Кунделунгу верхов надсерии Катанга и вендские тиллиты Жбелия в серии Каес в Мавритании.