Знание возраста торфяных месторождений важно в теоретическом и практическом отношениях для решения вопросов, связанных с развитием торфяников.
Изучение возраста помогает выяснению условий возникновения болота, интенсивности плоскостного распространения, определению вертикальной скорости нарастания торфяной толщи, датировке основных этапов развития торфяников, сопоставлению этапов образования болот с другими событиями геологической истории. Знание этих закономерностей позволяет установить и будущие тенденций в развитии болот, что необходимо для разработки научно обоснованных мероприятий по преобразованию природной среды.
Все современные торфяные месторождения возникли в голоцене, самом последнем периоде в истории Земли. Протяженность голоцена 10—12 тыс. лет. Первое появление болотных отложений примерно совпадает с началом голоцена. Торфяники продолжали возникать и развивались в течение всего голоцена. В отдельные периоды были усиления или затухания этого процесса.
Процессы заторфовывания озер и суходольного заболачивания происходят и в настоящее время.
Приведена средняя цифра годового прироста торфяника. Однако в каждом отдельном торфянике и в разные периоды накопления торфа этот показатель значительно отличается от среднего значения. В результате этого встречаются одновозрастные торфяники с сильно отличающейся мощностью торфяного слоя или, наоборот, торфяники, значительно разнящиеся по возрасту, могут иметь сходную по глубине толщу торфа. Таким образом, цифры среднего годового прироста для определения возраста торфяника применять нельзя, так как эта цифра изменяется во времени и в пространстве.
Возраст торфяных месторождений определяют радиоуглеродным и пыльцевым методами. Эти два метода дополняют и контролируют друг друга.
Радиоуглеродный метод определения абсолютного возраста торфяных отложений основан на следующем. В природе встречаются несколько изотопов углерода, стабильные С12 (98,9%), С13 (1,1%), и радиоактивные С14 (10-10 %).
Период полураспада радиоактивного изотопа С14 T = 5780 ± 40 лет, он и используется для исследований. Радиоактивные изотопы С10, С11 и С15 имеют период полураспада, измеряемый минутами, секундами и долями секунды, в результате чего практического значения для данного метода не имеют. С14 образуется в верхних слоях атмосферы на высоте 12—16 км под действием нейтронов, порождаемых космическими лучами. Будучи радиоактивным, С14 распадается с испусканием β-частиц, превращаясь в стабильный изотоп углерода.
Процессы непрерывного образования С14 в атмосфере и его радиоактивный распад находятся в динамическом равновесии, что обусловливает постоянную концентрацию радиоактивного изотопа в природе.
Изотоп С14, как и стабильный С12, окисляется кислородом воздуха, превращаясь в радиоактивную двуокись углерода, которая усваивается растениями в процессе фотосинтеза, а также растворяется в водах различных водоемов наряду с обычной двуокисью углерода. Таким образом, радиоактивная двуокись углерода равномерно распределяется по атмосфере, биосфере и гидросфере, в которых идет постоянный обмен этим веществом.
Если растения или животные выключаются (в результате гибели) из обмена, то с этого момента в них происходит постоянное уменьшение содержания С14 за счет его β-распада. Зная период полураспада С14, можно по количеству его в растительных и животных остатках определить время, прошедшее с момента гибели организмов. Различные торфа, состоящие из остатков отмерших растений, очень удобный объект для применения к нему радиоуглеродного метода. Последний позволяет определять абсолютный возраст образцов, т. е. выраженный числом лет, прошедших с момента гибели организмов. Пределы датирования этим методом составляют 50—60 тыс. лет. Таким образом, возраст современных торфяников, не превышающий 10—12 тыс. лет, может быть определен с достаточной надежностью.
Масса образца торфа, предназначенного для определения абсолютного возраста радиоуглеродным методом, в зависимости от конкретных лабораторных приемов, составляет от нескольких граммов до 2 кг. Радиоуглеродный метод определения абсолютного возраста требует сложного лабораторного оборудования, высококвалифицированных специалистов и очень трудоемок.
В настоящее время для определения возраста торфяных отложений широко используется спорово-пыльцевой анализ.
Спорово-пыльцевой анализ — палеоботанический метод, при котором используется статистический учет ископаемых пыльцы и спор в последовательных слоях разных геологических отложений с целью определения возраста отложений и реконструкций природной обстановки прошлого. Спорово-пыльцевой анализ, проводимый с целью определения возраста отложений, сравнительно простой и доступный для освоения. Результаты спорово-пыльцевого анализа на отдельных торфяниках достаточно подкреплены радиоуглеродными датировками. Сравнение вновь получаемых спорово-пыльцевых диаграмм с имеющимися, сопровождаемый радиоуглеродными датировками, позволяет с помощью спорово-пыльцевого анализа определять абсолютный возраст различных слоев торфяных отложений.
Метод спорово-пыльцевого анализа основан на том, что большинство растений производит огромные количества пыльцы или спор, которые рассеиваются, удерживаются различными поверхностями и захороняются по мере накопления фациальных отложений, в частности торфа. Экзина пыльцы большинства растений и экзоспорий спор отличаются большой прочностью, что позволяет им сохраняться неограниченно долгое время в толще геологических отложений, не утрачивая своих специфических морфологических черт. Пыльца (споры) растений может быть определена до ранга рода или даже вида. Современные полевые и лабораторные методики позволяют извлекать пыльцу и споры из последовательных слоев вмещающих их отложений, производить их количественный подсчет с последующей статистической обработкой (между количеством производимой растениями пыльцы и растительностью существует закономерная связь).
Осевшая на поверхность торфяника пыльца погребается нарастающими слоями торфа и как бы уходят в глубину, запечатлев в своем спектре состав современной ей, окружающей болото, растительности. И каждый новый слой залежи уносит с собой такой отпечаток, отражая в нем все изменения, какие претерпевает состав растительности в этот период. При отсутствии вмешательства человека состав этот довольно постоянен и меняется лишь под воздействием вековых климатических изменений.
Пыльца растений в торфяниках сохранила историю растительности и климатических изменений в послеледниковое время.
Возникновение метода пыльцевого анализа связано с развитием болотоведения и широким применением ботанического анализа торфа, сопровождавшегося постоянными и многочисленными находками пыльцы в торфе и озерных отложениях, их качественным и количественным учетом.
Метод пыльцевого анализа был применен в начале нынешнего века в Швеции, где отмечалось бурное развитие болотоведения. Кроме того, широко известны работы скандинавских ученых Мунте и А. Блитта о климатических периодах Скандинавии в послеледниковый период. А. Блйтт на основании многочисленных исследований строения торфяников, ботанического состава торфа выдвинул гипотезу о тесной связи растительности болот и общих климатических изменений в Скандинавии.
Одновременно схему климатических изменений разработал Мунте. Она была основана на исследованиях стадий развития Балтийского моря, выделенных на базе изучения ископаемых моллюсков в морских отложениях и остатков растений в отложениях суши. В развитии Балтийского моря Мунте выделил несколько эпох: иольдиевую (по находкам в морских отложениях моллюска Ioldia arctica, обитающего в холодных и соленых водах); анциловую (по остаткам в отложениях Ancylus fluvialilis и Limnaea ovata, обитающих в пресных водах) и литориновую (по остаткам Litorina litorea, обитающей в теплых водах).
Изменения в фауне Балтийского моря были вызваны изменениями границ теплового режима и засоленности воды Балтийского моря, определившим наряду с космическими причинами климат северной и средней полос Европейского материка.
В 1910 г. шведский геолог Р. Сернандер на основании своих исследований и работ Ю. Блитта, Мунте и др. составил таблицу климатпческих периодов послеледникового времени, вошедшую в науку под названием схемы Блитта — Сернандера. Эта схема не потеряла своей научной ценности до сих пор и широко используется при интерпретации результатов спорово-пыльцевого анализа голоценовых отложений разных континентов.
Климатические эпохи и периоды в этой схеме следующие.
Польдиевая эпоха. Арктический период: в Скандинавии климат соответствовал современной Южной Гренландии. На крайнем юге Скандинавии была тундра.
Анциловая эпоха. Субарктический период: в Скандинавии сначала господствовали березовые леса, которые затем сменились сосновыми. Бореальный период: сухой и теплый климат, появление дуба в Скандинавии. Каменный век.
Литориновая эпоха. Атлантический период: климат этого района был морской, мягкий, границы лесов поднимаются выше в горы и к северу. Распространяются лиственные леса с преобладанием дуба и липы. Суббореальный период: сухой и теплый климат; орешник распространялся к северу от современной своей границы. Появляются ель и бук. Бронзовый век. Субатлантический период: влажный и холодный климат. Бурный рост болот и торфяников. Северная растительность распространяется к югу. После максимального ухудшения климатических условий — постепенный переход к современному состоянию. Железный век, затем историческое время.
Схема Блитта — Сернандера сыграла большую роль в становлении пыльцевого анализа. Разработанная первоначально для узкого региона — Скандинавии, она в дальнейшем получила широкое распространение, так как отразила основные изменения климата и растительного покрова в голоцене. С развитием науки эта схема модифицировалась и детализировалась.
Л. Фон Пост сопоставил качественный и количественный состав пыльцы в последовательных слоях торфа со схемой климатических и растительных смен. Он отметил закономерные связи между возрастом торфяных слоев, климатическими изменениями и процентным составом пыльцы древесных пород в каждом слое. Помимо установления этой закономерности Л. Фон Пост показал, что послойное исследование пыльцы в торфе само по себе, независимо от других методов, дает ценный материал для определения относительного возраста торфяных отложений, а также для изучения климатических изменений в голоцене и изучения истории лесной растительности исследуемого района. Л. Фон Пост разработал теоретические основы метода, а также способы подсчета и оформления результатов анализа в виде диаграмм.
С 20-х годов, утвердившись повсеместно, пыльцевой анализ начал широко распространяться. С самого своего возникновения этот ботанический метод был тесно связан с геологией, в начальные этапы своего развития — с торфоведением. С 30-х годов с помощью этого метода помимо торфяных отложений и сапропелей стали исследовать отложения различного генезиса, механического состава и возраста, в том числе и самых древних, силурийских и кембрийских отложений.
Спорово-пыльцевой анализ нашел широкое практическое применение в геологии, особенно при исследовании угольных и нефтяных месторождении.
Для определения возраста торфяных отложений этот метод может быть использован в упрощенном варианте в виде пыльцевого анализа, при котором учитывается лишь пыльца древесных пород, которую достаточно различать до ранга рода. Под микроскопом пыльца древесных пород хорошо различима.
Спорово-пыльцевые диаграммы строят по системе прямоугольных координат, по оси ординат сверху вниз откладывают в определенном масштабе глубину взятия проанализированных образцов, а по оси абсцисс, слева направо, процентное содержание всех компонентов спектра. Точки, соответствующие содержанию пыльцы данного вида во всех образцах, соединяют прямыми линиями. Полученная таким образом ломаная линия будет показывать изменения содержания пыльцы данного вида на всем протяжении изучаемого разреза. Слева от диаграммы помещается обычно литологическая или стратиграфическая колонка разреза.
Другим наиболее распространенным способом построения пыльцевых диаграмм является раздельное изображение состава пыльцевых спектров. В этом случае вычерчивается столько отдельных графиков, сколько компонентов входит в состав спектра и должно найти отражение в диаграмме. Показатели глубин для всех графиков должны совпадать, оси абсцисс для каждого компонента самостоятельны и имеют один и тот же масштаб (Сладков, 1967).
За годы существования метода с его помощью была исследована история развития растительности различных территорий земного шара.
Громадный материал по исследованию истории лесов Советского Союза, полученный с применением метода спорово-пыльцевого анализа, обобщен М. И. Нейштадтом. Анализ большого числа конкретных пыльцевых диаграмм позволил охарактеризовать региональные (эталонные) типы пыльцевых диаграмм различных районов Советского Союза. Региональный тип диаграмм объединяет диаграммы, характеризующиеся определенным составом и соотношением пыльцы в пыльцевых спектрах, отражает последовательность в сменах господствовавших (или характерных) в прошлом древесных пород (и травянистых растений), что обусловливалось общим ходом развития физико-географической среды на данной территории и геологической историей последней.
Характерные для определенных территорий пыльцевые диаграммы регионального типа используются для определения возраста голоценовых отложений и их стратиграфического расчленения. Всего выделено 26 районов Советского Союза и соответственно 25 типов пыльцевых диаграмм (по III району — южная тундра и лесотундра Восточной Сибири и Дальнего Востока — региональная диаграмма отсутствует из-за недостаточности данных).
Рассмотрим несколько пыльцевых диаграмм. Диаграмма европейской части Советского Союза (среднерусский тип диаграмм) характеризуется присутствием пыльцы ели, сосны, березы, дуба, липы, вяза, орешника, ольхи, их закономерными сочетаниями и сменами. Все максимумы кривых древесных пород выряжены очень четко.
Колебания кривых пыльцы ели, смешанно-дубового леса и ольхи подчиняются общим закономерностям, и чередование их минимумов и максимумов сходно для всех диаграмм района. Распределение пыльцы сосны и березы дает более сложный рисунок, имеющийся в отдельных диаграммах.
Приведена пыльцевая диаграмма магелланикум-залежи торфяного месторождения «Марково-Сборное» (Ивановская область). Как видно из диаграммы, ход кривой пыльцы ели закономерен: он дает первый максимум в основании диаграммы с последующим снижением, затем количество пыльцы ели снова возрастает, давая второй максимум, больший, чем первый, на глубине 1,5—0,5 м (поздний голоцен). После этого кривая ели дает новое резкое снижение к поверхности торфяника абсолютное содержание пыльцы ольхи и смешанно-дубового леса на всем протяжении диаграммы невелико, а движение их кривых почти параллельно. Некоторое увеличение пыльцы пород смешанно-дубового леса (до 10%) совпадает с нижним максимумом ели на глубине 5,5 м. Это свидетельство относительно теплого климата в первые фазы послеледникового периода, отмечаемое в ряде диаграмм средне
русских торфяников. Второе, значительно большее увеличение пыльны этих пород отмечено в молодых слоях; ему сопутствуют максимумы орешника и ольхи (средний голоцен). К верхним слоям залежи количество пыльцы широколиственных пород снижается. Общий пыльцевой спектр в самом верхнем слое торфяника довольно верно отражает соотношение древесных пород в современных лесах средней полосы европейской части Советского Союза.
Пыльцевая диаграмма одного из торфяников с комплексной верховой залежью дает те же выступы кривых пыльцы, что и первая диаграмма. Но в нижней ее части, ниже первого максимума ели, резко выступает максимум пыльцы сосны, составляющей до 88% общего спектра. По-видимому, образование этого торфяника относится к более древним временам. Нижний максимум ели соответствует в стратиграфии слою гипновых торфов, ботанический состав которых (Scorpidium scorpioides, Calliergon trifarium) находит аналог в современном растительном покрове в сплавинах тундровых мелководных озер.
Процент пыльцы смешанно-дубового леса в общем спектре пыльцы по всей диаграмме незначителен. В верхней части диаграммы в пыльцевом спектре появляется пыльца западной древесной породы — граба.
Фускум-залежь торфяного месторождения «Морчуговское» достигает значительной мощности (9,7 м), поэтому кривые пыльцы в диаграмме дают растянутый рисунок, но с теми же характерными выступами пыльцы господствующих древесных пород. Нижний выступ ели невелик, но выше пыльца ели присутствует в спектре во всех горизонтах залежи. Второй (верхний) ее выступ (53%) отражает абсолютное господство ели в составе современных лесов. Пыльца смешанно-дубового леса и в этой диаграмме отмечена в незначительном количестве. Второй выступ приурочен к глубине 5,5—4 м, он растянут и достигает всего 11%. В пыльце смешанно-дубового леса пыльца дуба составляет не более 3%. Зато в общем спектре появляется пыльца восточных древесных пород: в нижнем горизонте диаграммы — пыльца лиственницы, в верхнем — пихты и кедра.
По трем приведенным диаграммам, несмотря на некоторые их особенности, обусловленные географическим положением торфяников, прослеживается общая закономерность выступов пыльцы господствующих древесных пород. Всякая другая диаграмма с любого торфяника при сопоставлении с приведенными может дать материал для суждения о возрасте этого торфяника. По диаграммам пыльцы можно также с приближенной точностью судить о спектре лесов для каждого из ее горизонтов и проследить историю развития древесной растительности в отдельных районах.
Для северной половины европейской части Советского Союза в целом преобладание тех или иных пород в спектрах наиболее древних торфяных месторождений дало основание разделить историю лесов послеледниковой эпохи на несколько периодов (начиная снизу диаграммы): нижний максимум ели, преобладание березы и сосны, максимум смешанно-дубового леса и ольхи, второй максимум ели, современный период березы и сосны.
Движение отдельных кривых рисует историю развития лесов по европейской части СССР в послеледниковое время в следующем виде. В холодные, суровые периоды, отраженные нижним горизонтом диаграммы, господствовали редкие еловые леса. С потеплением климата господство переходит к березово-сосновым лесам. С дальнейшим потеплением и увлажнением климата и естественной эволюцией лесов в разреженные сосновые и березовые леса проникают другие породы (ольха и широколиственные), создавая настоящие густые леса и продвигаясь далеко к северу и северо-востоку. На юго-западе СССР в пышных хвойно-широколиственных лесах довольно обычными породами в этот период являются бук, граб и ясень. С новым изменением климата в сторону похолодания в субатлантический период, вновь начинает быстро меняться состав лесов: в северных районах исчезают широколиственные породы, ольха, в западных — граб, ясень. Ель, напротив, скоро завоевывает господствующее положение.
Накопленный к настоящему времени обширный материал по спорово-пыльцевым и радиоуглеродным исследованиям торфяников Северной Евразии подытожен и уточнен Н. А. Хотинским.
Сравнение конкретных спорово-пыльцевых диаграмм с таблицей. составленной на основе последних исследований торфяников европейской части Советского Союза, дает возможность датировать различные слои вновь исследуемых торфяных отложений этого региона. Климатические колебания в других регионах (Западная Сибирь, Восточная Сибирь, Дальний Восток) были менее интенсивны, чем в европейской части.
Значительное потепление и смягчение континентальности климата в районах Сибири, приведшее к максимальному развитию темнохвойных еловых лесов (нижний, главный, максимум пыльцы ели на пыльцевых диаграммах), отмечено в бореальном периоде.
Диаграммы лесной полосы Западно-Сибирской низменности характеризуются постоянным присутствием пыльцы сибирского кедра, пыльцы пихты и отсутствием пыльцы широколиственных пород, а также ольхи. Пыльца лиственницы отмечается преимущественно в слоях, отложившихся в древнем голоцене. Примером сибирской пыльцевой диаграммы может служить диаграмма торфяного месторождения «Чагва — Васюган». Залежь — комплексная верховая, мощность 8,5 м. Нижние слои залежи образованы низинными торфами. В современном растительном покрове господствует грядово-озерковый комплекс.
Максимум пыльцы ели в нижней части диаграммы составляет 27%, выше участие ее снижается и до самого верха диаграммы держится в пределах до 10%. Пыльца лиственницы в небольшом количестве встречается в придонных слоях, пыльца кедра отмечается на всем протяжении диаграммы. Ее кривая достигает своего максимума (50%) на глубине 2,5 м, после чего скачкообразно снижается до 28% в современном спектре. Кривая пыльцы сосны в нижней части диаграммы, после резкого скачка влево, кверху колеблется лишь в незначительных пределах и, как правило, держится значительно левее кривой пыльцы березы. Последняя на глубине 2,5—3 м после крутого поворота влево сближается с кривой пыльцы сосны. Распределение на диаграмме максимумов и минимумов кривых отдельных древесных пород позволяет датировать торфяник раннеголоценовым возрастом.
В торфяниках нередки археологические находки, которые при сопоставлении их со стратиграфией могут служить основой для датирования. Результаты датирования археологами захороненных в слоях торфа находок предметов материальной культуры древнего человека (охотничьи орудия, свайные поселения неолита, дорожные сооружения бронзового века, римские и греческие монеты) также используются торфоведами.
В СССР обнаружена обширная стоянка древнего человека площадью 5—6 тыс. м2 в торфянике близ оз. Лача Архангельской области (М. Е. Фосс). Многочисленные охотничьи орудия, изготовленные из камня, кости, дерева, наконечники стрел, гарпуны найдены в двух культурных слоях, разделенных слоем осокового и гипнового видов торфа мощностью 10—15 см и погребенных слоем низинных лесных торфов мощностью 10—20 см. Анализ пыльцы, выполненный по разрезу, позволяет отнести отложения нижнего культурного слоя к суббореальному периоду, а археология более точно датирует возраст его серединой второго — началом первого тысячелетия до н. э.
Экспедиция Исторического музея под руководством проф. А. Я. Брюсова впервые на территории СССР на правом берегу р. Модлоны в Чарозерском районе Вологодской области обнаружила в слое ольхового торфа свайное поселение, состоящее из 10 небольших домиков, соединенных между собой узкими мостками-кладками. Найденные на свайном поселении кремневые ножи, типичные для каргопольской культуры, и наконечники стрел, типичные для беломорской культуры, позволили проф. А. Я. Брюсову синхронизировать это свайное поселение со стоянками культур, т. е. датировать его началом второго тысячелетия до н. э.
Диаграмма пыльцы, составленная на всю глубину шурфа, при раскопке свайного поселения была сопоставлена с диаграммой пыльцы для ненарушенной торфяной залежи на расстоянии 10 км от стоянки. Рисунок кривых пыльцы в первой диаграмме (небольшой растянутый выступ пыльцы смешанно-дубового леса и ясно выраженный выступ пыльцы ольхи) с большой; точностью совпал со второй диаграммой, что позволяет отнести слой ольхового торфа — местонахождение стоянки — к началу суббореального периода. К этому же приблизительно периоду относятся археологические находки в торфяных залежах средней полосы европейской части Советского Союза: на торфопредприятии им. Классона, Озерецко-Никольском торфянике близ Орехово-Зуево и др. Археологи профессора В. А. Городцов и Д. Н. Эдинг датируют их поздним неолитом, пыльцевой анализ относит их к суббореальному периоду.
Значительное число археологических находок известно для торфяных месторождении Урала. В течение ряда лет Д. Н. Эдинг изучал стоянки древнего человека, и им собрано здесь много орудий и предметов обихода, возраст которых он определил второй половиной второго — началом первого тысячелетия до н. э. Стратиграфический и пыльцевой материал приурочивает слой залежи, где были сделаны находки, к суббореальному периоду.
В торфяниках Западной Европы обнаружены дорожные сооружения, относимые археологами к бронзовому веку, а также известны находки более позднего, исторического, времени, например римские и греческие монеты. Все это позволяет достаточно точно датировать возраст торфяных отложений.