Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты

Рис. 1.1. Рисунки Стенона, на которых изображены голова препарированной акулы и окаменелые зубы (Steno, 1667, fol. 90)

Стенон выполнял и другие наблюдения, критически важные для развития геологии. В 1669 г. он написал небольшую книгу «О твердом, естественно содержащемся в твердом» (De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus)[16] – исследование горных пород в окрестностях Тосканы. Ученый обратил внимание на расположение пластов по отношению друг к другу и начал разрабатывать главные принципы стратиграфии, науки об осадках и слоях осадочных горных пород Земли. Геологи и сегодня продолжают полагаться на эти принципы.

Принцип суперпозиции, один из шести принципов, открытых Стеноном, гласит, что древнейшие горные породы залегают в самом низу последовательности слоев, а самые молодые – наверху, если не вмешивались никакие иные процессы. Сейчас эта мысль кажется очевидной, но во времена Стенона она была революционной, поскольку указывала на связь одного слоя с другим и дала начало концепции упорядочения отложений на основе возраста.

Согласно принципу горизонтального залегания слоев, сформулированному Стеноном, все осадки при прочих равных условиях отлагаются горизонтально под действием гравитации. Следовательно, если слои не горизонтальные, а наклонные или складчатые, в дело вмешивались другие процессы. В своем принципе латеральной непрерывности Стенон также обращает внимание на то, что пласты осадочных пород охватывают обширные участки, которые первоначально простирались во все стороны. Из этого следует, что слои пород, которые выглядят похожими, но в более позднем периоде оказались разделены, например, в результате речной эрозии, при образовании были непрерывными. Более того, если какая-то другая особенность проявляется или охватывает последовательность слоев, эта особенность обязательно сформировалась позже, что приводит к принципу секущих взаимоотношений (который Стенон сначала называл принципом формирования или формования, связанного с принципом «вверх-вниз»).

Стенон доказал, что ученый может раскрыть геологическую историю участка, исследуя и мысленно удаляя по одному слою в толще горных пород, начиная с вершины (самые молодые слои) и до основания (древнейшие слои). В результате появился принцип реконструкции (или бэкстриппинга – снятия слоев в обратном порядке). Эта процедура (рис. 1.2) начинается с анализа недавно сформировавшегося состояния (20 на рисунке), а затем, снимая один слой за другим во всей последовательности, ученый может прийти к расположению слоев (25 на рисунке) в более древние времена и таким образом понять, какие геологические процессы происходили.

Николаус Стенон, обладавший множеством талантов, был еще и минералогом и разработал еще один стратиграфический принцип: принцип включенных фрагментов (альтернативное название – принцип включений). Идея заключается в том, что если фрагмент другого минерала или горной породы обнаруживается в пласте осадочной породы, то он должен быть старше, чем содержащая его порода. Помимо разработанных принципов, Стенон также теоретически рассуждал о том, каким образом ископаемые остатки оказались внутри горных пород: по его мнению, когда-то вещество горных пород было жидким и слоями осаждалось на дно океана, в связи с этим животные оказывались в ловушке и образовывались окаменелости.

Рис. 1.2. Принцип реконструкции Стенона (Steno, 1916 [1669]. P. 226)

Теории Стенона иногда называют законами, но будет точнее называть их принципами. Законы – это утверждения и правила, выраженные математически, которые, по-видимому, на данный момент не имеют исключений и подкреплены повторяющимися проверками, как, например, законы движения, сформулированные Исааком Ньютоном. С другой стороны, принципы представляют собой руководящие концепции и теории явлений, продемонстрированные с преобладающим количеством доказательств. Они могут иметь, а могут и не иметь математическое выражение, как принцип суперпозиции Стенона.

Стратиграфические концепции преподают и в наши дни, и они стали основополагающими для понимания геологического времени. Работа и исследования Стенона дали начало одному из видов датирования геологических материалов – датированию относительного возраста, определяющему порядок слоев на основании их расположения по отношению друг к другу и соотношению во времени. При таком методе датирования для создания шкалы геологического времени были впервые использованы окаменелости.

Стенон обратился в католическую веру и в 1675 г. стал священником. При посвящении в сан он дал обет бедности, а в 1677 г. стал номинальным епископом Титиополиса, города бывшей Восточной Римской империи на территории современной Турции, которого больше не существует. Следуя своему обету, Стенон вел аскетическую жизнь, продав все, что можно, чтобы пожертвовать бедным. Этот добровольно выбранный аскетизм довел его до истощения, и в 1686 г. он скончался в возрасте сорока восьми лет. Другие ученые того времени игнорировали работы Стенона из-за его обращения к религии. Тем не менее хотя Стенон и оставил научную карьеру, но не забросил науку. Его биограф Йенс Мортен Хансен утверждает:

До самой смерти Стенон считал научное знание высшей формой восхваления Бога и утверждал, что религиозные домыслы не должны довлеть над научными доказательствами[17].

Стенон признан первым ученым современности, который подчеркнул значение окаменелостей и расположения слоев, не только заслуженно заняв почетное место в истории геологии, но и став предвестником появления почти век спустя «отца геологии».

Джеймс Геттон

Джеймс Геттон (1726–1797) – шотландский ученый, считающийся родоначальником современной геологии, – родился в 1726 г. Он был приверженцем градуализма и считал, что земные силы действовали медленно с течением времени и циклично, в отличие от приверженцев теории катастроф, таких как библейская история о Всемирном потопе. В молодости Геттон изучал медицину и стал врачом; научным изучением Земли он занимался всю жизнь, но до шестидесяти лет не публиковал свои результаты. Геттон жил и работал в Шотландии в эпоху Просвещения – в конце XVIII в. – и был современником Бенджамина Франклина, Дэвида Юма и Адама Смита. Вместе с Франклином, Юмом, Смитом, Джоном Плейфером и другими знаменитостями Геттон в 1783 г. стал одним из основателей Эдинбургского королевского общества, созданного по королевской грамоте для «продвижения образованности и полезных знаний». Собрания этого общества на первых порах проходили в библиотеке Эдинбургского университета.

Наряду с богатыми домами и салонами Эдинбурга и окрестностей Эдинбургское королевское общество было местом, где представляли и обсуждали идеи и научные открытия. Франклин посетил Эдинбург в 1759 и 1771 гг., встретившись с коллегами-мыслителями, и потом многие годы вел переписку с Геттоном и другими. Как и многие его коллеги, Геттон был деистом и считал, что Творец установил законы природы и создал мир для людей, которые посредством рационального мышления могут разгадать тайны Земли. Более того, как свидетельствуют сочинения Геттона, порой очень сложные, ученый пытался втиснуть свои открытия, касающиеся мира природы, в рамки этого деистского контекста.

В 1785 г. Геттон представил Эдинбургскому королевскому обществу доклад о своих геологических открытиях «К вопросу о системе Земли, ее возрасте и стабильности» (Concerning the System of the Earth, Its Duration, and Stability)[18], который был записан и опубликован три года спустя под названием «Теория Земли» (Theory of Earth). Полное сочинение в двух томах, состоящее почти из 1200 страниц, было опубликовано в 1795 г., за два года до смерти Геттона[19]. В «Теории Земли» Геттон разрабатывает свои более ранние идеи и отвечает на критику своих представлений со стороны оппонентов. В третьем томе, вышедшем после смерти ученого, излагается теория происхождения гранита: по утверждению Геттона, гранит – это горная порода магматического происхождения, то есть образовалась из расплавленной магмы, а не в результате процесса седиментации. Геттон связал формирование этих горных пород с «жаром» Земли и продвигал идеи плутонизма – названного в честь Плутона (бога подземного царства и жара) научного течения, сторонники которого верно утверждали, что магматические породы, созданные в огненной магме, в конце концов разрушались и накапливались в слоях осадочных пород. По мнению плутониста Геттона, первичные – или простые – породы были результатом внедрения или извержения магмы из недр Земли.

Геттон понимал, что осадки откладываются в течение длительных периодов, преимущественно в результате действия воды (рек и ручьев, а иногда и океанов), и залегают горизонтально (как наблюдал Стенон): древнейшие – на дне толщи, самые молодые – наверху. Со временем осадки литифицируются (превращаются в горную породу) в результате погружения и изменений температуры, а затем поднимаются наверх в ходе процессов горообразования, которые искажают и деформируют слои. Потом обнажившиеся породы разрушаются в результате эрозии, и со временем поверх нарушенных слоев откладываются новые осадки. Даже без многочисленных современных методов датирования Геттону было ясно, что для прохождения всех этапов одного из этих естественных процессов требуются миллионы лет. Так появилась теория униформизма.

Геттон также исследовал и обсуждал временные пробелы в геологической летописи, которые называются несогласиями (периоды геологического времени, в которых нет остатков горных пород, указывающих на поднятие массива, периоды эрозии или силы, под действием которых старые породы были разрушены в результате выветривания и эрозии, о чем свидетельствуют отсутствующие слои). Эти «неправильные соединения первичных и вторичных слоев»[20] крайне важны для понимания возраста Земли и шкалы геологического времени, потому что они показывают, как формировались слои горных пород в течение огромного периода. Геттон не первым обратил внимание на изменения углов и ориентации слоев горных пород, но он впервые правильно интерпретировал это явление и осознал последствия. Стенон отмечал изменения углов наклона слоев в своем сочинении «О твердом, естественно содержащемся в твердом», опубликованном в 1669 г.[21]. Швейцарские и французские геологи, в том числе Орас Бенедикт де Соссюр, который был еще и альпинистом, сообщали об изменениях в ориентации слоев горных пород в Альпах[22]. Геттону было известно об этих более ранних открытиях, и он занимался поиском соединений, где разные слои находились в контакте. Сначала он исследовал наклонные горные породы на северной оконечности острова Арран, но знал, что ему требуется больше данных. Друзья сообщили Геттону об обнажениях пород вдоль подвергшихся эрозии берегов реки Джед, где слои мергеля (осадочной горной породы из известняка и глины) и песчаника горизонтально залегали над другими слоями с выраженным наклоном. Геттон пришел к выводу, что почти вертикальные слои являются результатом поднятия и они старше, чем покрывающие их горизонтальные слои. Он утверждал, что какое-то событие разрушило поверхность тех слоев, что сейчас залегают ниже, но в течение длительного периода условия менялись, и поверх отлагались осадки в горизонтальном положении. Геттон документально зафиксировал явление, которое он назвал «великим несогласием» Инчбонни в Джедборо, Шотландия (рис. 1.3) в 1787 г. Идеи о роли «жара» Земли в формировании горных пород, представления о циклах и возрасте Земли все больше подтверждались во время полевых исследований Геттона, но ученому требовались дополнительные доказательства. Геттон начал искать другие примеры, где более молодые слои находились в контакте с гораздо более старыми, а промежуточные комплексы пород отсутствовали, что указывало на значительный разрыв во времени.

Дальнейшее подтверждение было найдено в скалах Сиккар-Пойнт (см. цветную вклейку 1.1). Услышав от сэра Джеймса Холла, политика, землевладельца и химика, об омываемом морем обнажении, Джеймс Геттон вместе со своим коллегой из Эдинбургского королевского общества Джоном Плейфером отправился на маленькой лодке, рискуя жизнью и здоровьем, исследовать угловое несогласие (когда смежные слои расположены под острым углом друг к другу). Наклонные слои красного песчаника залегали над впечатляющими почти вертикальными слоями сланцев (определенных как глинистый сланец и известняк) – такое расположение сейчас называется геттоновским несогласием. Эта особенность служила подтверждением существования пробела в геологическом времени. Геттон понял, что, вероятно, в период между образованием слоев сланцев и появлением слоев песчаника, расположенных под углом к ним, происходили какие-то серьезные события, в результате которых сначала более старые горные породы перевернулись и встали перпендикулярно, потом промежуточные слои разрушились в результате эрозии или были уничтожены, и осталась гладкая поверхность, на которую еще позже стал наслаиваться песок, и со временем он превратился в песчаник. К силам, которые способны привести к утрате слоев и явным пробелам в геологической летописи, относятся периоды нагрева, поднятия, действие рек или выветривание, причем все это происходит в течение огромного отрезка времени – миллионов лет.

Рис. 1.3. Великое несогласие Инчбонни в Джедборо (Hutton, 1795. Vol. 1. Plate III; гравюра с рисунка Джона Клерка из Элдина)

С идеей о том, что геологические изменения происходят медленно с течением времени, связан предложенный Геттоном додарвиновский принцип изменчивости, который, хотя и не дотягивает до теории эволюции, гласит, что живые организмы также постепенно меняются со временем. Геттон оспаривал выводы Петра Симона Палласа (1741–1811), немецкого зоолога и ботаника[23], о том, что останки сухопутных и морских животных, найденные вместе в Сибири, были занесены туда великим Ноевым потопом. Геттон утверждал, что в таком потопе не было необходимости: присутствие окаменелостей морских животных среди останков сухопутных млекопитающих можно объяснить геологическими процессами, перемещением их с водой, и действительно «когда-то слоны и носороги жили в Сибири»[24]. Джеймс Геттон так и не принял идею о вымирании целых видов, родов и семейств живых организмов и утверждал, что формы жизни остаются постоянными, хотя могут изменяться в определенных рамках[25].

Геттон скончался в 1797 г., но третий том его труда «Теория Земли с доказательствами и иллюстрациями» (Theory of the Earth: With Proofs and Illustrations), в котором были представлены не только его мысли о происхождении гранита, но и описания его путешествий и полевых исследований, был опубликован лишь в 1899 г.[26]. Эта 102-летняя задержка была связана с Лондонским геологическим обществом, потому что, как утверждал сэр Арчибальд Гейки, редактор последнего тома «Теории Земли», некоторые иллюстрации Геттона были неполными.

Надо признаться, описания путешествий в иногда запутанных сочинениях Геттона временами затрудняли понимание его идей, в том числе попыток объяснить свой деизм и то, каким образом ему удавалось примирить деизм с пониманием мира с точки зрения геологии. В черновом варианте предисловия к опубликованной в 1788 г. «Теории Земли», озаглавленного «Заметки, снимающие с представленной теории Земли подозрения в нечестивости» (Memorial justifying the present theory of the Earth from suspicion of impiety), Геттон пишет:

Религии принадлежит право учить, что Бог сотворил все сущее своей созидательной силой, что идеальная мудрость служила руководством в выборе целей и средств, и все было сделано из самых благих намерений. Но не религии дано рассказывать историю природы или осведомлять человечество о вещах, подлинно существующих; не религии учить о том естественном порядке событий, который человек, руководствуясь наукой, возможно, способен раскрыть и, благодаря мудро устроенному разуму, найти средства для его установления[27].

Геттон дальше обсуждает власть религии и науки. Он пытается предотвратить религиозную критику своей геологической теории, но по мере углубления в предмет его доводы становятся все более туманными. Друг и коллега Геттона Уильям Робертсон, ректор Эдинбургского университета, тактично внес поправки, пытаясь оградить ученого от религиозных споров и смягчить его многословность. Тем не менее, несмотря на эту помощь, Геттон решил не публиковать предисловие, и впервые оно появилось почти два столетия спустя, в 1973 г., в статье Денниса Дина «Джеймс Геттон о религии и геологии: неопубликованное предисловие к его “Теории Земли”» (James Hutton on Religion and Geology: The Unpublished Preface to His Theory of the Earth)[28].

После смерти Джеймса Геттона Плейфер решил написать биографию своего друга и наставника, посвятив время выделению сути идей, касающихся геологии, которые были скрыты в длинных и витиеватых описаниях Геттона, лишенных ясности и полных отступлений на богословские темы. В конце концов Плейфер временно отложил написание биографии и сосредоточился на придании ясности концепциям Геттона в области геологии. 1 июля 1799 г. Плейфер прочитал первую часть своего сочинения перед членами Эдинбургского королевского общества, а вторую часть представил на следующем заседании[29]. Итогом работы стала книга Плейфера «Изложение Геттоновой теории Земли» (Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth), опубликованная в 1802 г. В отличие от самого Геттона, Джон Плейфер понятно объяснял геттоновские концепции геотермальной теплоты и несогласий, его представления о циклах горных пород (процессах превращения горных пород из одного типа в другой) с точки зрения градуализма, а также идею, что периоды эрозии и поднятия являются повторяющимися событиями в истории Земли. Таким образом, Плейфер разъяснил геттоновскую теорию униформизма и его утверждение «настоящее – ключ к прошлому»[30]. Природные силы, действующие на Земле в настоящем, действовали и в прошлом с такой же интенсивностью и продолжительностью.

Плейфер наконец зачитал свои биографические заметки о Геттоне на заседании Эдинбургского королевского общества 10 января 1803 г., через пять лет после смерти Геттона, и опубликовал их в журнале The Transaction of the Edinburgh Royal Society[31]. Это была элегия и дань его другу и наставнику. Работа Плейфера, в которой представлены переработанные гипотезы и теории Геттона, обеспечила Джеймсу Геттону исключительное звание «отца геологии». Благодаря такой поддержке Плейфера через тридцать лет в сочинениях Чарлза Лайеля продвигаются идеи Геттона об униформизме, градуализме и магматическом происхождении горных пород.

Геологические исследования и сочинения Геттона вместе с интерпретацией Плейфера выдержали проверку временем. Из них можно получить сведения о следующих принципах: о древнем возрасте Земли; о циклах в геологии – включая поднятие и факторы эрозии; о влиянии рек; о тепловой энергии земного ядра, которая вносит вклад в развитие горных пород, формирование коры и недр; и о постепенных изменениях на протяжении длительных периодов в ходе процессов, которые продолжаются и сегодня. В опубликованной в 1788 г. «Теории Земли» Геттон сказал свою знаменитую фразу:

Таким образом, результат нашего настоящего исследования заключается в том, что мы не обнаружили ни следов начала, ни признаков будущего конца[32].

Абраам Вернер

Абраам Вернер (1750–1817) родился на век позже Стенона и на четверть века позже Геттона, в семье горных инженеров (в некоторых источниках годом его рождения указывается 1749-й). Его работа стала фундаментальной для понимания расположения горных пород по возрасту и источников их происхождения на основе принципов, установленных Стеноном[33]. Определяя последовательность горных пород, Вернер заложил основу для создания первой шкалы геологического времени и предложил метод классификации слоев Земли.

Отец Вернера был инспектором металлургического завода герцога Саксонского в Верау, Германия[34]. В детстве Абраам был хилым мальчиком, и болезнь преследовала его всю жизнь. Обучением Абраама в детстве занимался отец, и хотя Вернер, еще будучи ребенком, собирал и коллекционировал минералы, плохое здоровье не позволило ему и дальше заниматься полевыми исследованиями, когда он заинтересовался геологией. Вернер получил образование в Горной академии во Фрайберге и Лейпцигском университете и в возрасте двадцати шести лет был приглашен на должность преподавателя горного дела и минералогии, а также хранителя коллекции минералов во Фрайбергской горной академии. Он преподавал в университете следующие сорок лет, его лекции были живыми и увлекательными, и благодаря им минералы становились важными и интересными для его студентов.

Вернер внес значительный вклад в области распознавания, классификации и цветового анализа минералов. Он написал несколько книг на эту тему. Фундаментальный труд Вернера «О внешних признаках ископаемых тел» (Von den äusserlichen Kennzeichen der Fossilien) впервые был опубликован в 1774 г. (еще до того, как ученого пригласили преподавать в академии) и переведен на английский язык в 1805 г.[35]. Термин fossil («ископаемые тела»), введенный Георгом Агриколой (1494–1555) в работе «О природе ископаемых» (De natura fossilium), известной как учебник минералогии, использовался в Германии как для определения «земель» (собственно минералов), так и «фигурных камней» (окаменелостей)[36] вплоть до 1820 г., когда постепенно пришло осознание, что это две разные категории. Источником для формирования минералов в основном служат неорганические вещества, тогда как большинство окаменелостей образуются в результате жизнедеятельности живых организмов. Вернер формулирует свое определение минералогии как естественной истории «ископаемых тел». Он классифицировал минералы на основе систематических и логически понятных признаков, заложив основу современного подхода к изучению минералов.

Наряду с исследованием минералов Абраам Готлоб Вернер занимался изучением горных пород, их особенностей и последовательности их образования во времени – тем, что он назвал геогнозией. Особое влияние на него оказали работы его предшественников: немецких геологов Иоганна Готлоба Лемана (1719–1767) и Георга Кристиана Фюкселя (1722–1773)[37]. Леман и Фюксель, каждый по отдельности, обсуждали в своих сочинениях положение комплексов горных пород по отношению друг к другу на участке на севере Германии, в курфюршестве Саксония. В наши дни эти комплексы идентифицируются как горные породы триасового и пермского периодов. Вернер изложил свои представления о геологических формациях в изданной в 1787 г. брошюре «Краткая классификация и описание различных горных пород» (Kurze Klassifikation und Beschreibung der verschiedenen Gebirgsarten)[38]. Ученый разделил формации на четыре категории: «первозданные» (примитивные), «флецевые» (вторичные), «намывные» (аллювиальные) и вулканические. Вернер также добавил пятый тип – переходные горные породы между примитивными и вторичными слоями[39]. Это разделение основывалось на времени образования: по мнению Вернера, примитивные горные породы – самые древние, а аллювиальные и вулканические – самые молодые.

Леман также предположил, что когда-то океан покрывал весь земной шар[40]. Вернер продвигал эти идеи и предложил гипотезу, согласно которой формации образовались из частиц и осадков, отлагавшихся из бескрайнего моря. Таким образом, Вернер стал основоположником нептунизма (научного течения, названного по имени римского бога моря Нептуна; сторонники нептунизма считали, что горные породы образовались путем осаждения из воды). Гипотеза Вернера о происхождении горных пород в некоторых интерпретациях иногда трансформировалась в утверждение о том, что отложения стали результатом Ноева, или Всемирного, потопа, о котором говорится в Библии. Сам же Абраам Вернер никогда не упоминал о Библии или библейских историях в качестве сведений об источниках геологических процессов, и ученые, занимающиеся исследованием его сочинений, не считают его геологом, который рассматривал геологию с точки зрения Библии[41]. Вернер считал вулканические породы, такие как базальт (темная мелкозернистая порода), необычными, чуждыми, но полагал, что они образовались таким же образом, как и остальные – в результате отложения осадков из покрывавшего всю Землю океана, тогда как плутонисты, такие как Геттон, утверждали, что тепловая энергия и магма создали базальт.

Вернер по состоянию здоровья не мог много путешествовать, но студенты и ученые со всей Европы приезжали послушать его курсы и посетить его во Фрайбергской горной академии. Уже находясь на смертном одре, Абраам Вернер, член Парижской академии и английского Вернеровского общества естествознания, с большой радостью узнал, что в Кембридже, Оксфорде, Лондоне, Глазго, Дублине и Белфасте преподавание минералогии базируется на его принципах[42]. Вернер умер в 1817 г., оставив богатое наследие в виде научных работ, но он знаменит не только этим: ему удалось вдохновить множество молодых геологов на занятия наукой.