1

Становление геологии как науки: европейские корни

Наше повествование начинается с истории геологии с момента зарождения этой науки, когда геологией заинтересовались западные ученые, определившие ее основополагающие концепции, до начала XX века. Большинство первых исследователей не были геологами, поскольку такой официальной дисциплины еще не существовало, но они стали размышлять о странном устройстве Земли, имея профессиональную подготовку в разных отраслях науки, включая медицину, анатомию и химию. Даже юристы, священники и любители внесли свой вклад в формирование новой науки. Тем не менее у всех этих людей было нечто общее: они обладали пытливым умом и питали живой интерес к миру природы. Биографии исследователей демонстрируют, какой объем работы может проделать один человек, иногда при должном стечении обстоятельств, а также как области исследования разных ученых пересекались, влияли на полученные результаты и дополняли друг друга, особенно во времена, когда рационализм с его современным научным мышлением пришел на смену суевериям и буквальному толкованию Библии. Можно сказать, наука геология создавалась по кирпичику в процессе совместной работы, споров, обсуждений и решения жизненно важных вопросов. В процессе колонизации по мере развития торговли и коммуникации эти усилия распространились из Европы, места рождения науки, в Америку.

Эпоха Великих географических открытий и последовавшая за ней эпоха Просвещения XVII–XVIII вв. в Европе затронула все отрасли науки, особенно в том, что касалось стремления понять мир и природу как целое. Геология – молодая наука, если рассматривать ее возраст не только в очевидных масштабах геологического времени, но и в контексте того, насколько она применима для нужд человечества. Например, большинство основных принципов геологии были установлены лишь к концу XIX в. Некоторые фундаментальные геологические открытия – такие как определение возраста пород на основе измерения концентрации изотопов с известным постоянным периодом полураспада или разгадка движения литосферных плит – были сделаны совсем недавно, в XX столетии.

Вопросы о физическом строении Земли и остатках органической жизни в горных породах привели к зарождению научного познания в геологии. Эти два направления исследований то объединялись в единое целое, то разделялись, перекрывались и опять разделялись, подобно переплетающимся речным протокам, которые сначала идут вместе, а потом расходятся, но имеют общий источник. Таким общим источником был вопрос о том, как формировались отдельные слои породы, которые называются пластами, и какие окаменелости указывают на живые организмы, а какие – на горные породы.

Такие светила, как Леонардо да Винчи и датский ученый и епископ Николаус Стенон, были заинтригованы своими наблюдениями, сделанными в природе. Любознательность, проявляемая по отношению к горным породам, их местоположению и формам, порождала вопросы о том, что могут означать слои, выглядящие по-разному. Ученые, подобные указанным выше, обсуждали гипотезы и выдвигали идеи о происхождении горных пород и осадков^[11]. Затем перешли к объяснению строения горных пород на основе их местоположения и взаимоотношений между одним комплексом горных пород и другим. Стенон изучал пласты горных пород и обнаружил, что они отлагаются горизонтальными слоями, что привело к формулировке главных принципов стратиграфии – геологической науки, занимающейся изучением возрастных соотношений комплексов горных пород и последовательности их образования, – которые преподают и в наши дни. Эта работа сформировала основу для первой шкалы геологического времени. Еще одно направление исследований было сосредоточено вокруг вопроса о том, как останки океанских существ могли находить в местах, очень далеких от моря, на что впервые обратил внимание Леонардо да Винчи^[12].

Перечисленные выше первые исследования предшествовали работам Джеймса Геттона (Хаттона), шотландского ученого-натуралиста, которого считают родоначальником геологии. Геттон задался вопросом о том, насколько быстро и при каких условиях формируются слои горных пород, представив более широкую картину того, как различные части на поверхности Земли собираются в единое целое. Геттон предположил, что внутреннее тепло Земли является главным фактором, управляющим геологическими процессами. Следующий вопрос касался дальнейшего определения последовательности образования горных пород и их расположения по отношению друг к другу. Этим занимался Абраам Вернер, чьи исследования и ныне отвергнутая теория нептунизма позволили отчасти уточнить раннюю геохронологическую таблицу. Приблизительно в то же время, когда Вернер изучал горные породы в Германии, первые палеонтологи, такие как Этелдред Бенетт, начали работу по систематизации ископаемых остатков организмов, выстраивая логическую последовательность на основе первых систем классификации.

Другие ученые конца XVIII – начала XIX в., среди которых было все больше женщин, занимались более сложными и вызывающими затруднения окаменелостями. Сопоставляя ископаемые остатки с пластами горных пород на больших участках в Англии, Уэльсе и Шотландии, Уильям «Страта» Смит создал первую детальную геологическую карту всей Британии. Уильям Бакленд утверждал, что катастрофический Ноев потоп ответственен за образование множества пластов и расположение окаменелостей. Так, в соответствии с его теорией присутствие костей ископаемых животных в английской пещере объяснялось библейским потопом. В ответ на подобные катастрофические теории в геологии Чарлз Лайель, исходя из открытий своего соотечественника, шотландца Геттона, касающихся геологических процессов, разработал теорию униформизма, которая убеждала все более заинтригованную британскую публику в том, что Земля формировалась в результате тех же природных процессов, что наблюдаются и в современности, причем действовавших с такой же силой и интенсивностью.

В океанских отложениях юрского периода в скалах Дорсета палеонтолог Мэри Эннинг обнаружила останки неизвестных в то время животных – плавающих морских позвоночных. Мэри Эннинг не только мастерски определяла местонахождение таких сокровищ, но и проводила раскопки и зарисовывала свои находки. Жан Луи Родольф Агассис продолжил работу по изучению земных процессов: обнаружив присутствие огромных валунов из разных, далеких друг от друга мест, он теоретически обосновал, что они откладывались ледниками, и предположил, что ледниковый период, должно быть, затронул бо́льшую часть Северной Европы. Дальнейшие геологические исследования земной поверхности проводил Арчибальд Гейки, родоначальник геоморфологии – науки, занимающейся изучением отложений и процессов, действующих на поверхности Земли. Французские натуралисты, в частности Жорж Кювье, внесли важнейший вклад в палеонтологию – науку, изучающую ископаемые остатки и вымершие формы жизни. Кювье вместе с Александром Броньяром создал первую геологическую карту Парижского бассейна.

По мере развития повествования о первых геологах мы увидим, что в этих историях содержатся фундаментальные представления о геологии, которые в основном были классифицированы благодаря пониманию, казалось бы, непостижимых периодов времени – самой глубины веков. Зарождение геологии как науки было нелегким, и рассказы о первопроходцах в этой области позволяют представить науку, которая непосвященным кажется скучной и ничем не примечательной, более человечной. Более того, рассказ об истории геологии сквозь призму биографий ее основателей дает возможность оценить, насколько важно для создания базовых концепций этой науки было совпадение времени значительных научных достижений с определенными периодами жизни отдельных удивительных личностей. Мы живем на Земле, и она поддерживает нас. Способна ли какая-нибудь другая наука оказывать подобное влияние на жизнь, а жизнь, в свою очередь, так влиять на науку?

Научные достижения в геологии: Европа

Николаус Стенон

Николаус Стенон (1638–1686; при рождении получил имя Нильс Стенсен, которое ученый впоследствии латинизировал и стал известен как Николаус Стенон (Стено, Стенониус) родился в Копенгагене в семье ювелира-лютеранина. В раннем детстве Николаус отличался слабым здоровьем, и поэтому общению со сверстниками предпочитал дружбу с более взрослыми друзьями семьи, которые способствовали формированию у мальчика серьезного склада ума. Стенон изучал медицину и в 1660 г. отправился в Амстердам, чтобы продолжить образование у анатома Герарда Блазиуса. Во время пребывания в Амстердаме Стенон сделал открытие: он обнаружил проток околоушной слюнной железы, по которому секрет железы поступает в рот. Ныне этот проток называют стеноновым, ductus stenonianus, а Стенон получил заслуженное признание после того, как его наставник попытался приписать это открытие себе. После нескольких лет работы в Лейдене и Париже по приглашению великого герцога Фердинанда II Стенон приехал во Флоренцию, где стал членом Академии дель Чименто (Академии опыта), первого научного сообщества Европы.

В 1666 г. внимание герцога привлекла гигантская белая акула, пойманная рыбаками в Средиземном море. Стенон по просьбе герцога провел препарирование и был поражен, увидев у акулы тринадцать рядов зубов. Ученый интуитивно понял, что зубы похожи на камни в форме языка – глоссопетры (glossopetrae) (рис. 1.1), которые были обнаружены в пластах горных пород высоко над уровнем моря^[13]. Стенон не был первым, кто соотнес ископаемые глоссопетры с зубами живых акул, но он подтвердил эту догадку с помощью анатомического исследования, опубликовав результаты в 1667 г.^[14] вместе с иллюстрациями препарированной головы акулы и образцами глоссопетр^[15]. После этого ученые стали рассматривать окаменелости как останки древних животных, сохранившиеся в слоях осадочных пород. Стенон выдвинул гипотезу о том, что древние зубы, найденные в осадочных породах, превратились в камень в результате процесса «корпускулизации», при котором «корпускулы», или молекулы, исходного вещества были замещены молекулами минералов. Возникал еще один вопрос: почему эти окаменелые зубы находили так далеко от океана? Стенон пришел к выводу, что, вероятно, очень давно или поднялся уровень моря, в результате чего затопило сушу, или произошло поднятие дна океана, и образовался новый участок суши. Если верно последнее, то условия окружающей среды, должно быть, изменились кардинально.

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.

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.

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, благода…