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 XVIIXVIII 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 (16381686; 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.
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: