Текст книги "История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие"

Джеймс Хаттон

Назову некоторых гениев шотландского Просвещения. Это легендарный философ-скептик Дэвид Юм и экономист Адам Смит, в работе «Исследование о природе и причинах богатства народов» впервые описавший капитализм. Химик Джозеф Блэк (1728–1799) и Джеймс Уатт (1736–1819), один из изобретателей современного парового двигателя, запустившего промышленную революцию. Наконец, тихий молодой джентльмен по имени Джеймс Хаттон (рис. 4.1).

Хаттон родился в Эдинбурге 3 июня 1726 г. в семье известного торговца и городского казначея. Несмотря на то что отец Хаттона умер, когда ребенок был совсем мал, Джеймс смог получить образование в местной школе и в Эдинбургском университете. Хотя его всегда интересовала химия, Хаттон стал юристом. Однако в качестве ученика юриста он нередко вместо копирования документов развлекал своих коллег химическими экспериментами. Вместе со своим другом Джеймсом Дэви он интересовался производством аммониевой соли (то есть хлорида аммония, NH₄Cl) из угольной сажи. В результате еще до окончания первого года учебы Хаттон отказался от юриспруденции, обратившись к изучению медицины, поскольку в то время это был единственный способ изучать химию или любую иную естественную науку. Он провел три года в Эдинбургском университете, затем два года в Париже и получил медицинскую степень в Голландии в сентябре 1749 г. (Отъезд в Париж помимо прочего помог ему избежать скандала в Шотландии: он стал отцом внебрачного ребенка.)

Рис. 4.1 Портрет Джеймса Хаттона (Геттона). Источник: Wikimedia Сommons

Однако медицинская практика не привлекала Хаттона. Его сотрудничество с Дэви в разработке недорогого метода производства хлорида аммония оказалось успешным, и это прибыльное дело позволило Хаттону заняться управлением семейными угодьями – в частности, фермой Слайхаузиз в Бервикшире. Он использовал свои знания, чтобы эффективно экспериментировать с новейшими сельскохозяйственными технологиями. Расчистка ландшафта, рытье канав и дренажные работы приводили к появлению множества свежих срезов местных коренных пород, которые притягивали его внимание. В 1753 г. он писал, что «очень полюбил изучать поверхность земли и с тревожным любопытством заглядывал во все ямы, канавы и речные русла, попадавшиеся ему на пути». К 1765 г. хозяйство и компания по производству хлорида аммония процветали, и у Хаттона было достаточно средств, чтобы в 1768 г. сдать ферму в аренду. Тогда он вернулся в Эдинбург, решив заниматься наукой.

Благодаря отцовскому наследству и доходу, получаемому от ферм и от производства хлорида аммония, Хаттону не приходилось зарабатывать на жизнь. В результате у него оставалось много свободного времени для общения со своими друзьями, прежде всего с Адамом Смитом и Джозефом Блэком. Вместе они создали еще одно дискуссионное общество – «Устричный клуб», собираясь каждую пятницу в два часа дня, причем всякий раз в новой таверне, поскольку эти встречи часто привлекали слишком большое внимание. В своем кругу они обсуждали искусство, архитектуру, философию, политику, физику и экономику, рассказывали о собственных проектах. По словам Хаттона, дискуссии были «неформальными и забавными, несмотря на их большую ученость». Среди участников встреч были Джеймс Уатт и Джон Плейфер, математик, сделавшийся главным сторонником Хаттона среди геологов, а также многие другие ученые и натуралисты из университета. Почетным гостем стал побывавший в Эдинбурге Бенджамин Франклин. Один швейцарский химик, посетивший город, так охарактеризовал «Устричный клуб»: «У нас здесь есть клуб, состоящий только из философов. К нему принадлежат доктора Адам Смит, Хаттон, Каллен, Блэк, мистер Макгоуэн, и я тоже его член. Таким вот образом раз в неделю я оказываюсь в самой просвещенной и приятной, веселой и дружеской компании».

Униформизм

Как состоятельный землевладелец, вникавший в сельское хозяйство, Хаттон совершенствовал ведение работ в семейных поместьях, расположенных на юго-востоке Шотландии. Он изучал, как формируются почвы, разрушаются осадочные породы и накапливаются слои отложений, когда реки несут их в море. Благодаря этому ученый получил представление о выветривании горных пород и о том, как медленно формируются и откладываются осадочные породы. Он побывал у древнеримского укрепления недалеко от шотландско-английской границы, известного как Вал Адриана (рис. 4.2), и обратил внимание на то, что сооружение не особо подверглось выветриванию и практически не разрушилось более чем за 1600 лет с момента постройки в 122–128 гг. н. э. Процесс выветривания целых горных хребтов, понял тогда Хаттон, должен занимать несравненно больший срок.

Рис. 4.2 Когда Хаттон побывал у Вала Адриана в 1770-х гг., укрепление еще не разрушилось и не слишком изменилось за годы существования, хотя со времени его строительства в начале II в. прошло свыше 1600 лет. Это убедило Хаттона в том, что процессы, разрушающие целые горы, должны идти крайне медленно. Фото автора

Хаттон посвящал свое время чтению научной литературы и много путешествовал, осматривая выходы горных пород и наблюдая за ходом природных процессов. Используя основной принцип закона природы, которому следовали все ученые эпохи Просвещения, он применил этот подход и к Земле. По его мнению, сверхъестественные катастрофы – такие как библейский Всемирный потоп, – бесполезны в качестве научных объяснений, потому что их нельзя проверить с помощью природных законов или фактов. Хаттон отказался от теории катастроф (катастрофизма) и утверждал, что те природные законы и процессы, которые действуют в настоящем, должны были действовать и в прошлом. Эту мысль часто называют принципом униформизма, а геолог Арчибальд Гейки сформулировал его как «Настоящее – ключ к прошлому». Идеи Хаттона, в том числе принцип униформизма, были впервые официально представлены Эдинбургскому королевскому обществу в 1785 г. А в 1788 г. в «Трудах Эдинбургского королевского общества» были напечатаны две его статьи под общим названием «Теория Земли, или Исследование законов, наблюдаемых в образовании, растворении и восстановлении суши на планете». Наконец, в 1795 г. он опубликовал полностью свой двухтомный труд «Теория Земли».

Ошеломляющие идеи Хаттона решительно опережали его время. К концу XVIII в. ученые многое знали о горных породах, пластах и окаменелостях, однако общей геологической теории еще не существовало. В частности, ее появлению препятствовало все еще широко распространенное представление о том, что Земля появилась около 6000 лет назад – в соответствии с интерпретацией книги Бытия, предложенной Ашшером и Лайтфутом. Некоторые геологи считали, что осадочные породы образовались, когда из вод Всемирного потопа осело в огромном количестве минеральное вещество. Многие ученые осознавали важность разрушительных процессов эрозии, однако аналогичного объяснения для поднятия и образования ландшафта не существовало.

Самое глубокое представление о времени, которое должен был занять такой процесс, Хаттон получил, обнаружив в береговых обнажениях явление, известное сейчас под названием углового стратиграфического несогласия (рис. 4.3). Угловое несогласие стало для Хаттона доказательством огромного возраста Земли. Он увидел, что наклонные слои, обнажающиеся в нижней части обрывов, были некогда отложены горизонтально в русле водного потока или на дне океана, затвердели в виде песчаников и глинистых сланцев, а затем приняли вертикальное положение под действием каких-то чрезвычайно мощных сил. Отчетливо выраженная эрозионная поверхность, срезающая эти нижние наклонные пласты, вероятно, была результатом их поднятия в горные хребты с последующим выветриванием и разрушением в течение миллионов лет. Наконец, горизонтальные пласты в верхней части наблюдаемых обнажений представляют собой еще одно длительное послойное накопление отложений на дне реки или океана, которое также заняло миллионы лет, если принять современные скорости осадкообразования. С учетом всего вместе взятого любое отдельное угловое несогласие должно было соответствовать как минимум миллионам лет, а не тем 6 тысячам, о которых говорит Библия.

В 1787 г. Хаттон обнаружил угловое несогласие на восточном берегу реки Джед-Уотер южнее города Джедборо (рис. 4.3А). В 1795 г. он писал:

Меня удивило появление вертикальных пластов в русле реки: я был уверен, что берега сложены горизонтальными пластами. Вскоре я удовлетворился этим феноменом и порадовался своему счастью, наткнувшись на предмет, столь интересный для естественной истории Земли, который я так долго и тщетно искал… Над этими вертикальными слоями располагаются горизонтальные пласты, протянувшиеся по всей местности.

Рис. 4.3 Угловые несогласия в Шотландии. (A) В Инчбонни, долина реки Джед-Уотер к югу от Джедборо; нарисовано Джоном Клерком для книги Хаттона. Круто наклоненные силурийские schistus[20]20
  Латинское обозначение сланцев, которое использовалось во времена Хаттона. – Прим. ред.


[Закрыть] залегают под эрозионной поверхностью, которая срезала песчаники и глинистые сланцы этой толщи после того, как они были опрокинуты. Затем они оказались перекрыты практически горизонтальными слоями девонского древнего красного песчаника. (B) Знаменитое угловое несогласие на мысе Сиккар-Пойнт. В обнажении видны те же, что и в Джедборо, силурийские schistus, перекрытые слоями девонского древнего красного песчаника. Источник: Wikimedia Сommons

Хаттон продолжал исследовать обнажения пород в Шотландии (см. главу 5) в поисках подтверждения своих взглядов, позднее изложенных в «Теории Земли». Он обнаружил новые примеры угловых несогласий в Тевиотдейле и на острове Арран, но эти обнажения с трудом поддавались датировке. Однако в 1788 г. он отправился на небольшом судне вдоль побережья Бервикшира со своими друзьями и сторонниками Джеймсом Холлом и Джоном Плейфером. Он знал, что если двигаться побережьем от Эдинбурга к юго-востоку, то обнажения представлены вертикально наклоненными песчаниками и глинистыми сланцами – schistus (сейчас известно, что они относятся к силурийскому периоду и насчитывают 435 млн лет). Но если вы двигаетесь с юга, то обнажения сложены в основном горизонтальными слоями древнего красного песчаника (они относятся к позднему девону, а возраст их составляет 370 млн лет). Как любой хороший детектив (или геолог), Хаттон понимал, что на побережье должно обнаружиться место встречи этих двух толщ. Наконец он нашел то, о чем догадывался, на мысе Сиккар-Пойнт (рис. 4.3В).

Плейфер так писал о том знаменательном дне:

Нам, впервые увидевшим этот феномен, будет трудно забыть свое впечатление… Мы с неизбежностью ощущали, что перенеслись в те времена, когда сланец, на котором мы стояли, находился еще на дне моря, а песчаник перед нами только начал отлагаться в форме песка и ила из вод океана, покрывающего древний континент… Разум, кажется, кружился, заглянув так далеко в бездну времени; и когда мы слушали с серьезностью и восхищением философа, который сейчас раскрывал перед нами порядок и последовательность этих удивительных событий, мы осознавали, насколько дальше может иногда двинуться ум по сравнению с тем, куда может осмелиться идти воображение.

Идеи Хаттона, как уже сказано, сильно отличались от представлений его времени. Он утверждал, что осадочные породы некогда были илом и песками, которые смывались с суши в океаны, аккумулировались там в пласты, а затем затвердевали, превращаясь в горные породы. Но он полагал, что такое превращение происходило не просто из-за осаждения песка и ила из водного раствора, а благодаря воздействию давления и нагревания, что подтвердила современная геология.

Хаттон считал, что совокупность этих геологических процессов может полностью объяснить нынешние формы рельефа во всем мире и потому нет необходимости прибегать к библейским толкованиям. Наконец, он заявлял, что процессы эрозии, отложения, трансформации осадков и поднятия горных хребтов были циклическими и многократно повторялись в истории планеты. Поскольку такие циклы занимают огромные промежутки времени, Хаттон писал, что возраст Земли должен быть непостижимо велик. По его словам, геологическое время безмерно и практически бесконечно: «ни следов начала, ни перспектив конца». Как отмечал палеонтолог Стивен Джей Гулд, Хаттон «раздвинул границы времени, внеся тем самым наиболее выдающийся и преобразующий вклад геологии в человеческую мысль – Глубокое время».

05. «Великая тепловая машина земли»: происхождение магмы
Магматические дайки

Вулкан создан не для того, чтобы ужасать суеверные умы и ввергать их в приступы благоговения и набожности. Его следует рассматривать как вентиляционное отверстие печи.

Джеймс Хаттон

Нептунизм против плутонизма

В конце XVIII в. первые натуралисты эпохи Просвещения все еще находились под сильным влиянием книги Бытия и мифа о Всемирном потопе. Такие ученые, как Джованни Ардуино (1714–1795), пытались втиснуть все имеющиеся горные породы в упрощенную последовательность. Сначала шли твердые кристаллические «первичные» породы (гранитные и метаморфические, например, сланцы или гнейсы), которые предположительно образовались при сотворении Земли. Их покрывали «вторичные» породы – осадочные слои, часто имевшие вид складок и деформированные, содержащие окаменелости. (Сегодня большинство этих пластов «вторичных» пород относят к интервалу геологического времени от девонского периода до мелового.) По мнению некоторых натуралистов, «вторичные» слои преобладали и представляли собой отложения, созданные Всемирным потопом. Над ними находились рыхлые отложения и слабо сцементированные осадочные породы, называемые «третичными» слоями – предположительно, «послепотопными».

Такие упрощенные понятия о геологической летописи могут быть занимательными, если не выбираться в реальный мир и не смотреть на реальные породы. Однако большинство геологов того времени не предпринимали дальних путешествий и не проверяли свои идеи на новых обнажениях, а подгоняли ограниченные вскрытые разрезы горных пород Северной Европы под свои заранее принятые догмы. Теория, предполагавшая, что горные породы образовались под воздействием воды (обычно подразумевается все тот же Всемирный потоп), получила название нептунизма – по имени Нептуна, римского бога морей. Нептунисты утверждали, что даже лавовые потоки некогда откладывались в воде. Их противники, однако, возражали, что потоки лавы когда-то образовались из горячей расплавленной породы, а не из воды, и потому приверженцев таких воззрений называли плутонистами, а их теорию – плутонизмом (в честь Плутона, римского бога горячего вулканического подземного мира).

Родоначальником нептунизма был немецкий естествоиспытатель, профессор минералогии во Фрайбергской горной академии Абраам Готтлоб Вернер (1749–1817). Говорили, что Вернер был завораживающим оратором и под влиянием его личности практически все, кто слушал его выступления, становились его сторонниками. Идеи Вернера были весьма популярны в Европе – в первую очередь из-за мощи аргументов и силы его индивидуальности, однако они не опирались на тщательное изучение обнажений на сколь-нибудь обширной территории. (Впрочем, сам ученый не утверждал, что слоистые осадочные породы и потоки лавы являются отложениями времен Всемирного потопа, как считали многие его современники, а просто предполагал, что они откладывались в воде.) Его учеников можно было найти во всех крупных европейских университетах, включая Эдинбургский, где непоколебимым нептунистом был Роберт Джемсон, ставший непримиримым соперником Джеймса Хаттона. Убежденным нептунистом был даже великий поэт и натуралист Гёте. В четвертом акте «Фауста» есть диалог между нептунистом и плутонистом, в котором Мефистофель явно представляет злую плутонистскую точку зрения.

Вы можете задаться вопросом: «Как кто-нибудь мог думать, что вулканическая порода формировалась в воде?» Вспомните, что химия в то время находилась в зачаточном состоянии, поэтому никто ничего не знал о температуре и давлении, необходимых для плавления горных пород. Мало кто из европейцев когда-либо видел потоки лавы. Сейчас мы можем посмотреть видеоролики, на которых раскаленная докрасна лава течет из действующих вулканов, подобных Килауэа, но во времена Хаттона лишь немногочисленные европейцы уезжали далеко от родных городов, и никто не наблюдал извержения вулкана, если только не оказывался на юге Италии в тот момент, когда проявляли активность Везувий, Стромболи или Этна, причем эти вулканы в основном порождают пепел, а не лавовые потоки. Французский геолог Никола Демаре (1725–1815) отмечал в 1774 г.: потухшие вулканы исторической области Овернь на юге Франции доказывают – здесь некогда шли активные извержения, о чем говорят вулканические конусы и множество выветрившихся потоков лавы. Одно это должно было подтвердить правоту плутонизма, хотя нептунизм еще много лет оставался доминирующей теорией.

Тем не менее когда Джеймс Хаттон продумывал свою грандиозную схему гор, которые поднимаются и разрушаются, он пришел к убеждению, что граниты и базальты, сформировавшие потоки лавы, появились не в воде: их создали горячие расплавленные породы, известные как магма. Однако в Северной Европе не было действующих вулканов, и Хаттон никогда не видел, как потоки лавы движутся по территории. Из-за отсутствия таких фактов Хаттон искал места, где граниты или базальты проплавили себе дорогу сквозь ранее существовавшие породы либо вторглись в окружающие породы, прокалив их своим огромным жаром.

Долина реки Тилт и утесы Солсбери

Первые подсказки Хаттон получил, когда заметил, что в гравии реки Тилт, текущей на юг от гор Кернгорм в Хайленде севернее Эдинбурга, полно как гранитных окатышей, так и обломков более древних метаморфических пород. Поэтому он понимал, что где-то в ложе реки должны быть обнажения пород обоих этих видов и что он, возможно, увидит место, где они контактируют друг с другом. В 1785 г. он проехал вверх по долине Тилта и остановился на ночь в местечке Форест-Лодж. На следующий день, исследуя обнажения в русле Тилта у моста Дэйл-ан-Эс возле Форест-Лодж, ученый обнаружил то, что искал: жилы кирпично-красного гранита, прорезавшие более древние метаморфические породы и пропекшие их в зонах контакта (рис. 5.1). Увиденное служило доказательством того, что граниты когда-то были расплавленной магмой, а не образовались в воде! Кроме того, эти граниты должны были быть моложе окружающих сланцев, и, следовательно, не все такие породы сформировались при первоначальном творении Земли, как описано в Бытии.

Рис. 5.1 Гранитные интрузии в долине реки Тилт, которые помогли подтвердить плутонистскую точку зрения Джеймса Хаттона. (A) Обнажение выше моста Дэйл-ан-Эс в его современном состоянии (вид на северо-восток, вверх по долине): видны белые жилы гранитов, прорывающие темные докембрийские сланцы Хайленда (Северо-Шотландского нагорья). Фото Британской геологической службы. (B) На иллюстрации Джона Клерка из посмертного издания книги Хаттона показаны дайки, прорывающие более древние породы. Источник: Wikimedia Сommons

Рис. 5.2 Трон Артура – жерло потухшего вулкана каменноугольного периода, которое возвышается над южной частью Эдинбурга. Уступы на переднем плане – Утесы Солсбери, вулканические силлы[21]21
  Силл – пластообразное интрузивное тело, параллельное окружающим слоям; образуется, когда магма внедряется вдоль пластов.


[Закрыть], возникшие в результате внедрения магмы вдоль напластования вмещающих каменноугольных осадочных пород. Хаттон жил в доме у подножия Утесов Солсбери (справа на снимке) и часто бродил по окрестностям со своей собакой Мисси. Снимок сделан недалеко от Эдинбургского замка, который располагается на другом жерле того же вулкана. Источник: Wikimedia Сommons

Однако Хаттону требовалось нечто еще более убедительное: потоки лавы, внедренные в сформировавшиеся в воде слоистые отложения. Когда исследователь бродил по холмам к югу от Эдинбурга со своей собакой Мисси, он понял, что возвышающаяся над городом гора Трон Артура – жерло древнего вулкана (рис. 5.2), а Утесы Солсбери в северной части горы – уступ древних вулканических пород. Наконец, на юго-западных склонах этих утесов он нашел то, что предвидел: интрузии базальтовой лавы, которая расплавила слоистые осадочные породы и в ходе этого процесса даже деформировала их (рис. 5.3). Это знаменитое место получило название Разрез Хаттона, и его регулярно посещают студенты, изучающие геологию. В 1786 г. Хаттон нашел подобный пример в области Галлоуэй, а в 1787-м – еще один на острове Арран.

Рис. 5.3 Разрез Хаттона на Утесах Солсбери. (A) На обнажении в его современном состоянии можно увидеть прокаленные и деформированные осадочные слои (внизу) с окружающими их магматическими породами (вверху). (B) Крупный план правой стороны этого обнажения, показывающий изогнутые осадочные слои, окруженные внедрившимися магматическими породами. Фото автора

Хаттон и его друзья-химики, в том числе Джозеф Блэк и сэр Джеймс Холл, также гораздо лучше, нежели другие ученые того времени, представляли себе химию горных пород, Хаттон знал, как выглядят минералы, образующиеся в результате химического осаждения из воды (например, соль), и мог видеть, что магмы не образуются в воде. Когда в 1768 г. Хаттон переехал в Эдинбург, он работал с Блэком, который разделял его любовь к химии – важнейшему инструменту для понимания воздействия на горные породы высокой температуры. Блэк ввел понятие скрытой теплоты и осознал важность давления при нагревании веществ. Например, вода под давлением остается жидкой, даже если ее нагреть до температуры, которая обычно превращает воду в пар. Эти идеи, касающиеся роли тепла и давления, станут ключевыми для теории Хаттона, объясняющей, как погребенные осадочные отложения превращаются в горные породы. В 1792 г. Холл провел эксперимент: он расплавил кусок базальта при температуре в диапазоне от 800 до 1200 ℃; затем при медленном охлаждении расплав снова перекристаллизовался в базальт. Это был один из первых экспериментов в геологии, и он показал, как должны выглядеть расплавленные горные породы в природе.