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

Динамичная Земля

Читая сообщения о горячих источниках и вулканах (хотя и ни разу не побывав на них), Хаттон убедился, что Земля в ее центре горячая и расплавленная; источник тепла он называл «великой тепловой машиной Земли». По его словам, «вулкан создан не для того, чтобы ужасать суеверные умы и ввергать их в приступы благоговения и набожности. Его следует рассматривать как вентиляционное отверстие печи». О правоте геолога свидетельствовали и угольные пласты, пропекшиеся под действием прорвавшей их лавы. Он считал, что эта «тепловая машина» ответственна за поднятие и создание гор, которые затем превращались в осадочный материал, смываемый в море. Эти процессы происходили в бесконечном цикле поднятия, эрозии, образования отложений и нового поднятия. Идеи Хаттона стали частью представления о динамичной Земле, которая была невероятно старой – и в то же время постоянно перестраивающейся и трансформирующейся, – а вовсе не молодой и практически не менявшейся с момента своего сотворения 6000 лет назад, согласно Библии.

Хаттон изложил свои идеи в статьях 1788 г., а затем в переработанном двухтомнике «Теория Земли» 1795 г. Однако концепцию геолога приняли не сразу – отчасти потому, что его тексты были очень трудны для чтения и понимания, и когда ученый умер в 1797 г., его теория все еще не получила широкого признания. Впрочем, в 1802 г. его ученик Джон Плейфер опубликовал книгу «Иллюстрации к Хаттоновой теории Земли» (Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth), которая была более доходчивой и стала популярной среди читателей (к тому же в ней были иллюстрации Джона Клерка, друга Хаттона, которые помогали понять, что имел в виду ученый).

Потребовалось еще одно поколение, чтобы революционные научные идеи получили признание в геологическом сообществе. Это произошло благодаря молодому человеку по имени Чарльз Лайель (рис. 5.4), который родился в 1797 г. – год смерти Хаттона. Изначально он изучал юриспруденцию, чтобы стать адвокатом, но вскоре она ему наскучила, и в качестве хобби он занялся молодой наукой геологией. Он много путешествовал по Европе, наблюдал разнообразные геологические явления и изучал их с униформистской позиции Хаттона. Итогом стало появление главного труда Лайеля, «Основные начала геологии» (Principles of Geology), который вышел в трех томах с 1830 по 1833 г.

Рис. 5.4 Чарльз Лайель в последние годы жизни, после того как он был посвящен в рыцари и стал одной из самых уважаемых фигур в науке благодаря своим книгам об униформистском подходе к геологии. Источник: Wikimedia Сommons

Эта книга написана как краткое юридическое обоснование (которое, о чем вам скажет любой юрист, никогда не бывает кратким). Собрав все наблюдения из путешествий и выводы из прочитанных работ, Лайель использовал свои навыки юриста, чтобы выдвинуть решающие аргументы в пользу униформистского взгляда на геологические процессы. Как любой хороший юрист, он применил методы дискредитации своих противников-катастрофистов, одновременно излагая неопровержимые доказательства собственной правоты. Он подтвердил идеи Хаттона, касающиеся «великой тепловой машины Земли», сославшись на многочисленные сообщения об извержениях вулканов и о горячих источниках, особенно на юге Италии. Последние авторитетные катастрофисты и нептунисты сдались через несколько лет, и геология стала той наукой, какой мы ее знаем.

06. Камень, который горит. Промышленная революция
Уголь

 
Зовут Полли Паркер, мой род из Уорсли,
Работают в шахте отец мой и мать,
В семье семь детей, и поэтому в шахте
Мне тоже приходится спину ломать.
Вам можно жалеть мой удел безотрадный,
Труд в поте лица, только мне все равно.
Я песню пою и не падаю духом,
Пусть угольщицей мне прожить суждено.
Опасности всюду меня окружают,
Когда надо мной лишь канат или цепь –
Потоки ворвутся, пожар запылает,
Завалит породой, разрушится крепь.
Но как вы бы жили без нашей работы,
Пришлось бы жестоко вам всем голодать.
Мы благо приносим, и, право, не стоит
Вам бедную угольщицу презирать.
Схоронены целыми днями в тоннелях
Без теплого солнца, и темень кругом,
А ночью срываемся часто с постели:
Вода появилась, бежим босиком.
Черны наши лица, одежда в лохмотьях,
Зато мы добры, и свободен наш род,
Пускай мы всего лишь добытчики угля,
Но наши сердца больше, чем у господ.
 

«Угольщица». Старинная шахтерская песня

Кусок угля

В Китае люди добывали уголь еще за 4 тысячелетия до н. э.: здесь он в основном использовался для каминов и печей. Но примерно в 1000 г. до н. э. китайцы уже использовали уголь для выплавки меди. Марко Поло после своего путешествия на восток с 1271 по 1295 г. рассказывал, как китайцы использовали «черные камни… которые горят, как бревна». Он поражался изобилию угля: его было так много, что люди могли мыться горячей водой три раза в неделю.

Однако уголь использовался в Европе с древних времен, а к Средним векам, когда жил Марко Поло, про него просто забыли. Около 300 г. до н. э. греческий философ Теофраст описывал его в своем геологическом трактате «О камнях»:

Среди камней, что выкапывают ради пользы, те, что зовутся антраксы [уголь], состоят из земли, но, будучи подожженными, загораются, как древесный уголь. Эти камни есть в Лигурии… и в Элиде, где люди идут в Олимпию горной дорогой; там их используют кузнецы.

Установлено наличие угля в погребальных кострах на английских стоянках бронзового века (три тысячелетия до новой эры). К 200 г. н. э. римляне вели добычу на большинстве угольных месторождений Англии, Шотландии и Уэльса. Уголь использовался не только в печах для плавки металлов, но и для очагов, для центрального отопления вилл и нагрева воды в римских банях – например таких, которыми знаменит английский город Бат[22]22
  Изначально поселение, ставшее впоследствии городом Бат (англ. Bath – «баня»), было основано в середине I в. римлянами, называвшими его Aquae Sullis (лат. «Воды Сулис») – в честь кельтской богини мудрости (соответствующей римской Минерве), покровительницы целебных вод. Место привлекло богатством термальных источников, которые действуют здесь и поныне. После ухода римлян с этой территории курорт долго оставался заброшенным. Его новый расцвет начался в XVIII в. – Прим. ред.


[Закрыть].

Промышленная революция

В Средние века и примерно до 1700 г. уголь оставался второстепенным топливом, поскольку его было трудно добывать, в то время как древесина и другие горючие материалы имелись в избытке. Все изменилось, когда в конце XVIII в. началась промышленная революция. Хотя широко использовались водяные колеса и другие источники энергии, рек для снабжения крупных заводов стало недостаточно, и к 1830 г. в Англии закончились подходящие речные участки. Поэтому изобретение паровой машины в конце XVIII в. обеспечило практичный источник большого количества энергии, которая шла на работу фабрик или приводила в движение корабли и паровозы. Для небольших паровых машин можно было использовать дрова, однако крупным машинам требовался более дешевый и более концентрированный энергоресурс. Уголь стал первым великим топливом промышленной революции и дал человечеству возможность вступить в индустриальную эпоху (рис. 6.1).

Рис. 6.1 Старинная литография, изображающая тяжелый труд по добыче угля. Источник: Shutterstock

После начала промышленной революции в Великобритании страна одной из первых занялась крупномасштабной добычей угля. К 1800 г. британцы добывали 83 % мирового угля – особенно на огромных угольных месторождениях в Южном Уэльсе, в центральной и северной Англии от Манчестера до Ньюкасла и в южной Шотландии (рис. 6.2). На пике своего развития в 1947 г. британская угольная промышленность насчитывала около 750 тысяч горняков, работавших в десятках шахт.

Рис. 6.2 Основные угольные месторождения Великобритании в XIX в. Источник: Wikimedia Сommons

Однако добыча угля была грязным, опасным и часто сопряженным со смертельным риском занятием. Поначалу вся власть принадлежала хозяевам, а рабочим приходилось мириться со всеми условиями предприятия – иначе они умерли бы от голода. И эти условия были ужасны. При добыче угля часто выделяется много испарений, которые могут быть токсичными или взрывоопасными (либо токсичными и взрывоопасными одновременно), поэтому распространенной проблемой в угольных шахтах в течение многих лет были взрывы. Шахтеры брали с собой в клетке какую-нибудь птичку (обычно канарейку), потому что она была более чувствительной к газам и реагировала до того, как их могли заметить сами шахтеры, – отсюда и существующее в английском языке выражение canary in a coal mine («канарейка в угольной шахте») для обозначения того, что предупреждает нас о предстоящих проблемах. При добыче угля также образовывалось огромное количество черной угольной пыли, которая попадала в дыхательные пути, поэтому многие горняки умирали от пневмокониоза – болезни черных легких. Кроме того, угольные шахты нередко обрушивались, погребая заживо сотни рабочих.

Еще ужаснее, что в XIX в. на угольных шахтах приходилось трудиться детям в возрасте от 8 лет (рис. 6.3). При малом росте они могли работать в более ограниченном пространстве. В частности, им доверяли важную функцию – открывать и закрывать дверки, чтобы пропускать вагонетки и предотвращать скопление газов. В XVIII–XIX вв. дети работали в шахте как взрослые мужчины – по 12 часов 6 дней в неделю с единственным выходным в воскресенье. Большую часть времени они сидели в кромешной тьме, зажигая свечу только при необходимости, и прислушивались к грохоту вагонеток, чтобы без задержки пропускать их. В холодные и короткие зимние дни эти дети вставали затемно, работали полную смену и возвращались домой после наступления темноты, а потому видели дневной свет только по воскресеньям.

Рис. 6.3 Архивная фотография детей, ведущих пони, на угольной шахте в Западной Вирджинии (около 1908 г.). Источник: Wikimedia Сommons

Смертность в шахтах ужасала. Только в США в период с 1900 по 1950 г. погибло более 90 тысяч горняков, а в одном лишь 1907 г. случилось 3200 смертей. Даже при современном регламенте обеспечения безопасности с 2005 по 2014 г. в среднем умирало 28 горняков ежегодно, что делает эту профессию одной из самых опасных. Если шахтер не погибал внезапно от взрыва, обвала или пожара, он все равно умирал молодым от болезни черных легких. Благодаря упорной работе профсоюзов шахтеры в ХХ столетии постепенно начали добиваться уступок от угольных баронов, и в конце концов появились законы, которые вводили нормы безопасности, сокращали время рабочей смены и запрещали детский труд.

По мере того как промышленная революция распространялась на другие регионы мира, обнаруживались новые колоссальные залежи угля; это способствовало быстрому броску к индустриализации. В США крупные месторождения угля нашлись в Аппалачах (западная Пенсильвания, Вирджиния, Западная Вирджиния и прилегающие районы Кентукки, Огайо и Теннесси). К 1870 г. на этих месторождениях добывали 40 млн тонн угля, а затем каждые 10 лет добыча удваивалась. К 1900 г. показатель взлетел до 270 млн тонн, а пик в 680 млн тонн пришелся на 1918 год, потому что во время Первой мировой войны возник огромный спрос на уголь для кораблей и заводов.

В Германии угольные месторождения аналогичного масштаба нашлись в долине реки Рур; вместе с залежами железа неподалеку они сделали Рурскую область промышленным центром. В 1850 г. здесь на одной шахте в среднем работало всего 64 человека, и она давала около 7700 тонн, а общий объем добычи составлял 2 млн тонн. К 1900 г. каждая из этих же шахт выдавала по 226 тысяч тонн, там работало в среднем по 1400 человек, а общий объем добываемого угля увеличился до 54 млн тонн. Месторождения угля были также открыты во многих других европейских странах, включая Францию, Бельгию, Австрию, Венгрию, Испанию, Польшу и Россию. Со временем добыча угля распространилась по всему миру, и к 1900 г. крупные месторождения активно разрабатывали в России, Индии, Японии, Австралии, Новой Зеландии и Южной Африке. Ныне ведущей угледобывающей страной в мире стал Китай: в 2008 г. здесь было получено свыше 2,8 млрд тонн, то есть примерно 40 % всей мировой добычи угля. В других странах запасы истощены, либо же добываемый уголь содержит много серы (из-за чего добыча приводит к кислотным дождям), либо разработка месторождений стала нерентабельной в условиях конкуренции с более дешевыми источниками энергии.

«Угленосная свита»

Поиски ископаемого угля не только имели большое экономическое значение для промышленной революции, но и способствовали первым геологическим исследованиям в Великобритании и во всем мире. Как только начали изучать крупные угольные месторождения, было установлено, что большая часть британского угля заключена в определенной толще горных пород. В начале 1700-х гг. в Британии ее называли «угленосной свитой» (Coal Measures), и это обозначение стало основой для геохронологического термина «каменноугольный период», или «карбон» (Carboniferous в переводе с английского «угленосный»), который был официально предложен Уильямом Конибером и Уильямом Филлипсом в 1822 г., почти на столетие позже.

Одним из пионеров геологии был Джон Стрейчи (1671–1743), сквайр из Сомерсета, который интересовался разработками угля вблизи своего поместья и на его территории. В 1719 г. он опубликовал знаменитую диаграмму (рис. 6.4), которая показывает один из первых когда-либо представленных в чертеже реальных геологических разрезов. Сначала он нанес на карту угольные пласты на поверхности и измерил их толщину (мощность) и наклон (угол падения). Затем правильно построил проекции погружающихся пластов под землей, продемонстрировав, как они должны вести себя в трех измерениях. С помощью такой диаграммы Стрейчи мог не только установить свои права на какой-либо участок, но и предсказать местоположение, мощность и потенциальное количество угля в конкретной области, а также указать, где его следует искать. Это был гигантский скачок по сравнению с тем, как действовали целые поколения горняков, которые просто натыкались на обнаженный угольный пласт на поверхности и начинали его раскапывать, прослеживать на глубину. Как мы увидим в главе 7, его метод имел решающее значение не только для Сомерсета, но и для всей Великобритании: он способствовал пониманию стратиграфической последовательности, которую спустя примерно 70 лет выстроит Уильям Смит.

Рис. 6.4 Знаменитый новаторский геологический разрез Джона Стрейчи для угольных месторождений в его районе[23]23
  Зловонный (англ. stinking) пласт получил свое название из-за содержания серы. Термин «кошачья голова» (cat's head) относили к конкреции ожелезненного песчаника. Пласт «Три угля» состоял из трех угольных пропластков. Уголь из Павлиньего пласта напоминал по рисунку хвост павлина. Фатом – английская единица измерения длины, равная 6 футам (около 188 см).


[Закрыть]. Составлено по нескольким источникам

Почему же такие обширные залежи угля по всему миру появились именно в каменноугольный, а не в какой-либо другой период истории? Это произошло из-за уникального сочетания ряда геологических событий. Прежде всего, до позднего девона не существовало наземных растений размером с дерево, а в карбоне начали появляться огромные древовидные плауны, гигантские хвощи и густые папоротниковые леса. Они характерны для районов с густой болотистой растительностью, которые формировались в речных поймах, дельтах рек и прибрежных лагунах вдоль окраин возникшего примерно тогда Аппалачского хребта в Северной Америке и сходных с ним по происхождению гор в Евразии – поднявшихся в результате столкновения разных материков, образовавших суперконтинент Пангея.

Эти гигантские топи, разверзшиеся в тропических регионах Евразии и Северной Америки, были не похожи на те болота, что возникали позднее. В современных трясинах обитает множество термитов и других организмов, которые разлагают органику: они быстро разрушают деревья, когда те умирают, падают и погружаются в стоячую воду. Однако в каменноугольном периоде еще не было насекомых, умеющих переваривать древесину. Таким образом, огромные объемы растительности погружались в застойные кислые илы угольных болот и оставались захороненными в земной коре, а не перегнивали, как это происходит сегодня.

Фотосинтез вытянул из атмосферы огромное количество углекислого газа, и этот углерод оказался заточён в земной коре в виде угля. В итоге «парниковый» климат раннего карбона – с отсутствием полярных ледяных шапок, большим содержанием углекислого газа в атмосфере и высоким уровнем океана, затопившего большую часть континентов, – к позднему карбону трансформировался в планетарные «ледниковые» условия: ледяная шапка на Южном полюсе, уменьшенное содержание углекислого газа и гораздо более низкий уровень моря, поскольку в процессе образования этих полярных льдов вытягивалась вода из океанских бассейнов. Такая «ледниковая» обстановка доминировала на планете почти 150 млн лет.

За последний миллиард лет Земля много раз переключалась со стадии «парника» на стадию «ледника» и наоборот. В отличие от неуправляемого «парника», которым является Венера (в ее атмосфере полно серной кислоты, а температура столь высока, что достигает уровня плавления свинца), или замерзшего «снежка» Марса, на Земле существует жизнь, которая регулирует углеродный цикл нашей планеты. Углерод находится в земной коре в форме известняков (состоящих в основном из раковин и других ископаемых организмов) и угля (порожденного растениями). Живые системы Земли действуют как термостат, не позволяя ей превратиться в неконтролируемый «парник» или неконтролируемый «ледник».

Угольное проклятье

К сожалению, та же добыча угля, которая запустила промышленную революцию, теперь может сделать нашу планету необитаемой. С начала XVIII в. мы сожгли миллионы тонн угля и тем самым выпустили в воздух многие миллионы тонн углекислого газа, некогда запертого в земной коре. Весь этот углекислый газ, в уникальных условиях каменноугольного периода пойманный и заблокированный, теперь создает планетарный «суперпарник» быстрее, чем когда-либо в геологическом прошлом. Те первопроходцы, которые стали добывать уголь для своих паровых двигателей, невольно нарушили хрупкий баланс углерода в атмосфере нашей планеты, океанах и земной коре.

Помимо того, что уголь – один из худших производителей парниковых газов среди всех видов ископаемого топлива, он несет и другие угрозы. Добыча в шахтах, необходимая для получения доступа к глубоким угольным пластам, всегда была опасна для здоровья и жизни рабочих; кроме того, после нее остаются переработки, рудничные отвалы пустой породы и бассейны токсичного шлама, а также разбитые жизни. Еще более разрушительна добыча открытым способом, когда удаляют огромное количество почвы и вскрыши (породы, покрывающей залежь), чтобы добраться до слоя угля под поверхностью. В процессе этой деятельности изменяются обширные территории и наносится большой ущерб окружающей среде. Когда-то при открытых разработках предприятия просто оставляли на земле колоссальные кучи отвалов и затопленные карьеры, превращавшие ландшафт в изуродованную пустошь. Сейчас, в связи с установлением экологических норм, горнодобывающие компании должны после извлечения угля возвращать пустую породу на прежнее место, а затем проводить рекультивацию – воссоздавать сельскохозяйственные угодья или восстанавливать первоначальное состояние конкретной территории, каким оно было до вмешательства человека. Во многих случаях это обессмысливает добычу открытым способом, потому что уголь не приносит достаточного количества денег, чтобы компенсировать огромные затраты на его получение и рекультивацию. В последнее время используется метод «удаления вершины холма», когда горнодобытчики снимают всю верхнюю часть возвышенности, чтобы добраться до угольного пласта, а затем сбрасывают пустую породу в долину и полностью меняют природный рельеф.

Еще одна беда, которую несет добыча угля окружающей среде, – кислотные дожди. Если в угле много серы, при его сжигании на электростанции образуется серная кислота, которая затем разносится ветром и убивает все, куда попадает вместе с дождями. Кислотные дожди чуть не уничтожили Шварцвальд на юге Германии и серьезно повредили леса на северо-востоке США. Закон о чистом воздухе[24]24
  Был принят Конгрессом США. В дальнейшем в документ вносились новые ограничения. – Прим. ред.


[Закрыть] 1970 г. установил экологические нормативы, поэтому стоимость добычи угля с высоким содержанием серы увеличилась, а многие шахты в Аппалачах и Иллинойсе закрылись из-за нерентабельности. Гораздо выгоднее стало добывать уголь с низким содержанием серы из бассейна реки Паудер в Вайоминге. Сейчас создана система ограничений выбросов и торговли эмиссионными квотами, которая препятствует сжиганию высокосернистого угля, так что экологический ущерб от него резко сократился.

По изложенным причинам из всех видов ископаемого топлива именно уголь считается одним из самых разрушительных для окружающей среды и одним из наиболее опасных для шахтеров и для людей вообще. Введенные нормы уменьшили воздействие кислотных дождей, ограничили разрушение ландшафта и снизили риски в работе горняков, однако по-прежнему уголь остается серьезным источником парниковых газов. Многие экологи долгое время боролись за то, чтобы найти способы постепенно полностью отказаться от него и заменить более чистыми источниками энергии.

По иронии судьбы эту задачу в значительной степени выполнила не система регулирующих мер, а «невидимая рука» свободного рынка, о которой писал Адам Смит. Прорывы в гелиотехнологиях, дешевое солнечное электричество, энергия ветра, падение цен на нефть в период с 2014 по 2017 г. и особенно избыток природного газа привели к удешевлению электроэнергии – до такого уровня, что в большинстве регионов мира уголь уже не конкурентоспособен. В 2016 г. о банкротстве объявила Peabody Energy, крупнейшая угольная компания Северной Америки, а добыча угля на востоке США практически прекратилась. Те же самые силы почти полностью остановили разработку угля в Соединенном Королевстве, и все, что осталось от некогда обширных британских и валлийских угольных месторождений, – это закрытые шахты и обезображенный ландшафт. Единственная страна, которая по-прежнему добывает и сжигает много ископаемого угля, – Китай, ныне крупнейший в мире его производитель. Однако Китай тоже пытается постепенно отказаться от добычи угля и от угольных электростанций из-за загрязнения воздуха ядовитыми газами и уже предпринял серьезные шаги в этом направлении.

Уголь был тем топливом, которое питало промышленную революцию и строило современный мир. Тем не менее сжигание углерода, некогда сокрытого в коре, поспособствовало тому, что будущие поколения ждет новый парниковый мир. К счастью, эпоха угля подходит к концу; но вопрос, сможем ли мы уменьшить сжигание других видов ископаемого топлива в достаточной степени, чтобы избежать катастрофы, остается открытым.