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

07. Карта, изменившая мир: Уильям Смит и горные породы Британии
Мир Юрского периода

Органические окаменелости для натуралиста – то же самое, что монеты для антиквара; это древности планеты, которые совершенно отчетливо показывают ее постепенное закономерное формирование – через различные изменения обитателей водной стихии.

Уильям Смит

Разрез Земли

Абраам Готтлоб Вернер, Джеймс Хаттон и большинство натуралистов конца XVIII в. концентрировались на масштабном теоретическом понимании Земли. Они исходили из примеров обнажений в Шотландии, Германии и других местах и на основании этих ограниченных данных делали обобщения, распространяя их на всю историю Земли. Одни ошибались (Вернер), другие в целом были правы (Хаттон). Все они были состоятельными джентльменами, которым не требовалось зарабатывать на жизнь, или учеными, занимавшими солидные должности, и вполне могли проводить время по своему желанию. У них были образование, деньги и свободное время – ресурсы, необходимые для занятий геологией, которая была для них всего лишь хобби, а не профессией.

Однако взрывной рост добычи угля в конце XVIII в. породил потребность в более практическом, детальном, локальном понимании Земли. Как мы видели в главе 6, людям, ищущим уголь, требовалось составить карту распределения угольных пластов и предсказать, где их будет больше. Новаторский геологический разрез угольных месторождений Сомерсета, сделанный Джоном Стрейчи в 1719 г. (рис. 6.4), стал первой попыткой изобразить поперечное сечение верхней части коры, визуализировать ее строение на небольшую глубину. Однако большинство естествоиспытателей того времени не интересовались такой кропотливой работой, как составление карт и вычерчивание разрезов; натуралисты предпочитали создавать обобщенные и масштабные умозрительные модели Земли, сидя в своих креслах, а не изучать детально реальные обнажения. Кроме того, для ландшафта Великобритании и большей части Европы характерна густая растительность, поэтому выходы пород на поверхность встречаются очень редко, и в большинстве мест трудно получить представление о той геологической структуре, что находится под вашими ногами.

Уильям Смит (1769–1839) не был богатым британским джентльменом, как большинство основоположников геологии (рис. 7.1). Его отец, кузнец Джон Смит, умер, когда Уильяму было всего 8 лет, и он не располагал преимуществами, которыми пользовался высший класс. Однако мальчик рос очень сообразительным и трудолюбивым. Он не ограничился рамками своего скромного школьного образования, проявив особые способности к математике и рисованию. В 18 лет Смит поступил в ученики к Эдварду Уэббу – геодезисту, работавшему в Глостершире. Юноша быстро стал отличным специалистом, способным справиться практически с любым проектом.

Рис. 7.1 Портрет Уильяма Смита. Источник: Wikimedia Сommons

В 1791 г. его наняли для работы в поместье Саттон-Корт в Сомерсете – именно там более 70 лет назад занимался изысканиями Стрейчи. Смит познакомился с картами и разрезами Стрейчи и во многом основывался на них при выборе маршрутов по той же местности. Вместе с Уэббом они 8 лет работали над планом, обдумывая пути для прокладки каналов в Сомерсете, особенно Сомерсетского угольного канала (рис. 7.2). В то время в Англии существовало множество каналов, поскольку промышленная революция требовала дешевых методов транспортировки в крупные промышленные города угля и других товаров. У Смита появилась необычная возможность увидеть свежие обнажения коренных пород на большей части территории Англии, включая районы, которые обычно покрыты растительностью и с трудом поддаются картированию. Он также обследовал и детально изучил многие угольные шахты в этом регионе и повидал больше разрезов земной коры, чем любой британец до него.

Рис. 7.2 (А) Нынешние остатки Сомерсетского угольного канала, землемерные съемки для которого в 1790-е гг. проводил Уильям Смит. Фото автора. (В) Дом Уильяма Смита в Такинг-Милл – деревне южнее Бата, где он жил во время работы на Сомерсетском угольном канале. Это единственный сохранившийся дом из тех, где жил Смит. Фото автора

Большинство горных пород Оксфордшира и Сомерсетшира – часть знаменитой юрской толщи (рис. 7.3), которая дала множество окаменелостей морских рептилий, аммонитов и других морских обитателей на побережье в Лайм-Риджисе. Стратиграфические элементы этой толщи знамениты не только окаменелостями, но и красочными и причудливыми названиями: Голубой лейас (основной слой с окаменелостями в Лайм-Риджисе), Сланцы с говядиной[25]25
  Работники геодезической службы дали название beef (англ. «говядина») за прослойки волокнистого кальцита.


[Закрыть], Мергели Блэк Вена, Слои Зеленые аммониты[26]26
  Камеры в раковинах у этих аммонитов часто заполнены зеленоватым кальцитом.


[Закрыть], Корнбраш («Кукурузная каша»), Коралловая группа, Нижний оолитит, Лесной мрамор, Киммеридж и знаменитая Оксфордская глина, где были обнаружены не только окаменелости беспозвоночных, но и многие морские рептилии. Некоторые из этих названий (например, Корнбраш) были придуманы самим Уильямом Смитом и используются до сих пор[27]27
  Сornbrash – изначально местное название почвы, пригодной для выращивания зерна.


[Закрыть]. В юрском известняке Тайнтон к северо-востоку от Оксфорда обнаружили окаменелости первого получившего название динозавра – мегалозавра (Megalosaurus), хотя официально у этой окаменелости не было имени до 1824 г., да и общий термин «динозавры» появился только в 1842 г.

Рис. 7.3 Стратиграфический разрез юрских отложений в центральной Англии. Составлено по нескольким источникам

Фаунистическая преемственность

Когда Смит увидел раз за разом повторяющуюся стратиграфическую последовательность юрских слоев в западной Англии, он выделил не только сами эти формации, но и характерные окаменелости, обнаруженные в каждой из них (рис. 7.4). Что еще более важно, он понял, что сходные по виду горные породы лучше всего различать по их окаменелостям. Этот принцип известен как закон фаунистической преемственности (или последовательности) и служит фундаментом для биостратиграфии и определения возраста горных пород по их специфическим окаменелостям. Со временем Смит мог понять, в каком месте геологического разреза он находится, исключительно по окаменелостям – даже не видя горных пород, которые там нашли. Обращавшиеся к нему за консультацией состоятельные геологи поражались его способности правильно определить, откуда взяты те или иные окаменелости из их коллекций, и умению расположить эти коллекции в надлежащем стратиграфическом порядке.

Рис. 7.4 Открытия Смита базировались на тщательном наблюдении и идентификации окаменелостей в каждом слое. (A) Иллюстрация из публикации Смита. (B) Фотографии некоторых окаменелостей Смита, которые сейчас хранятся в музейных коллекциях. Источник: Wikimedia Сommons

Смит составил списки окаменелостей, характерных для каждой формации, и к 1799 г. они стали широко известны среди британских геологов. Однако ученый не публиковал свою работу еще свыше 10 лет – он был слишком занят созданием первых геологических карт Англии. В 1799 г. он составил карту горных пород вокруг Бата и Сомерсета, а к 1801 г. у него была готова, в черновом варианте, карта многих стратиграфических подразделений Англии. Она стала основой для самого дерзкого его проекта – полной геологической карты всей Англии и Уэльса (рис. 7.5). В течение нескольких лет он работал как независимый геолог-изыскатель, исследуя и нанося на карту все горные породы Британии, которые мог найти, а также выполняя заказы видных персон, занимавшихся изучением земель в своих крупных поместьях.

Рис. 7.5 Геологическая карта Англии, Уэльса и части южной Шотландии, составленная, нарисованная и опубликованная Смитом в 1815 г. Источник: Wikimedia Сommons

Поскольку Смит не установил собственный приоритет, другие геологи пользовались его открытием и нарабатывали на этом себе репутацию. Кроме того, Смит страдал от предрассудков состоятельных и принадлежащих к высшим сословиям господ, которые считали его простым наемным работником (к ним тогда относили инженеров и изыскателей). Для большинства из них геология была увлечением, а не «вульгарным» средством заработка. Смит стал одним из немногих людей, кого можно было считать профессиональным геологом, поскольку он трудился над решением геологических проблем за деньги.

Между тем идея фаунистической преемственности оказалась настолько ценной, что вскоре к ней пришли во Франции. Барон Жорж Кювье и Александр Броньяр нанесли на карту пласты Парижского бассейна и в конечном итоге тоже установили последовательность французских горных пород и окаменелостей. Высказываются мнения, что Броньяр мог слышать об открытиях Смита во время поездки в Англию в 1806 г., хотя французы настаивают на том, что Кювье и Броньяр пришли к тому же выводу самостоятельно. Как бы то ни было, идея преемственности фауны в то время определенно витала в воздухе.

Тюрьма и признание

Большую часть своего заработка Смит тратил на путешествия и нанесение на карту всей территории Британии. В конце концов он опубликовал первую геологическую карту Англии (1815 г.), которая настолько хороша и удобна выбранным масштабом, что ее можно использовать и сегодня (рис. 7.5). Геолог Саймон Винчестер назвал ее «картой, изменившей мир», потому что она положила начало современной геологии как науке, изучающей трехмерное расположение горных пород во времени и пространстве и то, что могут такие данные рассказать нам об истории Земли, о появлении горных поясов, перемещении древних морей и особенно о распределении важных месторождений полезных ископаемых. С тех пор каждый геолог в начале своего профессионального пути учился составлять геологические карты, потому что это один из самых важных инструментов в науке о Земле.

В 1817 г. Смит взял свою карту и начертил на ней замечательный поперечный разрез, охватив всю южную часть Англии и Уэльса. Разрез протянулся от древних пород горы Сноудон в северном Уэльсе на одном конце до совсем молодых эоценовых пород под Лондоном на другом (рис. 7.6). Впервые кто-то смог изобразить геологический разрез в таком крупном масштабе и показать, что последовательность пород по всей Англии отличается четкой закономерностью, которую легко понять и представить в виде наклонного пакета слоев горных пород. Сегодня для иллюстрации этой идеи мы указываем на места вроде Большого каньона, однако первым продемонстрировал это явление Смит, причем у него не было примеров столь хороших обнажений, которые можно увидеть с одного ракурса. Хотя сам Смит никогда не занимался философскими рассуждениями о том, что это означает, его схема послужила основой для классической стратиграфической колонки и геохронологической шкалы, которая сейчас всем нам так хорошо знакома (рис. 7.7).

Рис. 7.6 (А) Составленная Смитом в 1815 г. схема геологического разреза от Уэльса до Лондона: от горы Сноудон и старейших пород в западном Уэльсе до молодых пород в районе Лондона. (В) Современный вариант того же геологического разреза с подразделениями, выделенными Смитом в 1815 г. Источник: Wikimedia Сommons

Рис. 7.7 Схема, показывающая известную последовательность окаменелостей по состоянию на 1840-е гг., построенную на принципе фаунистической преемственности (последовательности) Смита[28]28
  На рисунке выше отражены геологические эры (кайнозой, мезозой, палеозой) и входящие в них системы (периоды). Однако кайнозой на приведенном рисунке подразделяется не на системы, а на эпохи (палеоцен, эоцен и т. д.), на которые системы делятся. Общепринятую стратиграфическую шкалу см. здесь. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Источник: Shutterstock

Другие ученые того времени, такие как Жорж Кювье и Альсид Д'Орбиньи во Франции, пытались увязать эту сложную схему из десятков различных фаунистически охарактеризованных уровней с реальной геологической летописью без учета времени, однако идея, согласно которой все горные породы мира можно объяснить единственным актом Творения и единственным Всемирным потопом, оказалась быстро дискредитированной. Д'Орбиньи даже предположил, что в истории было 29 отдельных актов сотворения мира и потопов, не описанных в Библии, но старые представления, составлявшие вернеровскую «потопную» геологию, в любом случае были разрушены, когда геологи впервые нанесли на карту и задокументировали реальную последовательность горных пород.

К сожалению, разные люди не стеснялись плагиата и без зазрения совести публиковали дешевые подделки подробной карты Смита, поэтому геолог практически не получил прибыли от своего грандиозного труда. Его карты и схемы не покупали, он влез в долги и в 1819 г. на несколько недель оказался в долговой тюрьме. Когда Смита наконец освободили, он обнаружил, что дом, где он прожил 14 лет, и все его имущество конфискованы. Пришлось зарабатывать на жизнь путешествующим изыскателем, пока о его бедственном положении не узнал сэр Джон Джонстон – один из тех, кто поддерживал геолога в лучшие годы. Джонстон дал ему постоянную работу в Скарборо, своих йоркширских владениях. Там Смит не только улучшил свои карты восточной Англии, но и создал Ротонду – музей, посвященный геологии побережья Йоркшира. Это один из старейших специализированных музеев Великобритании. Смит предложил выстроить его в форме высокой круглой башни, а экспозиция окаменелостей служила иллюстрацией его теории. Окаменелости и породы расположились в том порядке, в котором они встречались в природе: самые молодые – в витринах наверху, старейшие – внизу. Очередность размещения вдоль стен отражала систему залегания этих пород на побережье Йоркшира. За прошедшие почти 200 лет со дня открытия музей обновляли и реконструировали, он и поныне пользуется популярностью.

Уже в конце жизни Смит наконец обрел признание за всю свою новаторскую работу. В 1831 г. его наградили первой медалью Волластона[29]29
  Высшая награда Геологического общества Лондона.


[Закрыть], и Геологическое общество Лондона назвало Смита отцом английской геологии. В 1835 г. Тринити-колледж в Дублине присвоил ему почетную докторскую степень, а в 1838-м его назначили одним из уполномоченных лиц, выбиравших место для нового Вестминстерского дворца. Он умер в возрасте 70 лет в 1839 г. и был погребен в Нортгемптоне; могилу его можно увидеть на кладбище церкви Святого Петра в Марфэре.

Гораздо важнее то, что открытый им закон фаунистической преемственности стал основой для определения геологического времени. Смит также составил первую геологическую колонку для целого региона, а разработанная им геологическая карта с тех пор служит важнейшим инструментом всей геологии. Это действительно карта, изменившая мир.

08. Часы в камне: Артур Холмс и возраст Земли
Радиоактивный уран

[Концепция геологического времени] делает вас шизофреником. Эти две шкалы времени – одна человеческая и эмоциональная, другая геологическая – просто несопоставимы. Но ощущение геологического времени – важная вещь, которую нужно донести до тех, кто не является геологом: даже крохотная скорость геологических процессов – сантиметры в год – приводит к огромным последствиям, если эти процессы продолжаются достаточно долго. Миллион лет на геологической шкале времени – малое число, а человеческий опыт вообще мимолетен – опыт всего человечества, а не одна жизнь. Лишь изредка эти две шкалы времени совпадают.

Элдридж Мурс. Из книги Джона Макфи «Собирая Калифорнию»

Возможно, несколько нескромно спрашивать возраст у нашей Матери-Земли, однако наука не признаёт стыда и время от времени смело пытается вырвать у нее тайну, которая, как известно, хорошо охраняется.

Артур Холмс. Возраст Земли

Тупик

Джеймс Хаттон писал, что мы не находим у Земли «следов начала», а после того как в 1830 г. из печати вышел первый том «Основных начал геологии» Чарльза Лайеля, почти все геологи согласились с тем, что Земля чрезвычайно стара. Но насколько стара? Какое число мы можем предложить для возраста Земли?

Проблема была сложной, однако она не обескураживала ученых, которые пробовали всевозможные изобретательные решения. Самый распространенный метод заключался в том, чтобы сложить максимальную толщину всех осадочных пород на Земле, вычислить, сколько времени потребовалось бы для отложения этих слоев, и получить оценку для минимального возраста. Например, собираем данные о максимальной мощности кембрия по всей Земле, максимальной мощности ордовика и так далее, а затем оцениваем, как долго мог длиться кембрий или ордовик, если взять типичную скорость накопления отложений. Большинство таких оценок дают примерно 100 млн лет, что, как мы теперь знаем, отличается от реальности почти в 50 раз. Почему? Применявшие все эти ранние методы пользовались в расчетах ложными исходными предположениями. Важнее всего было то, что они не учитывали эрозионные перерывы в геологической летописи, известные как несогласия, когда породы, представляющие какой-либо временной интервал, просто отсутствуют. Более поздние исследования показали, что в геологической летописи полно такого рода лакун и действительно «пробелов больше, чем записей». Некоторые геологи в ту пору уже подозревали, что подобные несоответствия могут представлять определенную проблему, но никто не мог знать, насколько серьезной она оказалась.

Затем появилась знаменитая оценка ирландского физика Джона Джоли. Он попытался рассчитать, сколько времени потребуется океанам, чтобы перейти от пресного состояния к их нынешнему уровню солености, если известна скорость, с которой соль попадает в океаны из рек мира. Он тоже получил величину 80–100 млн лет, отличающуюся от истинной более чем в 50 раз. Что же пошло не так? Проблема снова заключалась в ошибочных предположениях: Джоли исходил из того, что океаны постоянно накапливали соль с момента своего образования. Однако на самом деле содержание соли в океанах не особо меняется с течением времени, потому что основная ее часть блокируется в соляных отложениях в земной коре; в результате поддерживается равновесие, и количество соли в морской воде остается весьма стабильным.

Самую известную и авторитетную оценку предложил прославленный физик Уильям Томсон (позднее получивший титул лорда Кельвина). Он сделал значительные открытия в области физики, а именно в термодинамике. Температурная шкала Кельвина названа в его честь: он впервые ввел понятие абсолютного нуля температуры (теперь обозначается как 0 K). Кстати, единица измерения температуры в этой шкале называется «кельвин», а не «градус Кельвина», поэтому рядом с буквой K не ставится значок градуса. Он также был выдающимся изобретателем и помог создать систему трансатлантических кабелей, которая обеспечила телеграфную, а затем и телефонную связь между Европой и Северной Америкой. В общем, он выделялся среди ученых своего времени, и мало кто осмеливался с ним не соглашаться.

В 1862 г. Кельвин занялся вопросом возраста Земли, используя методы термодинамики. Он предположил, что Земля начиналась как расплавленный шар с той же температурой, что и Солнце, и что она охлаждалась с определенной скоростью, которую можно измерить по теплу, идущему из земных недр. С помощью этого метода он вычислил, что Земле всего 20 млн лет, и эта величина оказалась намного меньше, чем та, которую было готово принять большинство геологов. Такой небольшой возраст стал проблемой и для Чарльза Дарвина, который понимал: для того чтобы его недавно предложенная концепция эволюции работала, Земля должна быть очень старой. Оценка Кельвина, казалось, не давала достаточного срока.

До конца XIX в. физики и геологи находились в тупике. Ни одна из сторон не могла понять аргументы другой или увидеть изъяны в собственных расчетах. К концу века геологи начали уступать и подгонять свои результаты, сдвигаясь от первоначальных значений 80–100 млн лет до чисел, близких к кельвиновским 20 млн лет. Физике тогда завидовали столь же сильно, как и сейчас! Однако у оценки Кельвина была та же проблема, что и у других: ошибочные предпосылки. Кельвин рассчитал охлаждение Земли, предположив, что планета пользовалась только тем теплом, которое получила при возникновении Солнечной системы, и никаких других источников тепла у нее не было. Сейчас мы знаем, что это не так: Земля действительно имеет дополнительный источник тепла.

Она радиоактивна!

В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель открыл радиоактивность, а в 1903-м Мария и Пьер Кюри показали, что радиоактивные материалы (например, радий) выделяют много тепла. В то время главным авторитетом Англии по отношению к этому новому источнику энергии был Эрнест Резерфорд, физик родом из Новой Зеландии. В 1904 г. он собирался выступить в Королевском институте Великобритании с рассказом о своем новом открытии и вдруг понял, что в аудитории находится 80-летний лорд Кельвин. Молодой ученый намерился оспорить оценку возраста Земли, сделанную самым известным в мире физиком! Позже Резерфорд вспоминал:

Я вошел в полутемное помещение, быстро заметил в аудитории лорда Кельвина и понял, что меня ждут неприятности в последней части выступления, посвященной возрасту Земли, – там, где моя точка зрения расходилась с его взглядами… К моему облегчению, Кельвин вскоре уснул, но когда я дошел до важного момента, увидел, как опытный старикан приподнялся, открыл глаза и посмотрел на меня недобрым взглядом. Внезапно на меня снизошло вдохновение, и я сказал, что лорд Кельвин ограничил возраст Земли при условии, что не будет открыт новый источник [тепла]. Это пророческое высказывание относилось к тому, о чем мы сейчас говорим – к радию! Смотрите! Старик засиял, глядя на меня[30]30
  Эти слова Резерфорда приводятся в статье, опубликованной в газете The New Zealand Herald 19 мая 2004 г. в честь 100-летия исторического выступления знаменитого физика в Королевском институте Великобритании. – Прим. ред.


[Закрыть].

Оценка Кельвина базировалась на ошибочном предположении, что у планеты нет других источников тепла, кроме его первоначального запаса, содержащегося в расплавленной массе; в результате Земля должна остывать не долее чем 20 млн лет. Однако радиоактивность как раз и обеспечивает дополнительную энергию. В действительности она дает так много энергии, что сейчас это единственный источник измеряемого тепла из недр Земли. Первоначальное тепло, выделившееся при охлаждении Земли, как считал Кельвин, рассеялось миллиарды лет назад – возможно, в течение 20 млн лет после образования нашей планеты 4,6 млрд лет назад.