Текст книги "Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты"

Геологическая история: новое отношение к геологическому времени

Понимание геологического времени представляет собой основу для осмысления всех остальных концепций геологии. Столь обширная временная шкала позволяет геологам систематизировать информацию, полученную о горных породах и объектах в процессе полевых исследований, и представить ее в виде убедительной биографии Земли. Геологи воспринимают геологическое время в миллиардах лет, с рождения Земли до наших дней. Стивен Джей Гулд в своей книге «Стрела времени, цикл времени» (Time’s Arrow, Time’s Cycle), опубликованной в 1987 г., говорит, что «наша жизнь встроена в течение времени», а геологическая история – это «величайший вклад геологии в развитие человеческой мысли»[219]219
  Gould S. J. Time’s Arrow, Time’s Cycle. Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 1987. P. 10, 14. 5. Тектоника плит: история революции в науках о Земле


[Закрыть]. Гулд разбирает два сложившихся представления о времени. Согласно первой точке зрения, время представляет собой стрелу, направленную от событий в прошлом к событиям в настоящем, и поэтому уникально и невоспроизводимо. Во втором случае, в отличие от линейной функции, время обладает циклическими, повторяющимися свойствами. Гулд рассматривает эти два представления как два конечных результата «великой дихотомии» в развитии человеческой мысли и утверждает, что для понимания геологической истории необходимы оба. Геологическая история для многих геологов служит научной и философской опорой.

В следующих трех главах мы рассмотрим дополнительные основные догматы, касающиеся Земли: тектонику плит (главы 5 и 6) и изменения живых организмов в процессе эволюции (глава 7). В этих главах рассказывается об ученых, которые сформулировали эти идеи и работали над ними, а также о самих концепциях, с множеством примеров и историй.

5
Тектоника плит: история революции в области наук о Земле

Движение земной коры: обзор тектоники плит

Второй главный принцип геологии (после геологического времени), в котором основной упор сделан на объяснении, как устроена планета, – это тектоника плит. Значение этой объединяющей теории, одного из самых важных научных открытий XX в., нельзя переоценить. Тектонические процессы ответственны за формирование структуры континентальной и океанической коры, разрушение океанских бассейнов и континентов, возникновение поясов гор и образование океанических желобов. Более того, они объясняют, где именно и почему происходит большинство землетрясений, извержений вулканов и образуются рудные тела.

Теперь геологи знают, что движение плит – больших фрагментов литосферы (см. цветную вклейку 5.1) – обусловлено тепловой энергией мантии и коры Земли. В результате вулканической активности срединно-океанических хребтов и рифтов создается новое океаническое дно, а старые плиты разрушаются и уничтожаются вследствие поглощения по мере их погружения под другие плиты. В результате «борьбы» плит за положение на изогнутой поверхности Земли образуются крупные трансформные разломы – сдвиговые разломы (вдоль которых происходит преимущественно горизонтальное скольжение плит) на границе между двумя плитами, – которые простираются на тысячи километров, поскольку земная кора приспосабливается к массивным сдвигам. В среднем скорость движения литосферных плит примерно равна скорости роста ногтей: приблизительно 2 см в год. Но это движение происходит в течение миллионов лет и является причиной столкновения континентов, уменьшения и исчезновения океанов, поднятия горных хребтов, роста новых океанов, формирования и распада суперконтинентов. На нашей планете существует семь крупных литосферных плит площадью более 20 млн км², десять малых плит площадью от 1 до 20 млн км² и множество микроплит, площадь которых менее 1 млн км². Согласно имеющимся данным, общее число плит, которые являются фрагментами земной коры, варьировалось, но сегодня семь крупных плит составляют 78 % поверхности Земли. На эти семь плит и еще 73 плиты меньшего размера приходится более 99 % поверхности Земли. Меньше 1 % земной поверхности состоит из 47 «микроплит», представляющих собой маленькие упругие фрагменты земной коры, которые двигаются независимо от других плит. Литосферные плиты включают океаническую и континентальную части, но ни одна плита не состоит только из континентальной коры.

Как уже отмечалось, плиты приводятся в движение в результате конвекции тепла внутри мантии (см. цветную вклейку 5.2). Земная кора – это относительно тонкий слой, мощность которого больше под континентами (до 100 км) и меньше под океанами. Литосфера состоит из земной коры и твердого верхнего слоя верхней части мантии, под которым находится астеносфера. Эти две оболочки – литосфера и астеносфера – представляют собой важнейшие элементы тектоники плит, поскольку твердые литосферные плиты зависят от пластичной астеносферы, которая нагревается ядром Земли.

До подтверждения теории тектоники плит частоту землетрясений, извержений вулканов и оползней не связывали ни с одним из известных земных процессов. Но после Второй мировой войны геологи нанесли на карту все известные случаи землетрясений в мире поверх участков, в то время считавшихся границами плит. Корреляция была очевидной и поразительной: землетрясения обозначали края плит. С развитием теории тектоники плит ученые осознали, что многие геологические риски напрямую связаны с напряжением на границах плит. Землетрясения порождаются движениями плит, когда происходит разрыв и энергия Земли передается на поверхность. Оползни и обвалы рыхлых осадков происходят в результате сотрясения и связаны с землетрясениями. Геологи выяснили, что вулканы образуются по краям крупных плит в результате «плавления» вещества плиты, когда плита и захваченные океанские воды затягиваются в глубоководные желоба по краям плиты. До подтверждения этой теории местоположение экономически важных залежей руд, имеющих промышленное значение рудных тел, необходимых для добычи минералов, казалось случайным. Однако теория тектоники плит предсказывает, что большинство рудных месторождений находится в зонах высокого давления и температур: вдоль границ взаимодействия плит.

Иными словами, теория тектоники плит произвела революцию в геологии за последние 60 лет. Многие из ныне работающих геологов могут вспомнить, что во времена их учебы в университете профессора геологии даже не преподавали тектонику плит, потому что это была новая теория. А история о том, как происходило преобразование идей от гипотезы дрейфа континентов до основанной на доказательствах объединяющей теории тектоники плит, сама по себе является поучительной.

Подготовка почвы для гипотез дрейфа континентов и тектоники плит

Размышления о форме Земли и происхождении и устойчивости масс суши берут начало в сочинениях досократиков[220]220
  Popper K. R. Back to the pre-Socratics // Proceedings of the Aristotelian Society. 1959. Vol. 59. № 1. P. 8.


[Закрыть]. Среди других концепций эти философы рассматривали также «проблему изменения». Эти идеи стали семенами мыслей, которые тысячелетия спустя привели к появлению гипотезы дрейфа континентов и в конечном итоге теории тектоники плит, когда с наступлением эпохи Великих географических открытий, в период исследования морей и создания карт, первые исследователи и ученые стали изучать очертания континентов и обнаружили, что они являются отражением друг друга. Фламандский картограф Абрахам Ортелий и другие исследователи, включая Фердинанда Магеллана, совершали кругосветные путешествия и продолжали фиксировать эту взаимосвязь[221]221
  Romm J. A new forerunner for continental drift // Nature. 1994. V. 367. P. 407.


[Закрыть]. Возникли вопросы о форме континентов и о том, каким образом, возможно, они были собраны вместе. Ортелий создал первый современный атлас мира, Theatrum Orbis Terrarum («Зрелище шара земного»). Например, ученые, изучавшие первые карты Атлантического океана (рис. 5.1), отмечали, что Африка как будто послушно помещается между Северной и Южной Америкой.

Французский зоолог и палеонтолог Жан Батист Ламарк на основе своих исследований ископаемых (см. главу 1) первым сделал вывод, что, вероятно, существует движение континентов. В начале XIX в. Ламарк документально оформил свои размышления о конфигурации массивов суши и океанских бассейнов и в своем труде «Гидрогеология» (Hydrogéologie), опубликованном в 1802 г., предположил, что континенты перемещались по земному шару в западном направлении под действием мировых течений. Он полагал, что распределение ископаемых морских видов выглядит более логичным, если континенты со временем медленно двигались, а океаны неоднократно покрывали участки, которые теперь являются сушей. Тем не менее Ламарк не привел никаких доказательств своей гипотезы движения континентов и не смог найти издателя для «Гидрогеологии», единственной работы (за всю его долгую карьеру), которая посвящена геологии[222]222
  Lamarck J. B. Hydrogéologie ou recherches sur l’influence qu’ont les eaux sur la surface du globe terrestre; sur les causes de l’existence du bassin des mers, de son déplacement et de son transport successif sur les différens points de la surface de ce globe; enfin sur les changemens que les corps vivans exercent sur la nature et l’état de cette surface. Paris: An X, 1802, 268 p.


[Закрыть]. Так же, как и современные самостоятельно публикующиеся авторы, он решил напечатать книгу сам, но удалось продать всего несколько копий. Книга была предана забвению, и лишь когда исследователи, глубоко интересующиеся историей науки, повторно открыли эту работу, то осознали, насколько она важна[223]223
  Carozzi A. V. Lamarck’s theory of the Earth // Hydrogeologie: Isis. 1964. V. 55. № 3. P. 293–307.


[Закрыть].

В середине XIX в. представления о природе континентов, похожих на кусочки головоломки, получили дальнейшее развитие в научной литературе. В 1858 г. французский географ Антонио Снайдер-Пеллегрини первым опубликовал две карты: на одной был представлен единый континент, который существовал когда-то в прошлом и состоял из Северной Америки и Африки «до разделения», а на другой карте континенты «после разделения» находились на своих нынешних местах[224]224
  Snider-Pellegrini A. La création et ses mystères dévoilés; ouvrage où l’on expose clairement la nature de tous les ětres, les éléments dont ils sont composés et leurs rapports avec le globe et les astres, la nature et la situation du feu du soleil, l’origine de l’Amérique, et de ses habitants primitifs, la formation forcée de nouvelles planètes, l’origine des langues et les causes de la variété des physionomies, le compte courant de l’homme avec la terre, etc. Paris: A. Franck, 1858, 487 p.. Plates № 9 and 10.


[Закрыть]. Свои доводы он подкрепляет тем, что виды растений каменноугольного периода были одинаковыми по обе стороны Атлантики. Но и Снайдер-Пеллегрини не смог предложить приемлемый механизм, объясняющий расхождение континентов. Ученый прибегнул к объяснению из области катастрофизма – будто Всемирный потоп привел к образованию Атлантического океана, – но подобный аргумент был не в почете даже в то время.

Ряд других теорий в XIX в. касались глобальных континентальных процессов, и основное внимание было сосредоточено на представлениях о горообразовании. Существовало несколько теорий. Одни ученые связывали образование гор с расширением Земли, которое, по их мнению, было подобно увеличению воздушного шарика: по мере растяжения поверхности участки поднимались и формировались цепи гор. Другие ученые утверждали, что вся Земля вначале представляла собой расплавленный камень, а затем постепенно остывала, и в результате сжатия земного шара образовывались горы, подобно тому, как сморщивается кожура перезрелого и увядающего яблока. Эта теория известна как теория контракции, согласно которой континенты образовывались по мере опускания океанических бассейнов. Сформировались два лагеря, один в США, а другой – в Европе, которые отстаивали два противоположных варианта теории контракции.

Американский геолог Джеймс Дуайт Дана (см. главу 2) был главным сторонником теории контракции. Согласно его варианту гипотезы, минералы, охлаждавшиеся с разной скоростью, были тем, из чего сформировались массивы суши и океанические бассейны. Химические элементы более тяжелых минералов – железо и магний – сформировали более глубокие океаны, тогда как элементы более легких минералов – кремний, натрий, кальций и калий – сформировали континенты, скользящие выше в коре[225]225
  Oreskes N. From continental drift to plate tectonics // Oreskes N. (ed.). Plate Tectonics: An Insider’s History to the Modern Theory of the Earth. Boulder: Westview Press, 2003. P. 5.


[Закрыть]. Дана утверждал, что после формирования континенты и бассейны океанов зафиксировались неподвижно на своем месте. Этот американский вариант теории контракции также называли теорией перманентности.

Тем временем австрийский геолог Эдуард Зюсс, ведущий последователь европейской школы в теории контракции, был специалистом по географии Альп и применил теорию контракции для объяснения формирования этой горной цепи в своем труде «О строении высокогорных массивов Центральной Европы» (Ueber den Aufbau der mitteleuropäischen Hochgebirge), опубликованном в 1873 г. Работа Джеймса Даны в Америке оказала значительное влияние на Зюсса, и он стал первым, кто использовал термин «тектоника» (от греч. τεϰτονιϰός – строительный) применительно к теории, которая объясняет движения, деформацию и изменение формы крупных блоков земной коры со временем по отношению друг к другу. Зюсс описал, как фрагменты коры «борются» за свое положение, в результате чего происходит сокращение передних сторон блоков при их столкновении друг с другом и растяжение, когда они разделяются. Такие новаторские идеи, изложенные в теории контракции, прямо противоречили теории униформизма, поддерживаемой Лайелем, о медленных и постоянных процессах.

Исходный материал для горных систем должен был откуда-то взяться. Соответственно, теория геосинклиналей, выдвинутая американским геологом Джеймсом Холлом, объединила теорию перманентности Даны с представлениями об осадочных бассейнах. Холл предположил, что большие бассейны, образовавшиеся в местах прогиба коры и наполненные осадками, в конце концов в результате сжатия или скольжения блоков земной коры поднимались, образуя горные цепи. Эти бассейны получили неуклюжие названия: геосинклинали, миогеосинклинали и эугеосинклинали. Тем не менее некоторые из этих слов, подобно устойчивым к выветриванию породам, сохранились в геологической литературе.

Рис. 5.1. Физическая карта Америки, Африки и Атлантического океана, 1849 г., 24 × 28 см, масштаб не указан (Woodbridge, 1838; из коллекции карт Дэвида Рамзи; с любезного разрешения Центра карт Дэвида Рамзи, библиотеки Стэнфордского университета. https://purl.stanford.edu/zh174hj7174)

В теории контракции имелось несколько проблем и несоответствий. Если она была верна, тогда все горы должны были сформироваться в одно время и быть одинакового возраста, а геологи не могли это подтвердить. Более того, температуры внутри Земли должны были бы понижаться, но данные указывали на повышение температуры по мере увеличения глубины – на существование геотермического градиента, порождаемого энергией ядра Земли и распадом радиоактивных элементов. Теория контракции не могла объяснить распределение зон землетрясений и зон, где землетрясений не бывает. Кроме того, ученым давно было известно, что большие массивы гор, благодаря своему гравитационному притяжению, вызывают отклонение свинцового отвеса от его истинной вертикальной оси. Валлийский землемер и географ сэр Джордж Эверест, в честь которого названа гора, провел такое исследование при выполнении геологической съемки для Британской империи в Индии и Гималаях. Расчеты Джорджа Эвереста показали, что отвес отклоняется не настолько далеко, как ожидалось, исходя из массы одноименной горы. Ученый сделал вывод, что гора Эверест, должно быть, имеет меньшую плотность, чем предполагалось, а ее основание находится глубоко в коре, поддерживая ее массу. Но если бы континентальные массы были менее плотными, чем океаническая кора, тогда кора в районе гор не могла бы погружаться и превращаться в океаническую кору, и наоборот. Это был еще один гвоздь в крышку гроба теории контракции.

Эдуард Зюсс стал знаменит благодаря предположению о том, что наблюдаемые сегодня континенты в далеком прошлом, вероятно, были объединены в один континент. Зюсс назвал континент Гондваной в честь пластов осадочных пород верхнего карбона и нижнего мела, расположенных в исторической области Гондвана в Индии. Непрерывная последовательность горных пород включала залежи угля и примечательные растения глоссоптерисы, Glossopteris, – род ископаемых голосеменных, – которые сыграли значительную роль в развитии теории тектоники плит. Глоссоптериды, Glossopteridales, порядок вымерших растений, к которому относятся глоссоптерисы, обнаруживаются в «угольных болотах» с карбона до конца пермского периода (рис. 5.2). Зюсс публиковал полученные данные в своем главном труде «Лик Земли» (Das antlitz der Erde) начиная с 1883 г., последний том вышел в 1909 г.[226]226
  Suess E. Das antlitz der Erde, Bd. 1. Vienna: F. Tempsky; Leipzig: G. Freytag, 1885, 778 p.


[Закрыть], и в том же году был опубликован его перевод на английский язык[227]227
  Suess E. The Face of the Earth (translated by Sollas, H. B. C.). Oxford: Clarendon Press, 1909, 673 p.


[Закрыть].

Рис. 5.2. Листья ископаемого растения глоссоптерис из пластов пермского периода в Австралии (поле обзора 12,4 см в ширину). (James St. John, 2014)

Глоссоптерисы были распространены не только в горных породах исторической области Гондваны, но и, по меньшей мере, на трех других континентах, помимо Индостанского субконтинента, – в Австралии, Южной Африке и Южной Америке, – как в 1905 г. отметил профессор Кембриджского университета, специалист по палеоботанике Эдвард Александр Ньюэлл Арбер[228]228
  Arber E. A. N. Catalogue of the Fossil Plants of the Glossopteris Flora in the Department of Geology, British Museum (Natural History); Being a Monograph of the Permo-Carboniferous Flora of India and the Southern Hemisphere. Hertford: Stephen Austin, 1905, 255 p.


[Закрыть]. Полуостров Индостан был частью Гондваны в конце палеозоя и отделился во время распада Пангеи, начавшегося около 130 млн лет назад. Индостанский субконтинент откололся от Гондваны и начал двигаться в сторону Азии со скоростью 20 см в год и, наконец, столкнулся с Евразией, в результате чего возникли Гималаи. Арбер упоминал Гондвану Зюсса на своей карте, изображающей северные и южные виды глоссоптерисов.

Исследователи Антарктиды сыграли особенно важную роль в истории открытия полного комплекса глоссоптерисов, подтверждающих существование суперконтинента Пангеи и в конечном итоге дрейфа континентов, а затем и тектоники плит. Пангея («вся земля», от греч. πᾶν – всё и γαῖα – земля) – суперконтинент, существовавший в конце пермского периода. Открытие было сделано на основе данных, полученных во время трагической экспедиции Роберта Фолкона Скотта на корабле «Терра Нова». На обратном пути группы Скотта от Южного полюса в 1912 г. Эдвард Уилсон (группа знала его под именем «дядя Билл», и в дневниках Скотт называет его Биллом), ведущий ученый-геолог в составе экспедиции, обнаружил ископаемые остатки южного вида глоссоптериса рядом с ледником Бирдмора в угольных пластах с прослоями песчаника Бикона (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Карта Британской антарктической экспедиции Роберта Фолкона Скотта, главный маршрут к Южному полюсу. Картограф неизвестен, ок. 1930 г., Национальная библиотека Шотландии (оригинал карты в Scott, 1913. P. 418)

Рис. 5.4. Члены экспедиции «Терра Нова» на лыжах тянут санки с провизией на Южном полюсе, январь 1912 г. (Библиотека Конгресса, 1912; фотография Герберта Г. Понтинга)

Несмотря на то что собаки и пони, входившие в снаряжение экспедиции, давно погибли и команде приходилось идти пешком на снегоступах и на лыжах и тащить сани, Уилсон с коллегами собрали 17 кг геологических образцов и ископаемых из формаций (рис. 5.4). Скотт отмечал в своем дневнике:

…Я решил разбить лагерь, чтобы остаток дня посвятить геологическим исследованиям.

Было очень интересно. Мы очутились под отвесными скалами из интенсивно выветривающегося песчаника с ясно проступающими пластами угля. Уилсон своими зоркими глазами разглядел на угле несколько отпечатков растений. Между прочим, он отколол кусок угля с прекрасно вырисованными на нем листьями, а также несколько кусков с отлично сохранившимися отпечатками толстых стеблей, показывающих клеточное строение. В одном месте мы видели слепок маленьких волн в песке. Сегодня добыли кусок известняка с отпечатками. Жаль только, что нельзя себе представить, откуда этот камень. Он, очевидно, редкий, так как подобных образцов мало встречается в морене. Попадается довольно много чистого белого кварца[229]229
  Цит. по: Скотт Р. Ф. Экспедиция к Южному полюсу, 1910–1912 гг. Прощальные письма / Пер. с англ. В. А. Островского. М.: Дрофа, 2008.


[Закрыть][230]230
  Scott R. F. Scott’s Last Expedition (Vol. 1). N. Y.: Dodd, Mead and Co, 1913. P. 388–389. (Скотт Р. Ф. Экспедиция к Южному полюсу, 1910–1912 гг. Прощальные письма / Пер. с англ. В. А. Островского. М.: Дрофа, 2008.)


[Закрыть].

Песчаник Бикона с промежуточными слоями угля и сланца представляет собой почти горизонтально залегающее отложение, которое формировалось как в периоды с сухим, полуаридным климатом, так и во времена с влажными условиями болот. Зерна песка в формации Бикон округлые и имеют морщинистые отметины, указывающие на выветренные отложения дюн. Выветривание, упомянутое в цитате Скотта, – это явление, которое наблюдается при физическом воздействии воды или в результате химических реакций, вызывающих разрушение горных пород.

Скотт и участники его команды, отправившейся к Южному полюсу, в марте 1912 г., вскоре после совершенного ими открытия, скончались от истощения, так как все запасы продовольствия закончились. Из базового лагеря на «Терра Нова» была послана поисково-спасательная партия, но в конце марта ей пришлось вернуться из-за ухудшения погоды. Поисковая группа, которая должна была уже не спасти своих товарищей, а найти погибших, добралась до их лагеря лишь 12 ноября 1912 г. Поисковики обнаружили тела Скотта и его коллег, их дневники и тяжелые геологические образцы, которые Уилсон требовал нести в течение последних 50 дней их путешествия. Несомненно, этот груз с образцами мог замедлить движение исследователей, когда они покинули ледник Бирдмора. Поисковики привезли в Англию дневники, описания, часть снаряжения и геологические образцы.

Среди геологических образцов из последнего лагеря Скотта исследователи нашли множество фрагментов ископаемых глоссоптерисов[231]231
  Stillwell J. D. and Long J. A. Frozen in Time: Prehistorical Life in Antarctica. Clayton, Australia: CSIRO, 2011, 248 p.


[Закрыть]. Именно эти образцы стали источником важнейших данных о дрейфе континентов и основой представлений о Гондване. Климат и условия осадконакопления комплекса песчаников Бикон значительно отличались от современных условий Антарктиды, что указывало на движение континента. Найденные окаменелости подтверждали наличие в Антарктиде глоссоптерисов, ранее обнаруженных на Индостанском субконтиненте и на континентах – в Австралии, Южной Африке и Южной Америке. Это важнейшее открытие, возможно, стоившее исследователям жизни, обеспечило серьезную дополнительную поддержку идеи о том, что континенты действительно когда-то были соединены. В наши дни материалы экспедиции по-прежнему можно увидеть в Институте Скотта Британского музея.

В 1914 г. британский палеоботаник Альберт Чарлз Сьюард (1863–1941) опубликовал геологический отчет об ископаемых глоссоптерисах, их открытии и значении[232]232
  Seward A. C. Antarctic fossil plants: British Museum (Natural History) report, British Antarctic («Terra Nova») report. 1910 // Natural History Report, Geological Studies. London, Printed by order of the Trustees of the British Museum. 1914. V. 1. P. 1–49.


[Закрыть]. Сьюард осознавал последствия находок древних растений: работа Зюсса о Гондване уже была широко известна. Прежде в Антарктиде находили лишь возможные отпечатки ископаемых растений. Например, британский геолог Хартли Феррар собрал несколько образцов в южной части Земли Виктории во время первой экспедиции Скотта 1901–1904 гг., а в 1908 г. члены экспедиции сэра Эрнеста Шеклтона нашли следы плохо сохранившейся древесины. Но ни один образец нельзя было идентифицировать до вида или типа. Австралийская антарктическая экспедиция 1911–1914 гг. под руководством сэра Дугласа Моусона собрала образцы углистых сланцев (горной породы, богатой углеродом) с «отпечатками» растений рядом с ледником Бирдмора, но эти образцы тоже были неидентифицируемы. Сьюард в заключительной части своего отчета отмечал:

Учитывая недавно полученные данные, именно благодаря сравнительным исследованиям южных оконечностей Южной Америки, Южной Африки и Австралии, а также остальной части континента в пределах Южного полярного круга можно ожидать достижений в том, что касается лучшего понимания географических и геологических проблем Антарктиды. Героические усилия полярной экспедиции были не напрасны. Они заложили твердую основу: их успех внушает надежду на будущее и будет служить их последователям стимулом для сбора материала о суперструктуре[233]233
  Ibid. P. 44.


[Закрыть].

Альфред Вегенер был одним из тех, кто принял вызов.