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

Современная шкала геологического времени

Стивен Джей Гулд в своей книге «Чудесная жизнь: сланцы Бёрджесс и природа истории» (Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History), опубликованной в 1989 г., рассказывает, что, пытаясь научить своих студентов запоминать периоды шкалы геологического времени, он перепробовал мнемонические техники, игры, словесные ассоциации – любые средства для запоминания подразделений времени, – но ничего особенно не помогало. Гулд пишет, что не беспокоился бы о неудачах какой-то части студентов, если бы периоды представляли собой случайные интервалы шкалы, но они таковыми не являются:

История жизни представляет собой не запись непрерывного развития, а летопись, в которой знаки препинания расставлены в виде кратких, иногда мгновенных с точки зрения геологии событий массового вымирания и последующего роста разнообразия. Шкала геологического времени является картой истории, поскольку ископаемые дают нам главный критерий для фиксации последовательности горных пород во времени. Подразделения шкалы времени установлены между этими главными знаками препинания, потому что вымирания и быстрый рост разнообразия оставляют столь явные следы в палеонтологической летописи[199]199
  Gould S. J. Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History. N. Y.: Norton, 1989. P. 54.


[Закрыть].

В конце концов Гулд сообщил своим студентам, что им придется воспользоваться старинным способом: запоминать наизусть эти необходимые подразделения шкалы геологического времени. Как оказалось, такой способ также наиболее эффективен для понимания и усвоения информации о резких изменениях условий окружающей среды, которые оказывали влияние на живые организмы и стали причиной вымираний и повторного заселения.

Масштабы геологического времени трудно осознать любому. Джон Макфи, журналист из The New Yorker, который восхвалял геологию Соединенных Штатов во всей ее красоте и множестве форм, писал в 1981 г. в первой из своих четырех книг о геологии «Бассейны и хребты» (Basin and Range): «Человеческий разум, возможно, недостаточно развит для того, чтобы осознать геологическую историю. Вероятно, он лишь способен ее оценить»[200]200
  McPhee J. Basin and Range. N. Y.: Farrar, Strauss & Giroux, 1980. P. 127.


[Закрыть].

В упрощенном варианте шкалы геологического времени (см. цветную вклейку 4.1) показана биография Земли с рождения до настоящего времени. Время представлено от древнего докембрийского суперэона, 4,55 млрд лет назад (округлено до 4,6 млрд, в нижней части шкалы до молодой кайнозойской эры и наших дней в верхней части шкалы.

Подразделениями геологического времени (от более крупных единиц к более мелким) являются эоны, эры, периоды, эпохи и века. Специалисты по стратиграфии уточняли интервалы шкалы геологического времени, выделяя более мелкие единицы – эпохи и века, – по мере того, как становилось все больше известно о биографии Земли. Шкала времени представлена вертикально – от древнейших веков в нижней части до самых молодых на вершине – в соответствии с принципом суперпозиции (см. главу 1). Разделы внутри шкалы времени связаны с основными геологическими событиями и формируют основу для понимания прошлого и настоящего Земли. Этот рисунок заставляет по-новому посмотреть на продолжительность человеческой жизни и служит напоминанием о том, что люди представляют собой всего лишь одну из многих разнообразных форм жизни в истории нашей планеты. Диаграмма не пропорциональна: докембрий – время до фанерозойского эона – сжат таким образом, чтобы рисунок уместился на одной странице. Кроме того, на рисунке не показаны древние отделы докембрийского суперэона и гадейский эон.

Эти подразделения не случайны. Геологи и специалисты по стратиграфии десятки лет постоянно занимались установлением границ между эонами, эрами, периодами и эпохами. Подразделения шкалы геологического времени должны иметь точные начало и конец, а также достаточно крупные, четкие и отличимые следы физического присутствия в геологической летописи, чтобы их можно было распознать. Для того чтобы формацию учли, она должна иметь особый «тип» (характерный) разреза горной породы или обнажения, со статусом границы и точки глобального стратотипического разреза (GSSP), называемого также «золотым гвоздем». В качестве альтернативы комплекс горных пород может иметь обозначенную временную границу, которая лучше всего характеризует конкретный рубеж геологического времени и определена Международной комиссией по стратиграфии, основанной в 1961 г. Международная комиссия по стратиграфии принимает решение о фактическом местоположении объекта, который служит эталонным образцом реальной стратиграфической границы, с указанием широты и долготы. Этот объект обозначается «золотым гвоздем», и данные о нем публикуются в печати. В 2003 г. Международная комиссия по стратиграфии утвердила нижнюю временную границу туронского века, а в 2013 г. в Колорадо, недалеко от Пуэбло, была обозначена «золотым гвоздем» новая фактическая геологическая граница, которая определяет рубеж внутри верхней эпохи мелового периода мезозойской эры и служит отметкой начала туронского века[201]201
  Alden A. A New «Golden Spike» Monument in Colorado Marks Geologic Time // KQED, 2013. https://www. kqed. org/science/10292/a-new-golden-spike-monument-incolorado-marks-geologic-time.


[Закрыть].

Человечество оказало настолько сильное влияние на облик Земли и его изменения, что некоторые геологи и стратиграфы, специалисты по определению подразделений геологического времени в Международной комиссии по стратиграфии, обсуждают, не следует ли официально выделить новую эпоху под названием антропоцен – «эпоха людей». Пауль Крутцен (1933–2021), нидерландский химик, специалист по химии атмосферы и лауреат Нобелевской премии, и Юджин Стормер (1934–2012), профессор биологии Мичиганского университета, в 2000 г. предложили выделить антропоцен в качестве нового подразделения времени[202]202
  Crutzen P. J. and Stoermer E. F. The «Anthropocene» // Global Change Newsletter. 2000. V. 41, May. P. 17–18. http://www.igbp.net/download/18.316f18321323470177580001401/1376383088452/NL41.pdf.


[Закрыть]. Выделение новой эпохи, если такое решение примут, будет означать окончание голоцена и признание влияния людей. Споры ведутся в основном о том, когда установить ее начало.

Для стратиграфов и геологов выбор начала эпохи антропоцена и окончания эпохи голоцена зависит от геологической летописи. Некоторые осадки и горные породы содержат свидетельства человеческой деятельности. Испытания ядерного оружия – это лишь один пример человеческого воздействия, записи о котором хранятся в пластах и создают геологическую историю. Во время испытаний в атмосферу выбрасывался тритий, который попадал из воздуха в воду и осадки. Осадки со временем превращаются в горные породы (литифицируются) и обозначают начало ядерного века. Другим возможным маркером времени служат первые годы XIX в. – начало промышленной революции и сжигания угля в огромных масштабах по всей Европе. Пластик в окружающей среде может служить еще одним очевидным индикатором начала антропоцена. Несколько лет назад на Гавайях обнаружили скалы, состоящие из скопления пластика, продуктов извержения вулкана, песка и раковин[203]203
  Chen A. Rocks made from plastic found on Hawaiian beach // Science. 2014. http://www. sciencemag. org/news/2014/06/rocks-made-plastic-found-hawaiian-beach.


[Закрыть]. В 2019 г. Международная комиссия по стратиграфии не решила вопрос о выделении антропоцена в ранг самостоятельного подразделения времени. Тем не менее рабочая группа по антропоцену, входящая в состав подкомиссии по стратиграфии четвертичного периода (одного из подразделений Международной комиссии по стратиграфии), проголосовала за признание этой эпохи и запланировала в 2021 г. представить вопрос об официальном признании антропоцена Международной комиссией по стратиграфии[204]204
  Subramanian M. Anthropocene now: influential panel votes to recognize Earth’s new epoch // Nature. 2019. V. 21. P. 2019.


[Закрыть].

По мере накопления все большего количества данных о горных породах и их обнажениях стала очевидной необходимость использования стандартных цветов и символов. Международная комиссия по стратиграфии определила стандартные цвета для шкалы геологического времени для Европы. Американские геологи пользуются отличающейся цветовой схемой для обозначения конкретных подразделений времени. Международная комиссия по стратиграфии обозначает породы, относящиеся к силурийскому и девонскому периодам, бирюзовым и желто-коричневым цветом соответственно. Американские геологи используют для обозначения силурийских пород пурпурный цвет и синий – для девонских. Геологические карты и шкала геологического времени составляют единое целое.

Исторический идеал в сфере применения цвета на временной шкале и, позднее, на геологических картах был основан на спектре цветов «красный – пурпурный – фиолетовый – синий – зеленый – желтый», когда самые древние породы обозначались красным цветом, а самые молодые – желтым. Джон Уэсли Пауэлл, директор Геологической службы США, следовал этой основной закономерности распределения цветов. Международная система лучше приспособлена для применения при обозначении горных пород, относящихся к мезозойской эре и четвертичному периоду, но не столь отчетливо выделяет более древние породы палеозойской системы, такие как в Аппалачах[205]205
  Willis B. Index to the stratigraphy of North America: U. S. Geological Survey Professional Paper No. 71. 1912, 894 p., with Map 1:5,000,000 by Willis B. and Stose G.


[Закрыть]. Появление двух систем цветового кодирования шкалы геологического времени и геологических карт – это отдельная история, которая связана с историей геологии.

В 1876 г., сразу после всемирной выставки в Филадельфии, группа геологов встретилась в Буффало, штат Нью-Йорк, для обсуждения вопроса об учредительном комитете по организации Международного геологического конгресса. Американская ассоциация содействия развитию науки ставила только одну задачу – определить «уместность» такой группы, тогда как члены комитета в любом случае продвинулись еще дальше, создав его. Эти действия вызвали тяжелые чувства у некоторых членов Ассоциации и геологов, которые видели необходимость в проведении конгресса[206]206
  Frazer P. The American Association for the Advancement of Science, of 1890 // American Naturalist, Proceedings of Scientific Societies, 1890. V. 24. Part 2. P. 987.


[Закрыть].

В 1878 г. в Париже прошел 1-й Международный геологический конгресс (МГК), с участием американского учредительного комитета[207]207
  King P. B. and Beikman H. M. Explanatory text to accompany the geologic map of the United States // U. S. Geological Survey Professional Paper 901. Washington, D. C.: U. S. Government Printing Office, 1974. P. 25, 26.


[Закрыть]. В повестку были включены следующие темы: унификация названий и символов, принятие решений о границах между подразделениями, обозначение разломов и линейных объектов на картах, наилучшие способы применения данных о фауне и флоре при принятии решений о границах, а также использование минералогии, химии и структуры горных пород для определения их происхождения и возраста[208]208
  Frazer P. A short history of the origin and acts of the International Congress of Geologists, and of their American Committee delegation to it // American Geologist. 1888. January. V. 1. № 1. P. 8.


[Закрыть]. Во время этой первой встречи была заложена основа для создания руководящих документов, но решения по конкретным постановлениям были отложены до Второго геологического конгресса, который состоялся в Болонье в 1881 г.

Пауэлл стал вторым директором Геологической службы США в марте того же года, незадолго до проведения первой сессии МГК. Не дожидаясь принятых в сентябре решений европейских геологов, Пауэлл в одной из первых служебных записок утвердил указания по созданию геологических карт США. Так появилась на свет американская система цветовых обозначений.

В 1881 г. на Втором геологическом конгрессе были согласованы и официально приняты классификации названий горных пород и геологического возраста, а также общая цветовая схема, основанная на подразделениях времени, – международная система цветовых обозначений. Также были сформулированы правила наименования биологических видов. В 1885 г. на третьей сессии конгресса в Берлине были приняты уточнения и усовершенствования различных систем, в том числе системы цвета на геологических картах.

Американский учредительный комитет, назначенный для содействия в организации МГК, в первые годы своего существования собирался семь раз и отправлял делегации на каждый конгресс. После шестой встречи комитета Пауэлл выступил с возражениями против значительной части результатов работы Международного геологического конгресса. Персифор Фрейзер, секретарь комитета, отмечал:

Вопрос, который больше всего беспокоит американских геологов, заключается в том, как они предполагают относиться к своему собственному детищу. Конгресс экспертов из каждой страны мира, собравшихся вместе, чтобы избавиться от путаницы, возникающей из-за неверного использования терминов, синонимов и местных предрассудков, и таким образом способствовать прогрессу науки, определенно является идеей XIX в. Эта идея не принадлежит джентльменам, которые организовали Геологический конгресс, поскольку подобные эксперименты проводились неоднократно и ранее. Однако никакой иной науке подобная помощь не требовалась больше, чем геологии, которая особенно уязвима и может погибнуть от рук любого, кому предоставлены определенные условия и кто обладает физической возможностью путешествовать по стране со своим собственным окружением и честолюбивым стремлением публиковать свои работы[209]209
  Ibid. P. 99.


[Закрыть].

Фрейзер продолжает:

Мораль проста: каждый истинный ученый-геолог должен был бы искренне поддерживать работу конгресса, зная, что благодаря сотрудничеству, которое он обеспечивает, прогресс науки будет несоизмеримо большим, чем в результате отдельных усилий горстки лидеров, каждый из которых пользуется ресурсами своего правительства, чтобы показать, что все остальные безнадежно заблуждаются, тогда как он сам исключительно и во всем прав[210]210
  Ibid. P. 100.


[Закрыть].

Это было язвительное осуждение действий Пауэлла. Двумя годами позже, в 1890-м, небольшая группа внутри Американской ассоциации содействия развитию науки приняла решение о роспуске американского учредительного комитета МГК, к большому разочарованию его членов[211]211
  Frazer, 1890. P. 987.


[Закрыть]. Сессия МГК в 1891 г. проводилась в Вашингтоне, но раскол в среде американских геологов сохранился. Его последствия наблюдаются до наших дней в том, как используются цвета и символы на геологических картах: американские геологи, в отличие от их коллег во всем остальном мире, по-другому обозначают формации и возраст горных пород.

Нанесение шкалы геологического времени на карту

Геологические карты содержат цвета подразделений шкалы геологического времени. Это карты подстилающих пород и поверхностных геологических комплексов, на которых горные породы и группы сходных пород показаны цветом и обозначены символами, идентичными цвету и символам шкалы геологического времени. Поэтому они представляют собой важный элемент для определения геологической истории региона, и к тому же визуально яркий. Геологическая съемка выполняется геологами в полевых условиях, а также с помощью анализа информации со спутников и других данных, полученных с использованием методов дистанционного зондирования. Геологические карты и шкала геологического времени тесно связаны не только за счет идентификации горных пород и их комплексов, но и потому, что горные породы на карте показаны в формате шкалы геологического времени как часть легенды карты. Чем больше геологи узнают о горных породах и их комплексах в природе, тем более точно определяется геологическое время.

Большая часть информации, составляющей основу шкалы геологического времени, получена путем идентификации комплексов горных пород и формаций в природе – благодаря работе полевых геологов. Эти данные служат для усовершенствования и подтверждения временной шкалы. Первая геологическая карта Англии, Уэльса и Южной Шотландии, созданная в эпоху современной геологии, – это карта Смита от 1815 г. (см. главу 1). Карта Смита была большой – 188 на 267 см – и напечатана в масштабе 1:316800 (5 миль в 1 дюйме). Для создания карты в задуманном Смитом масштабе потребовалось пятнадцать гравюр на меди (см. главу 1, цветную вклейку 1.2). Потом карту вручную раскрашивали акварелью, чтобы представить различные типы горных пород. Из 380 оригинальных карт сохранилось около 100. Одно из первых изданий карты оказалось в архиве Британского геологического общества и было открыто повторно лишь в 2015 г. – как раз к 200-летней годовщине публикации. На легенде к карте Смита геологические комплексы представлены в возрастном порядке: от молодых пород наверху к древним внизу, в соответствии с принципами Вернера и его концепцией первой шкалы геологического времени.

Первая геологическая карта, созданная в Соединенных Штатах в эпоху современной геологии, была составлена в 1809 г. шотландским геологом Уильямом Маклюром, переехавшим жить в США (см. цветную вклейку 4.2)[212]212
  Maclure W., Tanner H. S. and Lewis S. Observations on the geology of the United States, explanatory of a geological map // American Philosophical Society Transactions, 1809. V. 6, 411 p. and map.


[Закрыть]. Более старая французская карта, на которой показаны слои мергеля и глины от острова Кейп-Бретон до Мексиканского залива, была создана еще до карты Маклюра, в 1752 г. Однако неясно, была ли она когда-нибудь проверена в полевых условиях или является результатом попытки полевого картографирования; возможно, картограф во Франции создал эту карту на основе докладов французских офицеров[213]213
  King and Biekman, 1974.


[Закрыть]. Как бы то ни было, Маклюр провел тщательную геологическую съемку в поле перед созданием карты. Однако, недовольный тем, как на его карте были показаны горы, в 1817 г. он заказал вторую карту[214]214
  Maclure W. Observations on the Geology of the United States of America, with some remarks on the effect produced on the nature and fertility of soils, by the decomposition of the different classes of rocks; and an application to the fertility of every State in the Union, in reference to the accompanying geologic map // American Philosophical Society Transactions, Memoire, 1817, 2 plates, 127 p.


[Закрыть]. На основе вернеровской классификации «первозданные» породы отмечены «коричневой сиеной» (соответствуют Аппалачам); переходные формации обозначены «карминным цветом» (узкая полоса формаций, которые, как выявил Маклюр, залегают под наклоном к западу от примитивных пород); вторичные формации – горизонтально залегающие горные породы Аллеганского плато – показаны «светло-голубым» (к западу от переходных формаций), а аллювиальные отложения проиллюстрированы «желтым» (к востоку от первозданных пород, соответствуют осадкам береговой прибрежной равнины). Горные районы обозначены на карте штрихами, отражающими направление уклона и рельеф. И все же стратиграфическая колонка на карте представляет породы не в геологической последовательности от древних пород у основания до молодых на вершине, а наоборот – от древних на вершине к молодым у основания. Поэтому карту нельзя в строгом соответствии соотнести с геологическим временем.

Первые рекогносцировочные геологические карты запада США датируются периодом 1860–1870-х гг. Карты, охватывающие всю территорию Соединенных Штатов, существуют с 1855 г.; после Гражданской войны качество геологических карт значительно улучшилось благодаря цветной литографии.

Геолог Джордж Стоуз и картограф Олоф Юнгстедт, оба из Геологической службы США, в 1932 г. составили детализированную цветную геологическую карту США в масштабе 1:2500000, которая стала основой для геологических работ и анализа на протяжении следующих сорока лет; последний раз карта переиздавалась в 1960 г.[215]215
  Stose G. W. and Ljungstedt O. A. Geologic map of the United States. U. S. Geological Survey, 1932, scale 1:2500000.


[Закрыть]. Позже геологическая карта Кинга и Бейкмана, созданная в 1974 г. для смежных штатов США (единого массива из 48 штатов) на двух листах в масштабе 1:2500000 (см. цветную вклейку 4.3), заменила работу Стоуза—Юнгстедта[216]216
  King P. B., Beikman H. M. and Edmonston G. J. Geologic map of the United States (exclusive of Alaska and Hawaii): US Geological Survey. 1974, Scale 1: 2,500,000, 2 Plates: 40.75 × 52.50 inches and 40.63 × 52.49 inches; Legend.


[Закрыть].

Наряду с геологическими картами, демонстрирующими пласты на плоскости с высоты птичьего полета, существуют поперечные срезы, на которых геологическое строение показано в третьем измерении: вертикально. Большинство геологов считают, что рассматривать Землю в третьем измерении, то есть видеть глубину, – очевидно просто, и очень огорчаются, когда их студенты не могут представить мир в вертикальном сечении. К счастью, студенты и остальные могут развить этот навык благодаря практике. Кювье и Броньяр представили первый геологический разрез в своем докладе о строении Парижского бассейна (см. цветную вклейку 4.4)[217]217
  Cuvier G. and Brongniart A. Essai sur la géographie minéralogique des environs de Paris, avec une carte géognostique, et des coupes de terrain (2 volumes). Paris: Baudouin, 1811, 271 Pl. I: Fig. 1 [of 11].


[Закрыть].

Поперечные сечения дают геологам возможность раскрыть историю Земли, увидеть, что происходило с пластами на протяжении длинных промежутков времени, выяснить, образовывались ли складки или разломы, а также исследовать соотношения между комплексами горных пород. На большинстве геологических карт представлен как вид сверху, так и один или более геологический разрез. Геологические комплексы расположены в стратиграфической последовательности: самые молодые горные породы – на вершине, а древнейшие – в нижней части колонки. Стороны света всегда расположены так, что север находится в верхней части листа, где обозначены стрелка-указатель севера, магнитное склонение и масштаб. Местоположение вертикального сечения обозначено на виде сверху линией с буквами, обычно A-A’ для одного, или первого, геологического разреза, а сам геологический разрез показан под основной картой и обозначен теми же буквами в качестве ориентиров. Особенности, которые могут быть не видны на поверхности, становятся видимыми на вертикальном сечении. Большой каньон в Аризоне представляет собой один из примеров крупного вертикального обнажения горных пород. Еще один пример – обнажение осадочных пород протяженностью 3,35 км, находящееся в резервации индейцев кроу в национальной зоне отдыха Бигхорн-Каньон на юге штата Монтана (рис. 4.1)[218]218
  Klauk, E. Geology and physiography of the Crow Reservation, integrating research and education, impact of resource development on American Indian Lands, n. d. https://serc.carleton.edu/research_education/nativelands/crow/geology.html.


[Закрыть].

Естественные обнажения такой протяженности встречаются редко. Данные, используемые для создания геологических разрезов, обычно получают путем проецирования известной информации о поверхности на подземное строение, при помощи бурения скважин или дистанционного зондирования, как это делают при разведке нефти. При использовании данных, полученных из буровых скважин, могут делаться обоснованные предположения относительно геологического строения участка между точками отбора. Построенный геологический разрез позволяет получить информацию о местоположении и уровне грунтовых вод, минеральных ресурсах, характере разломов и других угроз, а также о геологической истории местности.

Рис. 4.1. Обнаженные скалы, национальная зона отдыха Бигхорн-Каньон, штаты Монтана и Вайоминг, 2004 (Brian W. Schaller, 2004)

Еще один способ «заглянуть вглубь», используемый геологами, – это пространственные диаграммы, или трехмерные геологические модели, в которых геологическое строение поверхности показано на верхней стороне куба, а глубинное строение – на вертикальных сторонах куба. Эти компьютерные модели позволяют исследовать геологические объекты, которые труднодоступны с поверхности. Пространственные диаграммы часто используют в процессе преподавания и в иллюстративных целях: их можно нарисовать от руки, или сгенерировать трехмерное изображение с помощью компьютерных моделей. Некоторые изображения очень сложные: геологи используют их для оценки экономических ресурсов, выявления шлейфов загрязняющих веществ в подземных водах и изучения свойств разломов.