Текст книги "Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога"

Не зная истинных механизмов наследственности, Дарвин тем не менее пришел к верному заключению, что эволюция путем естественного отбора должна была занять от сотен миллионов до миллиардов лет, чтобы произвести все наблюдаемое разнообразие живых и ископаемых форм жизни. Его интуитивная догадка о величине геологического времени была поистине гениальной, однако ее достоверность была подорвана включением в тщательно продуманный во всех остальных отношениях научный труд единственной ошибочной попытки количественного расчета. Как и Геттон, Дарвин использовал для измерения прошедшего времени скорость эрозии. Значительно недооценив рельефообразующую способность английских рек, он предположил, что образование долины в районе Уилд заняло порядка 300 млн лет (теперь мы знаем, что эта оценка была завышена по меньшей мере в 100 раз). Поскольку породы, слагающие склоны долины, были еще старше, но в то же время являлись одними из самых молодых в этом регионе, Дарвин предположил, что возраст самой Земли может составлять тысячу миллионов (миллиард) лет и даже больше. Его вывод был на удивление близок к истине, однако в своих расчетах он неосторожно взял за основу один-единственный неверный аргумент, который можно было легко опровергнуть.

С 1864 по 1897 г. Кельвин опубликовал ряд работ, в которых, опираясь на новейшие физические знания, а именно на предположения о скорости кондуктивного охлаждения планеты и продолжительности существования Солнца, приводил уточненные расчеты максимально возможного возраста Земли. Его первоначальная оценка составляла несколько сотен миллионов лет, но в итоге уменьшилась всего до каких-то 20 млн. Разочарованные тем, что Кельвин отводил геологической истории планеты все меньше и меньше времени, некоторые геологи предприняли попытку провести независимые оценки, суммировав толщину всех известных слоев, начиная с кембрийского периода до настоящего времени, и затем разделив эту цифру на предполагаемую скорость накопления осадков. При таком подходе возраст Земли мог быть от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов лет, однако неизбежные при таких расчетах неопределенности позволяли легко опровергнуть эти результаты. Среди молодых физиков некоторые также высказывали сомнения по поводу фундаментальных предположений, лежавших в основе расчетов Кельвина, – ошибочность которых будет доказана десятилетия спустя, – но им не хватило смелости навлечь на себя гнев общепризнанного корифея науки. Еще один оригинальный подход был предложен химиком Джоном Джоли (позже изобретшим цветную фотографию), который решил измерить возраст Земли по концентрации натрия в морской воде. Согласно его гипотезе (также ошибочной), реки постоянно вымывают из горных пород на суше растворяемые элементы и приносят их в морские водоемы, в результате чего вода в океанах со временем становится все более соленой. Используя средние значения содержания натрия в речной воде, Джоли оценил возраст Земли в 100 млн лет, тем самым отвоевав часть позиций, которые геологи уступили лорду Кельвину[13]13
  Хотя это число не отражало реальный возраст Земли, в нем имелся некоторый смысл: оно приблизительно соответствует современной оценке среднего времени пребывания атома натрия в морской воде до его выведения оттуда через испарение брызг и осаждение каменной соли. В приложении II приведены данные по времени пребывания других видов геологического «вещества» в различных резервуарах.


[Закрыть].

В последующие годы Дарвин называл Кельвина своей «самой большой неприятностью». Он умер в 1882 г., терзаясь мучительными сомнениями по поводу труда всей своей жизни: его эволюционная теория была несовместима с предполагаемым возрастом планеты. В XX в. физика опровергла аргументы его противника, но истинные мотивы лорда Кельвина становятся очевидны из речи, произнесенной им по случаю избрания на пост президента Британской ассоциации содействия развитию науки: «Я всегда считал, что гипотеза естественного отбора не содержит истинной теории эволюции, если эта эволюция в биологии вообще имела место… Повсюду мы видим убедительнейшие доказательства разумного и благого замысла… и осознаем, что все живое зависит от единого неустанно трудящегося Творца и Правителя»[14]14
  Thomson W. (Lord Kelvin), 1872. President's Address. Report of the Forty– First Meeting of the British Association for the Advancement of Science, Edinburgh, pp. lxxiv-cv. Reprinted in Kelvin, 1894, Popular Lectures and Addresses, vol. 2. London: Macmillan, pp. 132–205.


[Закрыть].

Чаепитие с Дарвином

Вопрос о продолжительности геологического времени волновал Дарвина, возможно, больше, чем любого другого человека в истории, и всякий раз, когда я думаю о его интеллектуальных мучениях в последние десятилетия жизни, то испытываю к нему глубокое сочувствие. Поэтому к 200-летнему юбилею Дарвина я организовала в библиотеке нашего университета публичные чтения: десятки преподавателей, сотрудников и студентов по очереди зачитывали вслух 20-минутные отрывки из «Происхождения видов», которые каждый час перемежались короткими дискуссиями.

Обстановка прекрасно соответствовала мероприятию: в обшитом деревянными панелями зале редких книг мы угощали собравшихся традиционным британским чаем и булочками-сконами с джемом, а несколько чтецов даже пришли в костюмах Викторианской эпохи. Я не ожидала, что этот интеллектуальный марафон может оказаться таким волнующим опытом и вызвать у меня столько эмоций. Слова Дарвина, звучавшие на протяжении всего дня, и атмосфера в целом производили ошеломляющий эффект. В словах, произносимых мужчинами и женщинами, учеными и музыкантами, философами и экономистами, представителями молодого и старшего поколения, можно было услышать живой человеческий голос самого Дарвина – его восхищение мельчайшими деталями мира природы, его скрупулезную основательность как ученого (несколько слушателей даже заснули во время чтения длинных разделов, посвященных селекции голубей), его нежелание брать на себя роль революционера и, самое трогательное, одолевавшие его сомнения и робость вкупе с попыткой заранее защитить себя от неизбежных нападок оппонентов. «Происхождение видов» – это смиренное, великолепно аргументированное, методичное (и зачастую довольно утомительное) изложение поистине революционной идеи, которая, как предвидел сам Дарвин, подвергнется самой яростной критике. Чего он, похоже, не предугадал, так это того, что одним из главных предметов нападок станет вопрос о геологическом времени. В 9-й главе он смело написал: «Тот, кто, прочтя великое произведение сэра Чарльза Лайеля «Принципы геологии», которое будущий историк признает как совершившее революцию в естественных науках, все же не захочет допустить всю громадность истекших периодов времени, пусть тотчас же закроет этот том».

К концу марафона у меня возникло странное иррациональное ощущение, будто Дарвин находится в комнате среди нас, и острое желание поговорить с ним. Я вспомнила портрет пожилого Дарвина, висящий в Национальной портретной галерее в Лондоне. На нем изображен ссутулившийся человек с печальным взглядом, который, кажется, почти физически раздавлен интеллектуальными ограничениями своего времени. Мне хотелось рассказать ему, каким удивительным образом расцвела и эволюционировала его научная идея, породив бесчисленные новые области исследований, и наконец-то разрешить его интеллектуальные терзания, поделившись с ним важной новостью: Земля – очень старая планета.

Породы отсчитывают время

Помимо нанесенной Дарвину обиды та дискуссия о возрасте Земли причинила серьезный ущерб и самой геологии. Поскольку выводы физики все больше противоречили растущему массиву данных о длительной планетарной истории, в геологическом сообществе распространилась идея, что геология должна порвать с другими науками и использовать собственные, независимые методы научных исследований. Такой тупик в отношениях с физикой хотя отчасти и был объяснимым, но, к сожалению, негативно повлиял на несколько поколений геологов и на десятилетия затормозил развитие геологической науки. Отвращение к физике и недоверие к «чужакам» привели к тому, что геологическое сообщество много лет упорно отрицало теорию дрейфа материков, предложенную в 1915 г. немецким метеорологом Альфредом Вегенером. Вегенер представил убедительные доказательства того, что земные континенты некогда были соединены в один суперконтинент Пангею. Но из-за отсутствия у него геологического образования, вкупе с резким неприятием американцами и британцами всего немецкого во время и после Первой мировой войны, его идеи оставались преданными анафеме в геологических кругах вплоть до 1960-х гг., когда они были возрождены в виде прогрессивной концепции тектоники плит.

Тем не менее в первые годы XX в. именно революция в физике обеспечила инструменты, которые позволили вывести заплутавшую геологию из викторианского лабиринта. Всего десятилетие спустя после случайного открытия Антуаном Анри Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности этот феномен уже был использован для определения возраста горных пород. К 1902 г. исследования Марии Кюри в Париже и Эрнеста Резерфорда в Кембридже показали, что радиоактивный распад является своего рода природным алхимическим процессом, в ходе которого некоторые элементы (например, уран) самопроизвольно испускают энергию и в результате превращаются в другие элементы (например, свинец) и это происходит с постоянной скоростью, пропорциональной оставшемуся количеству исходного элемента. Сейчас нам известно, что химические элементы, которые определяются количеством протонов в ядре, могут иметь разное количество нейтронов – такие разновидности элементов были названы изотопами – и что разные материнские изотопы могут испытывать разные виды распада с образованием разных дочерних изотопов других элементов. Но на заре XX в. структура атома еще не была известна: атомное ядро было открыто Резерфордом только в 1911 г., а изотопы – еще несколько лет спустя.

В 1903 г. Резерфорд доказал, что процесс радиоактивного распада следует экспоненциальному закону, и это сразу натолкнуло его на мысль, что данный процесс можно использовать как естественные часы для определения возраста урансодержащих пород. В 1908 г. (всего через год после смерти лорда Кельвина) одаренный 18-летний студент-физик лондонского Имперского колледжа Артур Холмс заинтересовался этой идеей и решил предпринять амбициозный проект по определению абсолютных геологических дат[15]15
  Увлекательную, превосходно написанную биографию Артура Холмса вы найдете в книге: Cherry Lewis, 2000. The Dating Game: One Man's Search for the Age of the Earth. Cambridge: Cambridge University Press.


[Закрыть]. Холмс начал собирать образцы горных пород, содержащих определенные минералы, особенно циркон, которые, как было известно, при своей кристаллизации могли включать в кристаллическую решетку только атомы урана (U), но не свинца (Pb). Затем он измерял относительные концентрации урана и свинца в таком минерале и, используя закон радиоактивного распада Резерфорда, который количественно описывал зависимость радиоактивности от времени, рассчитывал время, прошедшее с момента кристаллизации минерала[16]16
  Основное уравнение Резерфорда – Содди, математическое описание радиоактивного распада, имеет вид dP/dt = -λP, где P – число атомов материнского изотопа в любой данный момент времени, dP/dt – скорость распада, а λ – постоянная распада для данного изотопа. Отношение между периодом полураспада t₁/₂ и постоянной распада равно t₁/₂ = ln 2/λ или 0,693/λ. Примерно за 10 математических шагов из закона Резерфорда можно вывести уравнение – так называемое уравнение возраста, которое выражает возраст минерала (время, прошедшее с момента кристаллизации, t) как функцию соотношения дочерних/материнских изотопов D/P и постоянной распада λ. Оно имеет простой вид: t = 1/λ [ln (D/P +1)].


[Закрыть].

С математической точки зрения эти расчеты на удивление просты и требуют знания всего двух чисел: (1) соотношения дочернего и материнского элементов (Pb: U), которое растет вместе с увеличением возраста породы и не зависит от первоначального (неизвестного) количества исходного материала (табл. 2. 1) и (2) постоянной распада материнского элемента, которая, по существу, является вероятностью распада каждого отдельного атома за определенное время, что можно сравнить с шансами человека выиграть в лотерею в отдельно взятом году. Таким образом, постоянная распада измеряется в единицах времени t ^{– 1} (или 1/t). Резерфорд вычислил постоянную распада урана на основе измерения количества радиоактивного излучения, испускаемого определенной массой урана за данный интервал времени. Постоянная распада также обратно пропорциональна более знакомой величине – периоду полураспада, т. е. времени, за которое половина материнского вещества распадается, превращаясь в дочернее вещество. Другими словами, низкое значение постоянной распада (низкая вероятность выигрыша в лотерее) означает длительный период полураспада (очень нескорый выигрыш), и, наоборот, высокое значение этой константы означает короткий полураспад (быстрое обогащение).

К 1911 г., несмотря на все еще недостаточное понимание явления радиоактивности и примитивное лабораторное оборудование, Артур Холмс определил абсолютный возраст полудюжины магматических пород, чьи взаимоотношения с осадочными слоями позволяли определить диапазоны их относительного возраста на геохронологической шкале, основанной на ископаемых остатках. Три образца пород относились к хорошо охарактеризованному окаменелостями палеозою и еще три – к хронологически темному, недифференцированному докембрию. Хотя на тот момент не было известно, что свинец образуется в результате распада не только урана, но и еще одного радиоактивного элемента – тория, вычисленные Холмсом даты были на удивление близки к современным оценкам (в пределах десятков миллионов лет).

Самой первой породой, исследованной Холмсом, был гранит из Норвегии, который (как предполагалось на основе его секущих взаимоотношений с толщей осадочных слоев, богатых ископаемыми остатками) образовался в девонском периоде. Радиоактивный анализ показал, что возраст этого гранита составляет приблизительно 370 млн лет – в 18 раз больше, чем возраст Земли, согласно оценке лорда Кельвина. А возраст докембрийского метаморфического гнейса с Цейлона (ныне остров Шри-Ланка) оказался равным 1,64 млрд лет, т. е. на целых два порядке больше, чем упомянутая оценка. Интуитивная догадка Дарвина была полностью реабилитирована. Долго господствовавшие кельвиновские декларации мгновенно потеряли свое значение, поскольку радиоактивность не только дала возможность непосредственно измерить абсолютный возраст пород, но и оказалась важным источником внутреннего тепла, не учтенного Кельвином в его расчетах скорости охлаждения планеты. (Годы спустя Холмс оспорит еще одно фундаментальное предположение Кельвина, утверждая, что Земля остывает в результате действия не столько кондуктивного, сколько конвективного механизма теплообмена.) Со временем Холмс был признан одним из наиболее выдающихся геологов XX в. Самым важным было то, что созданная им абсолютная геохронологическая шкала, пусть и не совсем точная, теперь могла быть откалибрована. Даже самые отдаленные глубины геологического времени оказались доступны для измерения. С этого момента докембрий перестает быть белым пятном, недоступным для человеческого познания.

Обычные осадки

На самом деле становление новой науки геохронологии (буквально «учения о геологическом времени») заняло еще не один десяток лет. Использование радиоактивных изотопов как высокоточных геологических часов стало возможным лишь благодаря прогрессу в ядерной физике, космохимии (которая в том числе изучает звездное происхождение земных химических элементов), петрологии (изучающей магматические и метаморфические породы), минералогии, а также благодаря разработке новых аналитических приборов, в частности масс-спектрометров, способных различать разные изотопы одного элемента и измерять их концентрацию. Одна из нетривиальных проблем заключалась в том, что геохронологическая шкала, столь кропотливо составленная геологами Викторианской эпохи с использованием ископаемых органических остатков, была полностью основана на осадочных породах. Любые получаемые изотопные датировки отражали не возраст самих осадочных отложений, а время кристаллизации предшествовавших магматических или метаморфических пород, ставших впоследствии источником обломочного материала изучаемых осадков. Таким образом, установление абсолютных датировок для основанной на палеонтологических данных стратиграфической шкалы потребовало поиска «удачных» обнажений (выходов на поверхность коренных горных пород), в разрезах которых осадочные породы с четко определенным биостратиграфическим возрастом переслаивались бы с магматическими породами или прорывались последними, что позволило бы непосредственно связать изотопный возраст этих магматических пород со временем, отвечающим образованию ископаемых остатков (рис. 4). Для этой цели идеально подходят слои вулканического пепла, поскольку они сложены неизмененными кристаллами магматического происхождения, осаждение которых из атмосферы происходило в геологическом отношении практически мгновенно, и перемежаются с палеонтологически охарактеризованными осадочными породами.

Слои пепла в толще осадочных пород дают нам общее представление о том, как формировалась каменная летопись прошлого Земли. Глядя на слоистые породы, например на невероятные по красоте стены Большого каньона, можно подумать, что каждый слой образуется наподобие снежного покрова, который покрывает всю данную область за один четко определенный отрезок времени. Но так происходит далеко не всегда. Возьмем, например, красивый, белый, почти чисто кварцевый песчаник Сент-Питер ордовикского возраста, выходящий на поверхность вдоль речных долин в Миннесоте, Айове, Висконсине и на севере Иллинойса, а также образующий живописную чашу водопада Миннехаха близ Миннеаполиса. На протяжении десятилетий эти песчаники служили источником кремнезема для производства оконного стекла на заводе «Форд» в городе Сент-Пол. Во времена сухого закона естественные полости в песчаниках этой формации вдоль реки Миссисипи были превращены в систему пещер под агломерацией городов-близнецов (Миннеаполиса и Сент-Пола), где размещались тайные склады алкоголя и подпольные бары.

Песчаник Сент-Питер представляет собой хрупкую, мало похожую на «камень» породу, и, когда она распадается в ваших руках на однородные округлые зерна, легко увидеть, что это древний пляжный песок. Однако песчаники Сент-Питер выходят на поверхность на территории четырех штатов и, как показывают результаты бурения, продолжаются на глубине под Мичиганом, Индианой и Огайо. Ни один пляж не мог бы покрывать такую огромную территорию в отдельно взятый момент времени. В действительности формация Сент-Питер образовалась в результате постепенной миграции пляжей по поверхности земли, по мере того как древние мелководные моря то покрывали эти территории, то отступали с них на протяжении миллионов лет. Однажды в ордовике в зарождающихся Аппалачах, в сотнях километров отсюда, произошло извержение супервулкана, и наполнившие атмосферу облака вулканического пепла осели на моря Мидконтинента, оставив по всему этому региону тонкий слой зеленоватой глины, как если бы это была точно датированная дневниковая запись. В некоторых местах данный пепловый слой встречается вблизи кровли формации Сент-Питер, но на остальных участках песчаники данной формации залегают намного ниже этого пеплового уровня, будучи погребенными под толщей других отложений задолго до извержения вулкана. Это говорит о том, что возраст песчаников Сент-Питер, несмотря на то что слой этих безошибочно диагностируемых пород непрерывно прослеживается на сотни километров, не является одинаковым на всем его протяжении. Обобщая, можно сказать, что, за исключением слоев, которые маркируют внезапные региональные или глобальные события, такие как мощное извержение вулкана или удар крупного метеорита, регионально распространенные осадочные толщи не являются строго изохронными, т. е. сформированными в один и тот же момент времени. Напротив, они отражают медленное перемещение обстановок осадконакопления по поверхности Земли во времени по мере изменения уровня моря и условий окружающей среды. Выражаясь геологическим языком, такие стратиграфические подразделения являются диахронными, т. е. они пересекают время.

Бюрократы времени

В наши дни геохронологическая шкала – не просто таблица или даже многотомный фолиант, а гигантская цифровая база данных, которая находится в ведении Международной комиссии по стратиграфии (International Commissionon Stratigraphy, ICS) – самого старого и самого важного органа Международного союза геологических наук. Эта комиссия устанавливает строгие правила в отношении геологических подразделений и их ограничений, а также занимается скрупулезной каталогизацией обнажений, формаций пород, ископаемых органических остатков, изотопных датировок, геохимических данных и аналитических протоколов, ведя постоянную работу по картированию геологического времени со все более высоким разрешением.

С 1970-х гг. ICS занимается поиском по всему миру конкретных участков, которые могут служить международными стандартами для определения границ между всеми подразделениями геохронологической шкалы. Среди геологов такие участки, официально именуемые глобальными стратотипическими разрезами и точками (ГСРТ) (Global Boundary Stratotype Sections and Points, GSSP), известны как «золотые гвозди». На этих участках должны присутствовать хорошо обнаженные породы, содержащие диагностические в биостратиграфическом отношении ископаемые органические остатки, относящиеся к двум смежным интервалам геологического времени. Кроме того, такие участки должны быть защищены от разрушения человеком или природой. Местонахождение конкретного слоя, выбранного в качестве границы в данном разрезе GSSP, часто описывается весьма своеобразно, с упоминанием очаровательных подробностей. Например, обнажение, в котором зафиксирован «золотой гвоздь», отмечающий стратотипическую границу сеноманского яруса верхнего мела, находится высоко во Французских Альпах «в 36 метрах ниже кровли формации Марн-Блё (Голубые мергели) на южном склоне горы Мон-Ризу»[17]17
  Международная комиссия по стратиграфии: http://www.stratigraphy.org/index.php/ics-gssps.


[Закрыть].

Первоначальное подразделение геохронологической шкалы на эоны, эры и периоды было осуществлено в основном британскими геологами в XIX в., поэтому названия периодов палеозоя в наибольшей степени отражают именно это географическое влияние: название кембрийского периода происходит от латинского наименования Уэльса (Cambria), девонского периода – от графства Девоншир, родины британской церемонии чаепития, название каменноугольного периода, или карбона, происходит от богатых пластов каменного угля на севере Англии. Но дальнейшее деление геохронологической шкалы на более мелкие подразделения – эпохи и века – в полной мере отражает уже международный характер усилий по картографированию геологического времени: цзяншанский (Jiangshanian) и гужангинский (Guzhangian) века в кембрии; эйфельский и пражский века в девоне, московский и башкирский века в карбоне. Международная комиссия по стратиграфии – это своего рода временной аналог Организации Объединенных Наций, глобальная ассамблея хранителей геологического времени.

И эта комиссия, подчас с излишней нервозностью, настаивает на сохранении тонкого, но важного различия между геохронологической и стратиграфической шкалой – между геологическим временем и его хроникой, зафиксированной в слоях горных пород. Геологическое время подразделяется на эоны, эры, периоды, эпохи и века, а соответствующие этим подразделениям породы – на эонотемы, эратемы, системы, отделы (серии) и ярусы. Точно так же, имея в виду геологическое время, следует говорить, например, «ранний» или «поздний» ордовик, но о соответствующих слоях пород следует говорить только «нижний» или «верхний». Время (хронос) может течь без камней (наполняющих его кайросом), но камни не могут существовать вне времени. Однако время исчезает, а камни остаются.