Зачем нужна геология. Краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Макдугалл Дуг

Что это были за идеи, и откуда они появились? Все они без исключения возникли в результате изучения выходов горных пород на поверхность и наблюдения за идущими геологическими процессами. Одна из новых концепций заключалась в том, что различные типы пород имеют разное происхождение, и сегодня это кажется достаточно очевидным. Однако в восемнадцатом веке популярно было представление, что все породы образовались в результате осаждения – либо в первичном мировом океане, либо в водах библейского потопа. Тех, кто отстаивал эту идею, по понятным причинам назвали нептунистами, и они не спешили отказываться от своих убеждений. Однако ситуацию изменили новые данные – например, наблюдения шотландского геолога Джеймса Хаттона, который описал обнажения, явно показывавшие, что некоторые породы когда-то были расплавленными. Изучая эти обнажения, Хаттон пришел к выводу, что текучий материал, ставший затем камнем, когда-то попал внутрь уже существовавших слоев,

разрушил и нагрел их. Описание этих некогда расплавленных пород, не говоря уже о существовании активных вулканов (вроде Этны и Везувия в южной Европе), привело людей к осознанию, что внутри планеты должны находиться значительного резервуары тепла.

Вторая важная концепция заключалась в том, что медленные и непрестанные геологические процессы, которые можно легко увидеть (дождевые воды растворяют породы, реки прорезают каньоны, частицы оседают на дне моря), следуют законам физики и химии. Нам снова по прошествии времени кажется, что это очевидно, однако отсюда вытекало – и это стало революционной идеей для первых геологов – что геологические процессы прошлого должны были следовать тем же законам. Это означало, что физические и химические характеристики древних пород можно интерпретировать, наблюдая за современными процессами. Чарлз Лайель, выдающийся британский геолог своего времени, выдвинул эту идею в качестве необходимой для понимания истории Земли в своей книге «Основные начала геологии», впервые опубликованной в 1830 году. (Книга была настолько популярной, что выдержала множество изданий, и все еще выпускается в современной серии Penguin Classics). Лайель не был автором этой концепции, но он назвал ее «принципом униформизма», и название прижилось. Хотя само выражение уже не в моде, поколения студентов, изучающих геологию, узнавали, что на самом деле оно означает «настоящее – ключ к прошлому». И, хотя первые геологи в основном интересовались прошлым Земли, принцип униформизма можно перевернуть: по той же логике прошлое – это в некоторой степени ключ к будущему.

Наконец, самой революционной из новых концепций была такая: Земля крайне стара. Это шло вразрез как с общепринятыми взглядами тогдашних ученых, так и с религиозными догмами. Как и другие ранние геологические идеи, мысль о древней Земле формализовал Джеймс Хаттон, написавший: «Мы не находим ни следов начала, ни перспектив конца». (Эту фразу часто цитируют как описание концепции «глубокого времени» – геологического времени с медленным протеканием процессов). К концепции древней Земли Хаттона привело не одно конкретное наблюдение: этот вывод он сделал, объединив все свои исследования геологических процессов и обнажений горных пород; например, он видел огромную толщину слоев породы, состоящей из отдельных осадочных частиц, которые могли накопиться по крупинке только в течение невообразимо длительного промежутка времени.

Книга Лайеля популяризовала и широко распространила эти идеи, и они легли в фундамент геологии, которая в девятнадцатом веке стала наукой, во многом свободной от религиозных оков. Способствовал становлению и постоянно растущий спрос на минералы и другие ресурсы. Страны создали службы геологической разведки, занимавшиеся составлением геологических карт и обнаружением природных ресурсов, а в университетах появились кафедры геологии. Расшифровка прошлого стала постоянной профессией для целого легиона специалистов.

Сегодня геология – часть гораздо более общей группы дисциплин, изучающих Землю, куда входит многое – от океанографии до минералогии и науки об окружающей среде. На современном факультете геонаук в одном здании работают люди, занимающиеся самыми разными вещами: изменения климата, биологическая эволюция, химический состав недр Земли и даже происхождение Луны.

Однако давайте вернемся к тем ключам к прошлому Земли, что заложены в физических и химических свойствах горных пород планеты – ключам, высеченным в камне. Задача ученых – найти и интерпретировать их, и в последние годы для этого разработаны весьма изощренные методы. Тем не менее есть несколько очень простых примеров, издавна используемых геологами, которые иллюстрируют, как работает этот метод. Возьмем магматические горные породы, которые образуются из расплавленного материала, поднимающегося из недр Земли. Они могут быть самыми разными: от обычных всем известных разновидностей вроде гранита и базальта до более экзотических типов, о которых вы, вероятно, не слышали – лампрофира и чарнокита. Химический анализ этих пород может дать информацию о том, как они возникли, однако для химического анализа нужно сложное оборудование. С другой стороны, существует весьма простой признак, доступный любому и дающий возможность понять, где образовались породы. Этот признак – размер зерна.

Магматические горные породы состоят из миллионов крошечных сросшихся минеральных зерен, которые кристаллизировались по мере остывания

жидкой породы. Величина этих зерен зависит от того, насколько быстро происходит охлаждение: потоки лавы, которые изверглись на поверхность Земли, остывают очень быстро, и в результате получаются мелкозернистые породы. Однако не вся лава выходит на поверхность. Часть остается в вулканических каналах – возможно, на глубине нескольких километров. Вышележащие породы обеспечивают хорошую изоляцию, и поэтому такой материал может остывать в течение очень долгого времени, и медленно растущие минеральные зерна становятся гораздо крупнее, чем их эквиваленты на поверхности планеты. По этой причине породы с одинаковым химическим составом могут иметь разную текстуру и совсем по-разному выглядеть – всё зависит от того, насколько быстро они остывали. Этот простой признак можно использовать, чтобы сказать кое-что о глубине, на которой формировались породы.

Менее очевидные характеристики требуют большей изобретательности, но выгода – с точки зрения того, что можно узнать об истории Земли – настолько велика, что специалисты постоянно ищут новые способы исследования горных пород. Как мы увидим в последующих главах, особенно важной стала геохимия – в частности, подробности химического состава горных пород или ледяных кернов. Поведение химических элементов – железа, серы, молибдена – зависит, например, от количества кислорода в окружающей среде. В результате минералы этих элементов оказываются чувствительными индикаторами уровня кислорода при их образовании, и в некоторых случаях их можно использовать для определения количества кислорода в древнем океане или атмосфере.

Аналогичным образом одним из важных способов извлечения информации о прошлом Земли стал анализ изотопов. (Изотопы – это слегка отличающиеся разновидности одного химического элемента; почти все элементы в периодической таблице имеют несколько изотопов). Когда мы измеряем содержание различных изотопов определенного химического элемента в образце, часто можно узнать условия, которые превалировали при его формировании; далее в книге мы встретим множество примеров такого подхода. Например, содержание изотопов водорода и кислорода в ледяном керне может рассказать нам о температуре 100 000 лет назад; изотопы в какой-нибудь древней породе могли зафиксировать процесс, который ее создал, и это дает нам возможность исследовать, был ли похож этот процесс на те, что происходят сейчас, или отличается от них.

Самое первое применение изотопов в науках о Земле (если не считать использование радиоактивных изотопов для датировки) до сих пор вызывает восхищение геохимиков, а иногда и изумление тех, кто ничего не слышал о геохимии. Это хорошая иллюстрация того, как обычные камни могут быть настоящей сокровищницей сведений о прошлом – для тех, кто умеет задавать правильные вопросы. В конце 1940-х годов лауреат Нобелевской премии химик Гарольд Юри из Чикагского университета на основе теоретических выкладок обнаружил, что в некоторых соединениях пропорции различных изотопов кислорода зависят от температуры, при которой эти соединения образовывались. Химика осенила новаторская идея, что это свойство можно использовать для определения температуры древнего океана. Юри предположил, что, измерив содержание изотопов кислорода в карбонате кальция, входящем в состав раковин окаменевших морских организмов, можно вычислить температуру воды, в которой эти существа некогда жили. Вместе со своими учениками Юри проверил эту теорию, и проведенные ими измерения сделали их пионерами в области «палеотемпературного» анализа. После этой первой работы содержание изотопов кислорода измеряли уже десятки тысяч, если не сотни тысяч раз, и это позволило детально зафиксировать колебания температуры морской воды в прошлом. По моему скромному мнению (хотя, возможно, я слегка необъективен, поскольку сам занимался геохимией), палеотемпературная работа Юри входит в число величайших достижений в области наук о земле.

Конечно, различные типы горных пород поднимают разные вопросы о прошлом (или как минимум позволяют задавать различные вопросы), однако ученые разработали четко определенные подходы для большинства разновидностей пород в трех основных категориях: магматические, осадочные и метаморфические горные породы. Это известное деление основано на способе образования: магматические породы (например, гранит) образовались из расплавленных предшественников, и одним из первых это осознал Джеймс Хаттон; осадочные породы возникли в результате осаждения частиц, обычно из воды; метаморфические породы возникают, когда с породой-предшественником происходят физико-химические изменения – как правило, при нагреве или напряжении во время таких процессов, как глубокое погружение или горообразование. Современные теории о формировании и развитии внешней части Земли основаны на данных, полученных в основном из химических свойств магматических и метаморфических пород – основных компонентов как континентов, так и океанического дна. Однако во многих отношениях наиболее важными для расшифровки истории планеты являются осадочные породы.