Зачем нужна геология. Краткая история прошлого и будущего нашей планеты

Над такими прогнозами интересно размышлять, однако ясно, что это дело отдаленного будущего. Этого не увидят ни читатели этой книги, ни их правнуки. С гораздо большей вероятностью мы столкнемся с последствиями некоторых имеющих отношение к геонаукам проблем, о которых слышим ежедневно: наводнения, ураганы, извержения вулканов, вырубка лесов, исчезновение видов, нехватка полезных ископаемых – список можно продолжать. А ведь я еще не упомянул о самом важном – изменении климата. Проблема в том, что большинство людей, не знакомых с науками о Земле, не имеют четкого представления о том, как работают процессы, затрагивающие нашу повседневную жизнь и наше будущее. Это верно даже в отношении многих из тех людей, которые должны управлять реакцией общества на такие проблемы. К сожалению, наукам о Земле в системе образования обычно уделяют мало внимания. Например, по данным Американского геологического института, в Техасе – штате, где геонауки весьма важны для экономики – курс наук о Земле есть всего у двух процентов девятиклассников. Для биологии этот показатель составляет 95 процентов. Я надеюсь, что эта книга хоть в какой-то степени стимулирует у читателей интерес к геологии и поможет улучшить ситуацию.

Поскольку знание прошлого Земли – весьма важная составляющая понимания того, как наша планета работает сегодня и будет работать в будущем, эта книга, помимо рассказа о конкретных темах – например, землетрясениях и ударах астероидов – рассматривает в хронологическом порядке некоторые важные события, которые влияли на Землю за последние 4,5 миллиарда лет. Главы, посвященные истории Земли, чередуются с главами, посвященными конкретным событиям и процессам; я надеюсь, что такое построение книги, пусть оно и не традиционно, окажется и полезным, и интересным. Я старался по возможности не вязнуть в сложных научных дискуссиях, но при этом все же придерживаться основных идей обсуждаемых исследований.

XXI век – захватывающее время для специалистов по геонаукам. Типичный, стереотипный геолог, карабкающийся на гору с геологическим молотком, все еще существует – и играет важную практическую роль. Однако к молотку теперь добавляется обильный инструментарий, который позволяет изучать Землю и Солнечную систему с беспрецедентной детализацией: спутники, суперкомпьютеры, электронные микроскопы, масс-спектрометры, системы беспроводной связи, подводные аппараты и космические корабли – и это далеко не все. Одним из астронавтов, побывавших на Луне, был геолог Харрисон Шмитт (он привез на Землю образцы горных пород). Специалисты, изучающие Землю, постоянно спускаются на многокилометровые глубины в батискафах, надевают защитную одежду, чтобы взять пробы газов, выделяющихся из действующих вулканов, отправляют автономные дрейфующие буи собирать данные в океанах, или бросают вызов опасностям Антарктики, добывая ледяные керны, чтобы получить данные о климате прошлых эпох. Некоторые работают в чистых лабораториях с такими крохотными образцами, что одна частичка пыли или отпечаток пальца могут испортить анализ; другие загружают собранные данные в суперкомпьютеры, чтобы создать трехмерные изображения различных частей Земли. Многие из этих людей не станут автоматически причислять себя к геологам – они изучали не только геологию, но и математику или океанографию. Однако все они вносят свой вклад в междисциплинарное изучение прошлого, настоящего и будущего нашей планеты. Именно в этом смысле используется слово геология в названии этой книги: геология – это изучение Земли в широком смысле.

Поводом к написанию этой книги отчасти послужило желание поделиться тем, что геологи узнали о нашей потрясающей планете за последние десятилетия. Другим источником была моя убежденность в том, что геоисследования действительно важны для нашего будущего. Надежное управление водными, минеральными и энергетическими ресурсами, защита биологического разнообразия, планирование изменений климата и геологических рисков – все это зависит от того, насколько мы понимаем устройство Земли как системы и ее реакции на различные условия в прошлом. Я надеюсь, что моя книга донесет эту идею и в то же время даст представление о том, как ученые стремятся к этому пониманию.

Благодарности

Появлению этой книги способствовали многие люди. Я особенно благодарен двум рецензентам первоначальной рукописи, профессорам Ричарду Коуэну и Эрнесту Зебровски, которые сделали множество ценных замечаний, обнаружили ошибки и в целом указали на способы сделать книгу более привлекательной. Блейк Эдгар и Дор Браун из издательства Калифорнийского университета усердно старались, чтобы рукопись соответствовала их высоким редакционным стандартам. Все оставшиеся недостатки – исключительно моя вина.

Мой агент Рик Балкин, как всегда, оказывал неоценимую поддержку и давал полезные советы на протяжении всей работы – от идеи до итоговой рукописи. Я уверен, что текст книги значительно улучшают фотографии, которые любезно предоставили Абигайль Олвуд, Рик Отто, Джим и Ребекка Брюн. Я также благодарен Геологической службе США и НАСА за их политику «открытого использования»; этим организациям принадлежат несколько изображений, использованных в книге. Спасибо также Рону Блейки за разрешение использовать его палеокарты в качестве основы для нескольких иллюстраций, а также Зигфусу Джонсену и Центру льда и климата Института Нильса Бора за разрешение воспроизвести диаграмму из книги Вилли Дансгора «Замороженные анналы».

Глава 1

Увековечено в камне

В 1969 году, когда я учился в Калифорнии, астрологи, ясновидящие и проповедники запустили волну предсказаний о разрушительном землетрясении, после которого штат (или, по крайней мере, большая его часть) уйдет под воду. Провидцы утверждали, что это произойдет в апреле, хотя согласия насчет точной даты не было. Некоторые люди отнеслись к этой новости очень серьезно, продали свои дома и переехали в другое место. Другие, не такие осторожные, просто искали место повыше 4 апреля – в день, когда предсказатели обещали эту катастрофу. Карикатуристы и газетные обозреватели вволю повеселились, высмеивая страхи перед землетрясением, а для нас, студентов-геологов, эта кутерьма казалась не только забавной, но и несколько странной. В полиции, пожарных частях и на геологических факультетах университетов раздавались тысячи тревожных звонков от нервных граждан. Рональду Рейгану, тогдашнему губернатору штата, пришлось объяснять, что его отпуск за пределами штата был запланирован заранее и никакого отношения к землетрясению не имеет. Мэр Сан-Франциско запланировал «антисейсмическую» вечеринку на 18 апреля – в шестьдесят третью годовщину крупного землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году. Он заверил общественность, что вечеринка состоится на суше.

Естественно, Калифорния в 1969 году не провалилась в море, и сильного землетрясения вообще не произошло (хотя землетрясения были, как это случается каждый год, но большинство из них оказались совсем слабыми). Астрологи не могут предсказывать землетрясения (да и остальное тоже). Как мы увидим далее, даже представители геонаук, располагающие подробными научными данными и самыми современными приборами, считают точное предсказание землетрясений труднодостижимым. Однако для многих других геологических явлений ситуация с прогнозированием обстоит намного лучше. И в основе такого прогноза лежит работа, которую традиционно выполняли геологи: расшифровка прошлого.

Но как именно они это делают? Куда смотрят ученые, чтобы найти ключи к деталям истории нашей планеты, и как они интерпретируют их? Такие вопросы лежат в основе этой книги, и ответ на них подсказывает название главы: ключи большей частью находят в камнях на поверхности Земли. (Существуют и другие природные архивы истории Земли – например, годичные кольца деревьев и антарктический лед. В частности, бесценную информацию о климате прошлых эпох дают ледяные керны. Но эти документы рассказывают только об относительно недавнем геологическом прошлом. Камни же позволяют смотреть на миллионы лет назад).

Для непосвященных камень – это просто камень, какой-то твердый неживой предмет, который можно пинком сбросить с дороги или швырнуть в пруд. Однако посмотрите внимательнее и задайте правильные вопросы – и он станет чем-то большим, или даже гораздо большим. Каждому камню на поверхности Земли есть что рассказать. Как образовалась эта порода? Когда она образовалась? Из чего она состоит? Какая у нее история? Как она попала сюда и откуда она взялась? Почему определенный вид горных пород в одном регионе распространен, а в другом – нет? Долгое время в странах Запада, преимущественно христианских, ответы на эти вопросы ограничивались религией. Считалось, что важную роль в формировании современного ландшафта сыграл библейский потоп, и объяснения многих геологических особенностей должны были строиться вокруг предполагаемой реальности этого события. Однако по мере укоренения идей Просвещения в семнадцатом и восемнадцатом веках, когда желавшие понять Землю начинали все тщательнее наблюдать за природой, влияние религии уменьшилось, и стали возникать более рациональные объяснения. Для геологии – дисциплины, уходящей корнями в поиск и добычу полезных ископаемых – существенным было еще и давление со стороны торговли. Те, кто лучше всего понимал, как образовывались жилы с золотом, или лучше всего знал, в каких геологических условиях они могут существовать, имели больше шансов найти очередную жилу.

Я не стану подробно останавливаться на истории развития геологии как науки или на деталях развития ранних геологических идей – об этом рассказывает множество других книг. Однако стоит указать на несколько ключевых ранних концепций, которые перевернули представления людей – не только учёных – о своей планете. Большинство таких интеллектуальных прорывов состоялось в Европе (особенно в Британии) в восемнадцатом и начале девятнадцатого веков; и, хотя к аналогичным выводам намного раньше пришли мыслители Ближнего Востока и других мест, именно европейские версии этих идей стали краеугольным камнем возникающей комплексной науки о Земле.

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.

Почему так произошло? Причин как минимум две. Во-первых, они образуются на поверхности Земли, в основном в море, но иногда (например, в случае пород, состоящих из песка) – при контакте с атмосферой. Это означает, что потенциально эти породы содержат информацию об условиях на поверхности Земли в далеком прошлом. Во-вторых, многие осадочные породы содержат окаменелости – основные свидетельства возникновения и развития жизни на Земле. Без окаменелостей наше понимание эволюции было бы рудиментарным.

Собирая воедино тысячи и тысячи фактов из исследований отдельных магматических, метаморфических и осадочных пород и их обнажений, ученые постепенно соткали историю Земли. Как обычно и бывает в истории, чем дальше вы заходите в прошлое, тем менее четкими становятся детали. Некоторые из самых древних свидетельств полностью отсутствуют, или их трудно расшифровать, поскольку геологические процессы, происходившие на планете миллионы и миллиарды лет, изменили характеристики горных пород и запутали все содержащиеся в них намеки и подсказки. Тем не менее, повествование об эволюции нашей планеты в том виде, как мы ее сегодня представляем – это выдающееся научное достижение. При этом рассказ постоянно пересматривается и обновляется – по мере того, как появляются новые открытия, а усовершенствование наших аналитических возможностей позволяет задавать новые вопросы.

Так что же насчет хронологии? Как специалисты определили временную шкалу для такого повествования? Если мы хотим понять значение событий, их нужно упорядочить по времени; не особо полезно знать температуру морской воды, в которой росло какое-то ископаемое животное, если вы понятия не имеете, когда оно жило. С момента хаттоновского «ни следов начала, ни перспектив конца» (и даже еще раньше) ученые искали способы определить возраст горных пород и Земли в целом. Конечной цели – разработки методов, которые могли бы дать «абсолютный» возраст горных пород в годах – удалось добиться только с открытием радиоактивности в конце XIX века. Вскоре мы к этому вернемся. Однако задолго до появления методов радиоизотопного датирования ученые разработали первые варианты геологической шкалы, расположив во времени важные события из истории планеты. (Современную версию можно увидеть на рисунке 1; если вы еще не знакомы с названиями геологических эонов, периодов и т. д., то при чтении книги имеет смысл обращаться к этой диаграмме). Как они это сделали?

Еще в 1660-х годах датский анатом Нильс Стенсен[8 - В русскоязычной литературе часто встречается также Стенон. Николаус Стено (Стенон) – латинизированное имя, под которым Нильс Стенсен публиковал свои научные труды. – Прим. науч. ред.], отличавшийся ненасытным любопытством к миру природы, осознал, что породы в нижней части толщи осадочных слоев должны быть старше, чем те, что находятся сверху. В то время Стенсен жил в Италии, и его наблюдения были сделаны при изучении осадочных пород в Альпах. Его идея состояла в том, что альпийские осадочные слои (и окаменелости, в них содержащиеся) имеют большое значение для определения времени. Разумеется, можно было установить лишь относительное время: Стенсен мог сказать, был ли данный слой старше или моложе своих соседей, но не мог определить его фактический возраст. Сейчас это может показаться очевидным, но в то время это был настоящий прорыв. Изучая слои залегающих в Альпах горных пород, Стенсен смог наглядно представить способ и время их образования. Сегодня он считается основоположником стратиграфии – раздела геологии, изучающего слои осадочных пород.

После Стенсена его простой принцип упорядочивания осадочных слоев во времени стали использовать, чтобы получить относительную хронологию геологических событий. Это было достаточно просто сделать в каком-то одном регионе, когда на различных обнажениях можно проследить отдельные слои. Трудности появляются с установлением корреляции на больших расстояниях. Имеет ли слой известняка во Франции тот же возраст, который имеет такой же слой в Англии, в Швеции или по ту сторону Атлантики в Соединенных Штатах? Трудно сказать. Можно было построить относительные шкалы в отдельных регионах, но глобальная единая шкала казалась недостижимой.