Элизабет Эрвин-Бланкенхайм
Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты

Кларенс Кинг

Как уже отмечалось, первый директор Геологической службы США Кларенс Кинг (1842–1901) был современником Джона Уэсли Пауэлла и одним из самых колоритных мошенников в истории американской геологии. Кинг родился в штате Род-Айленд в богатой религиозной семье. Его отец умер, когда Кларенс был еще маленьким, но мать поддерживала интерес мальчика к ископаемым и естествознанию^[116]. Отчим Кинга финансово обеспечил его обучение в Йельском университете, и Кинг стал одним из первых абитуриентов Шеффилдской научной школы Йельского университета, которую он окончил в 1862 г. Во время обучения в колледже в течение одного зимнего семестра Кинг посещал курсы лекций Агассиса по геологии ледников в Гарварде, и это отчасти повлияло на его страсть к проведению работ в полевых условиях.

Увлеченный работой Джосайи Уитни, который занимался созданием геологической службы Калифорнии, Кларенс Кинг в 1863 г. отправился на запад, чтобы встретиться с Уитни. Кинг убедил Уитни разрешить ему работать на Геологическую службу Калифорнии в качестве помощника геолога на добровольных началах и вместе с другими геологами впервые совершил восхождение на множество пиков горного хребта Сьерра-Невада. По пути они дали названия некоторым из гор, включая Маунт-Брюэр, Маунт-Лайель и Маунт-Уитни. С 1871 г. Кинг публиковал свои воспоминания об экспедициях и восхождениях в журнале Atlantic Monthly. Эту серию рассказов Кинг собрал в книгу, вышедшую в 1872 г. под названием «Альпинизм в горах Сьерра-Невада» (Mountaineering in the Sierra Nevada). Позднее он переиздал эту книгу с несколькими картами и примечанием о том, что название горы, на которую он совершил восхождение и описание которой приводилось ранее, было указано неправильно^[117].

Вклад Кларенса Кинга в четыре масштабные геологические съемки Запада заключался в предложенной им концепции изучения района площадью около 260 тыс. км² вдоль Центральной и трансконтинентальной железной дороги «Юнион Пасифик». Кинг предложил двигаться вдоль сороковой параллели по полосе шириной 160 км, пролегающей через Вайоминг, Колорадо, Юту и Неваду, чтобы связать данные двух из трех геологических съемок, подходивших к тому времени к завершению (ими руководили Хайден и Уитни). Кинг убедил Конгресс профинансировать план, отчасти благодаря тому, что его одобрил бывший преподаватель Кинга и конгрессмен от штата Калифорния Джон Коннесс, в честь которого Кинг назвал один из горных пиков Сьерра-Невады. «Отчет о геологическом исследовании 40-й параллели» (Report of the Geological Exploration of the Fortieth Parallel), написанный Кингом, был опубликован в семи томах в 1870–1880 гг. Том 1, «Системная геология» (Systematic Geology), считался и по-прежнему считается важным исследованием процессов горообразования. Кинг и его группа были отличными картографами, использовавшими масштаб 1:250000 (4 мили в 1 дюйме), который впоследствии был взят на вооружение и другими исследователями. Кинг также первым использовал топографическую карту в качестве основы для геологических карт – эта практика используется сегодня в геологическом картировании. Таблицы к отчету (см. цветную вклейку 2.2) состояли из цветных больших карт атласа, типы горных пород были перечислены в стратиграфическом порядке (самые молодые – вверху, древнейшие – внизу), а подробные поперечные разрезы были представлены внизу листа за рамками карты. Кинг и члены его команды, проводившей геологическую съемку, выполнили еще шесть дополнительных томов серии^[118].

Кинг принадлежал к сторонникам катастрофизма в геологии. По его мнению, особенности, которые он наблюдал на картографируемых участках – в частности, вулканические структуры позднего кайнозоя на плато реки Колумбия и ледниковые системы стоков, – не могли быть результатом постепенных процессов. Он также полагал, что биологическая эволюция не происходила постепенно^[119]. Не он один придерживался подобной точки зрения. Множество геологов и других ученых того времени переменили свое мнение относительно градуализма в геологии и предполагали, что скорость и интенсивность геологических процессов менялись более значительно, чем считал Лайель.

В качестве первого директора Геологической службы США Кинг установил высокие стандарты в сфере картографии и разведки минералов, он также основал лабораторию для исследования влияния температуры и давления на точку плавления различных образцов горных пород. Однако в 1881 г. он покинул пост, чтобы попытать счастья в горном деле. Кинг, возможно, имел склонность к экстравагантности, высокому уровню жизни, коллекционированию предметов искусства и путешествиям^[120]. В связи с ухудшением своего финансового положения Кинг закончил научные исследования, но оставался членом сообщества, лучшим другом личного секретаря Авраама Линкольна и будущего госсекретаря Джона Хэя и был принят королем Англии во время своего тура по Европе в 1882–1884 гг. Бо́льшую часть своих денег он тратил на дорогие произведения искусства и поверхностно занимался горным делом и продажей скота. В конце концов в 1894 г. он оказался на Кубе, поддерживая свержение испанского колониального правления.

Многие годы Кларенс Кинг вел двойную жизнь. Он был женат гражданским браком на афроамериканке Аде Коупленд, которая родилась в рабстве в 1864 г., а поскольку межрасовые браки были незаконны, то Кинг выдавал себя (даже перед женой) за чернокожего со светлым оттенком кожи. Днем он был Кларенсом Кингом, живущим на Манхэттене старателем и геологом; вечером переходил через Бруклинский мост, чтобы быть дома со своей женой и пятью детьми в качестве Джеймса Тодда, проводника пульмановского спального вагона^[121]. Правду о себе Кинг раскрыл только в письме Аде Коупленд, которое он написал из Аризоны в 1901 г., умирая от туберкулеза. Ада Коупленд прожила достаточно долгую жизнь (она умерла в 103 года), чтобы увидеть, как другой Кинг рассказывает о своей мечте со ступенек Мемориала Линкольна, сделанных из мрамора Джорджии.

Флоренс Баском

Флоренс Баском (1862–1945), вторая женщина в США, которая получила докторскую степень по геологии, была дочерью школьной учительницы-суфражистки из Массачусетса и профессора колледжа Уильямса. Во время учебы в докторантуре Университета Джонса Хопкинса^[122] Флоренс должна была находиться за ширмой, чтобы ее присутствие не беспокоило студентов-мужчин^[123]. Отец Флоренс, который потом стал президентом Висконсинского университета, поощрял ее стремление добиваться своей цели, и в 1893 г. Баском получила докторскую степень. Флоренс Баском преподавала в нескольких колледжах, прежде чем ее приняли на работу в колледж Брин-Мор, где вскоре она основала факультет геологии.

Баском стала первой женщиной-геологом, которую приняли на работу в Геологическую службу США (в 1896 г.). Она была редактором журнала American Geologist с 1896 по 1905 г., а в 1930-м стала первой женщиной, занявшей пост вице-президента Геологического общества Америки. В течение тридцати трех лет Флоренс Баском преподавала и руководила научной работой студентов, в том числе возглавляла студенческие группы, выезжавшие на полевую практику. В то же время она занималась составлением карты плато Пидмонт и других районов Пенсильвании и прилегающих территорий.

Баском была не только полевым геологом и петрологом (ученый, занимающийся изучением процессов формирования и элементов горных пород), но и специалистом по кристаллографии и минералогии. Важно, что Флоренс Баском поддерживала и поощряла женщин вести полевые работы так же, как их коллеги-мужчины. Флоренс Баском выполнила несколько комплектов карт Геологического общества (в масштабе 1:62500) для «Геологического атласа Соединенных Штатов» (Geologic Atlas of the United States), в том числе лист с Филадельфией 1909 г.^[124]. Геологическое картирование, выполненное Баском, было настолько точным и высококачественным, что составленными ею картами пользуются и сегодня.

Основоположников геологии проще всего понять в контексте их времени. XVI и XVII столетия, например, были эпохой открытий: научная революция привела к эпохе Просвещения, указавшей путь к развитию рационализма, научного метода и представлений о правах человека. Ученые и первые геологи стали рассматривать природу по-новому, с точки зрения совершенно иных пространственно-временных взаимоотношений^[125].

Многие представители только зарождавшейся науки геологии были специалистами в других областях – медицине, биологии, химии, философии, юриспруденции и логике. Наличие такого разнообразного опыта подпадает под определение эрудита. Тем не менее по мере развития науки все больше прослеживается тенденция к специализации (особенно в XXI в.), что, возможно, не очень полезно для этой области науки в целом. Истоки современной геологии и тот факт, что первые геологи пришли в эту науку из разных областей, могли бы послужить напоминанием о том, что всеобъемлющие знания основ наук и философии настолько же ценны, как и специализация, а возможно, и более ценны.

Первые теории катастрофизма и униформизма, гипотезы о возрасте Земли и о том, как биологические виды формировались и менялись со временем – и как это согласуется с религией, – не только активно обсуждались, но и формировали представления о геологическом времени и физическом преобразовании. Уильям Робертсон в своей отредактированной версии предисловия Геттона утверждал:

Откровение Иоанна Богослова не заканчивается наставлением человечества в умозрительной науке, приобщением к истории Природы или объяснением истинной системы Вселенной. Настойчиво стремясь внушить религиозные доктрины, которым мы должны верить, и привить добродетели, в которых нам необходимо преуспевать, оно удовлетворяется изображением явлений природы не в соответствии с философской истиной, а в том виде, в каком они предстают перед нашим взором^[126].

Биографии первых геологов служат наглядной иллюстрацией того, как взаимосвязаны индивидуальные достижения с построением общего знания. Современный мир находится в неоплатном долгу перед основоположниками геологии за их вклад и знания, доставшиеся тяжелым трудом. Во всяком случае, основой в жизни и работе ученых и первых геологов, о которых рассказывалось в этих главах, служила любовь к природе, наблюдательность и желание знать и учиться.

Теория униформизма восторжествовала, но в современное понимание геологии также включены элементы первых теорий, такие как важность катастрофических событий, подтвержденных доказательствами. Например, катастрофисты предполагали, что наводнения, которые наблюдаются на протяжении последних ста лет, ускоряют крупномасштабные геологические изменения. На самом деле в период с XVII по XIX в. были выработаны главные принципы, благодаря которым геология появилась как самостоятельная наука. Эта основа обеспечила науку прочными корнями, а ключевые идеи развились в крепкий ствол геологического древа. В XX в. выделились три главных направления, составляющие основу геологии: концепции геологического времени, тектоники плит и эволюции.

Эти три основных элемента характеризуют Землю с точки зрения времени и пространства и являются основой для объединяющих понятий и ключевых правил, с помощью которых можно объяснить многие явления, происходящие на нашей планете. И все же, как мы уже видели и увидим дальше, философские, научные и технические достижения, которые формируют геологию в наши дни, тесно переплетены с историями жизни и философскими взглядами геологов и других ученых, сформулировавших и развивавших эти теории.

3
Геологическое время: ранние версии шкалы геологического времени

Возраст Земли: геологическое время

Одна из важнейших философских идей современной цивилизации – концепция геологического времени. Геологическое время, которое называют также геологической историей, представляет собой костяк, на котором построена вся геология. Он обеспечивает порядок в кажущейся путанице горных пород на земной поверхности и под землей и раскрывает длинную историю жизни нашей планеты. Летопись постепенных и катастрофических изменений записана внутри слоев горных пород. В некоторых слоях документально зафиксированы медленные процессы, такие как отложения осадков на протяжении миллионов лет; в других записаны рассказы об опустошении, например о столкновении астероида с Землей, которое произошло 66 млн лет назад и положило конец господству нептичьих динозавров.

Временная шкала Земли огромна по человеческим меркам, и поэтому ее трудно охватить. Даже геологам необходимо перепроверять детали и многократно обращаться к временной шкале, чтобы понять весь ее размах. Есть множество методов, с помощью которых ученые, студенты и остальные люди, не имеющие отношения к науке, могут выучить шкалу геологического времени: от простого запоминания до использования аналогий и визуальных метафор. Рассказы о различных животных и событиях на Земле с позиции разных наук представляют собой еще один способ разобраться в геологической истории.

Концепция геологического времени вдохновляет на серьезные философские догадки. Геологическая история представляет собой контекст, в котором рассматривается жизнь, поскольку демонстрирует взаимосвязь между всеми элементами нашей планеты: воздухом, водой, почвой, горными породами и самими живыми организмами. Геологическая история позволяет заглянуть в прошлое Земли, во времена, когда происходили значительные климатические события, и дает возможность извлечь уроки и обратить внимание на предупреждения и аналогии с тем, как современное человечество обращается с окружающей средой. Тревожно, что, если смотреть на наше сегодняшнее отношение к миру природы и использованию ресурсов Земли, кажется, будто мы еще не осознали значение геологической истории. Действительно ли мы живем в самом конце времен? Или можно извлечь еще какие-нибудь уроки, в том числе найти способы управления климатическим кризисом, с которым сталкивается планета? Давайте начнем с того, что обратимся к самой геологической истории и посмотрим, насколько рано геологи установили последовательность событий временной шкалы и выяснили, каким образом приспосабливались живые организмы, а также расскажем об истории таких открытий. А затем рассмотрим, какое значение эти открытия имеют в наши дни.

О шкале времени Земли: установление последовательности событий путем определения относительного возраста

Тот факт, что Земле 4,6 млрд лет, трудно осознать. Для иллюстрации геологического времени часто используется аналогия с часами, у которых имеется двадцатичетырехчасовой циферблат и минутная и секундная стрелки (см. цветную вклейку 3.1). Рождение Земли зафиксировано на этих часах в полночь, когда планета образовалась из пыли в результате аккреции частиц. Люди появились всего лишь в последние две минуты суток. Все остальное геологическое время вплоть до наших дней – отсчитываемые на этих часах предшествующие 23 часа 58 минут.

В этой книге определения, касающиеся единиц геологического времени, используются в соответствии со следующими правилами: в первых нескольких главах термины «верхний, средний и нижний» применяются в историческом смысле, когда шкала геологического времени еще разрабатывалась. Далее в книге при обсуждении геологического времени и комплексов горных пород термины «верхний, средний и нижний» относятся к специфическим стратиграфическим единицам в соответствии с Международной хроностратиграфической таблицей (утвержденной Международной комиссией по стратиграфии)^[127]. Эти прилагательные обозначают хроностратиграфические (время – горные породы) подразделения. Наконец, термины «ранний, средний и поздний» используются в более широком смысле для описания событий, например, таких, как периоды жизни или вымирания определенных растений или животных на протяжении геологического времени. Эти термины обозначают геохронологические подразделения.

Сначала геологи разработали шкалу геологического времени с помощью методов определения относительного возраста, устанавливая местоположение слоев и пластов по отношению друг к другу и исходя из изменений живых организмов со временем (см. главу 1). В последовательности ненарушенных горных пород более старые слои находятся на большей глубине, а более молодые – ближе к вершине, в соответствии с принципом суперпозиции, впервые сформулированном Николаусом Стеноном. Выводы об относительном возрасте слоев основываются также и на других принципах Стенона, обсуждавшихся в главе 1, таких как принципы первоначального горизонтального залегания и секущих взаимоотношений. Кроме того, геологи изучают ископаемые остатки, чтобы идентифицировать и соотнести слои для определения относительного возраста горных пород.

Уильям Смит впервые предложил и применил эти методы в начале XIX в., руководствуясь работами Стенона о последовательности геологических комплексов. Смит установил взаимосвязь между уникальными ископаемыми и слоями горных пород в центре Англии и разработал принцип последовательности фауны и ископаемых. При исследовании обнажений горных пород, вскрытых во время строительства каналов для транспортировки угля через центральную часть Англии, Смит выяснил, что особые окаменелые раковины появляются в конкретных слоях. Ученый провел сравнение слоев в двух каналах, затем применил свои методы к геологическим слоям во всем регионе, а потом и по всей стране и в 1815 г. создал первую геологическую карту Англии. Позднее в XIX в. Джеймс Геттон понял, что определенные горные породы, которые должны фиксировать историю Земли, в действительности не наблюдаются поверх тех слоев, где они должны были бы залегать, и пришел к выводу об утраченных слоях. Он назвал эти пробелы в геологической летописи несогласиями, которые появляются в результате эрозии и других событий, разрушающих горные породы. Наличие несогласий привело Геттона к представлениям о циклах, огромном возрасте Земли и единстве процессов. Чарлз Лайель разработал идеи Геттона о несогласиях и об использовании текущих процессов для понимания событий в прошлом – концепцию, которая называется униформизмом. Перечисленные методы – использование принципов стратиграфии (Стенон); идентификации ископаемых, локализации и корреляции (Смит); пробелов во времени и скорости изменений (Геттон и Лайель) – позволили геологам XVIII и XIX вв. убедительно воссоздать последовательность событий, в том числе с учетом пробелов, и построить первую шкалу геологического времени.

Существует множество методов корреляции пластов одного участка с другими участками в той же стране или в других регионах мира. Геологи могут сопоставлять горные породы по ископаемым остаткам, их группированию, эволюционным изменениям организмов и событиям вымирания; это называется биостратиграфией. Биостратиграфический анализ применим по отношению к осадочным горным породам, потому что эти слои состоят из рыхлых отложений, содержащих останки животных и растений. Геологи также используют для корреляции пластов литостратиграфию, то есть изучают свойства горных пород: размер зерен, тип цемента, окружающую среду отложения, присутствие несогласий и химический состав. Кроме того, геологи применяют климатостратиграфию для определения связи между толщами горных пород за счет сходства климата, в котором откладывались различные пласты.

С конца XVIII в. геологи стали применять биостратиграфические методы и реже литостратиграфические для установления принадлежности комплексов горных пород геологическим периодам. Смитсоновский принцип последовательности фауны, наряду с работами Жоржа Кювье, Александра Броньяра и Луи Агассиса об ископаемых и вымирании, был исключительно важен для понимания того, как определенные ископаемые связаны с конкретными пластами. Шкала геологического времени сначала была основана на этих принципах.

Тем не менее соотнесение последовательности ископаемых и изменений организмов с хроностратиграфическими событиями – не простая задача. Первоначальная среда, в которой жили организмы, отличается от места к месту и содержит совершенно разные биологические виды. Фоссилизация – довольно редкий процесс, требующий наличия специальных условий, при которых тела не разрушаются и не размываются; более того, сохранность увеличивается, если материал подлежит быстрому захоронению при малой концентрации кислорода или при полном его отсутствии. К тому же через миллионы лет необходимо определить местоположение отложений и извлечь их.

Руководящие ископаемые – это особые виды ископаемых, которые стратиграфы и геологи используют в качестве ключей, так сказать, для раскрытия последовательности горных пород на протяжении времени. Руководящие ископаемые представлены конкретными животными или растениями, которые населяли обширный географический район на протяжении относительно короткого времени, отличались от других видов или подвидов, были широко распространены и легко идентифицируются. Ключевые признаки руководящих ископаемых позволяют геологам разделять слои на основе их морфологии (формы) и распространения.

Например, давно вымершие трилобиты (группа морских артропод, класс Trilobita) считаются основными руководящими ископаемыми палеозойской эры. Существовали тысячи видов этих морских беспозвоночных, которые со временем менялись определенным образом (рис. 3.1, слева). Господство трилобитов закончилось с самым крупным когда-либо зафиксированным вымиранием, свидетельства которого обозначают завершение палеозойской эры и четко определяют границу пермского периода с последующим триасовым. Точно так же основными руководящими ископаемыми мезозойской эры являются аммониты с их спиральными раковинами (рис. 3.1, справа). Аммониты были плодовитыми животными, давшими начало множеству видов, которые позволяют геологам идентифицировать и соотносить геологические слои, а их вымирание знаменует окончание мезозоя.

Рис. 3.1. Слева: трилобит среднего кембрийского периода, гора Стивенс, Британская Колумбия (Mark A. Wilson, 2009); справа: аммонит, Лайм-Реджис, побережье Дорсета, Великобритания (Fluffybiscuit, 2010)

Как мы видели, работы палеонтолога Мэри Эннинг наряду с работами других ученых, в том числе немецкого палеонтолога Фридриха фон Квенштедта и его ученика Альберта Оппеля в 1850-х гг., стали основой для разработки аммонитовых зон – картографированных зон, определяющих возраст комплекса горных пород на основе изменений аммонитов. Аммонитовые зоны калиброваны для отложений по всему миру, в том числе в слоях Западного Внутреннего пролива мелового периода – крупного внутреннего моря, которое когда-то простиралось от Канады до Мексики и на протяжении более 30 млн лет разделяло Северную Америку на два массива суши.

Аммониты быстро скользили сквозь воды Западного Внутреннего пролива, в то время как на его берегах оставались дорожки следов динозавров и их скелеты. Над его широкими солеными потоками летали птерозавры. Там, где сегодня на высоте 1,5 км возвышается Денвер и Скалистые горы, когда-то, в зависимости от периода времени, глубина пролива составляла от 182 м (ровное дно) до 200–500 м (дно с котловинами). Дно было сложено из бедного кислородом ила с промежуточными слоями песка, что создавало идеальные условия для сохранения ископаемых останков. В конечном итоге материал литифицировался, превращаясь в сланцы Пирр, формацию Ниобрара и другие комплексы. Эти горные породы оказались подняты наверх примерно 40–70 млн лет назад вместе с молодыми Скалистыми горами в результате процесса горообразования, который называется ларамийским орогенезом.

Геологи определили возрастные зоны в сланцах Пирр, рядом с Лавлендом, штат Колорадо, на основе распределения различных видов аммонитов (см. цветную вклейку 3.2); зона карты, обозначенная голубым цветом, представляет самый молодой возраст, характеризующийся одним видом из рода Sphenodiscus^[128]. Геологи также используют для разграничения времени виды головоногих моллюсков с прямой раковиной – белемнитов.

И аммониты, и белемниты могут дать дополнительную информацию об условиях среды, в которой они жили. В частности, белемниты выстраивались вдоль течения, следовательно, их ископаемые раковины, которые называются рострами, указывают направление движения воды. Исследования раковин аммонитов и ростров белемнитов раскрывают и другие климатические параметры, такие как температура воды.

Иногда, поскольку одна и та же экосистема включала множество животных, геологи рассматривают группы существ и их ископаемые остатки, которые называются ассоциацией, или комплексом ископаемых. Примером ассоциации ископаемых может служить та, в которой сохранились обитатели морского дна и толщи воды над ним, включая знаменитые отложения кембрия в сланцах Бёрджесс в Британской Колумбии. Ассоциации ископаемых, найденные в этих горных породах, включают трилобитов; крупных артропод странного вида – аномалокарисов, Anomalocaris, известных также как «странная креветка»; древних, похожих на губок существ; брахиопод, Brachiopoda, – беспозвоночных с раковинами, состоящими из двух соединенных створок; первое известное животное с хордой – пикайю, Picaia; протокрабов; червей и, помимо прочих, предков мечехвостов^[129]. Ученые наносят на карту распределение этих ископаемых и таким образом сопоставляют горные породы на протяжении больших участков для составления шкалы геологического времени. При интерпретации комплексов ископаемых требуется осторожность, потому что потоки воды и другие силы могли передвигать останки животных после смерти, но они подходят для корреляции пластов горных пород.

Используя методы определения относительного возраста, геологи были способны установить последовательность событий временной шкалы, но лишь благодаря достижениям физики и химии и их применению по отношению к горным породам стало возможным четко определить границы между эонами, эрами, периодами и эпохами. Эти нововведения в конце концов превратили умозрительные теории эволюции и геологического времени в области науки, имеющие удивительно широкую доказательную базу.