Kitobni o'qish: «Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты»

Посвящается людям разных возрастов, всем желающим расширить свои знания о Земле, и особенно моим студентам, бывшим и нынешним, – вы вдохновляете меня

Elisabeth Ervin-Blankenheim

SONG OF THE EARTH

Understanding Geology And Why It Matters

Опубликовано с согласия The Jennifer Lyons Literary Agency и литературного агентства «Синопсис»

© Elisabeth Ervin-Blankenheim, 2023

© Левензон С. М., перевод на русский язык, 2023

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2023

КоЛибри^®

* * *

Азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд. Мы сотворены из звездного вещества.

Карл Саган, планетолог, популяризатор науки

Прекрасная книга: увлекательно написана и замечательно проиллюстрирована.

Джеймс Кастинг, профессор факультета геологических наук и метеорологии Университета штата Пенсильвания

На страницах этой книги представлен новый способ интерпретации «автобиографии» нашей родной планеты и новый взгляд на историю научных идей.

Каллан Бентли, доцент кафедры геологии Общественного колледжа Пидмонта, Виргиния

Введение
Почему геология?

Геология – это язык, на котором говорит Земля. Это также философия и поэзия, которые предлагают взглянуть на время – прошлое, настоящее и будущее – через почти бесконечные циклы катаклизмов, изобилия и разрушения. Многие читатели, возможно, даже и не задумывались о геологии, за исключением тех случаев, когда, увидев камень необычной формы или яркий ландшафт, задавались вопросом, откуда взялись такие особенности. Но эта наука не ограничивается горными породами и минералами, а дает целостное представление о Земле. Геология раскрывает подробную летопись планеты и обращается к действующим процессам, взаимосвязи всех систем и истории жизни. В этой книге строение Земли рассматривается понятно и содержательно. Книга проиллюстрирует динамическое взаимодействие между планетой и населяющими ее живыми организмами на протяжении огромных периодов в истории Земли – эонов.

С современной точки зрения облик Земли кажется постоянным: континенты находятся на своих местах, горные гряды поднялись навсегда, а широкие океаны отделяют Северную и Южную Америки от Европы, а Африку и Азию – от обеих Америк. Однако эта картина значительно отличается от снимков из прошлого планеты. Процессы, происходящие на Земле, могут казаться медленными и размеренными, но трансформация не всегда происходит постепенно, и со временем изменения выходят на поверхность в виде внезапных взрывов со страшными последствиями.

Астероид размером с Эверест врезался в Землю 66 млн лет назад и не только серьезно изменил облик самой планеты, но и вызвал массовое вымирание множества видов, включая нептичьих динозавров¹, которые господствовали на планете почти 200 млн лет. Недавно, в 2004 г., в результате сдвига тектонических плит в Индийском океане произошло понижение океанского дна, приведшее к возникновению стены воды – цунами, которое унесло жизни четверти миллиона человек. В наши дни ледниковые щиты и ледники, сформировавшиеся сотни тысяч лет назад, тают и могут исчезнуть в течение жизни следующего поколения. Если не принять меры и каким-то образом не замедлить этот процесс, то он приведет к поднятию уровня моря, затоплению прибрежных городов, засолению пресных вод и разрушению сельскохозяйственных угодий, в том числе низменностей в дельтах рек, которые обеспечивают продовольствием значительную часть мира.

Геологические процессы действовали не когда-то на заре существования Земли и завершились к настоящему времени: они продолжаются в наши дни и будут продолжаться в будущем. Есть искушение забыть об этом факте из-за существенных различий в продолжительности человеческой жизни и продолжительности жизни Земли – геологической истории планеты, – но человеческие временные рамки представляют собой всего лишь иллюзию. Наука геология предлагает уникальные знания о мире, почерпнутые из глубокого колодца геологического времени, – взгляд на самый длинный период в планетарных масштабах, продолжительностью 4,6 млрд лет. Геология дает четкое представление о будущем жизни на Земле и самой Земли. Геологические условия, наблюдаемые сегодня, – это всего лишь одна страница в книге, состоящей более чем из 4 млрд страниц, – столько лет существует наша планета.

Изучение Земли представляет собой отдельную область науки, хотя она и связана с астрономией, биологией, физикой и химией. Геология – это наука, которая подходит для использования повествовательного метода. Популяризаторы науки, такие как Джефф Додик и Шломо Аргамон, утверждают, что наука о Земле занимается исследованием «первопричин, которые часто кроются очень далеко в прошлом, и их следствия можно выявить только через очень длинные и сложные причинно-следственные цепочки промежуточных событий»².

Как научная дисциплина геология относительно молода: ее становление и оформление происходило в западном мире во время научной революции XVII в. Другие общества, в частности культуры коренных народов, обладали глубокими знаниями о Земле, геологических процессах и способах взаимодействия с окружающей средой благодаря индуктивным умозаключениям (на основе наблюдений). Такие практики и знания заслуживают уважения, но в этой книге мы их рассматривать не будем.

На написание этой книги меня вдохновили мои студенты-геологи, и именно им и будущим студентам, тем, кто еще учится в школе, и тем, кто ее уже окончил, но любит учиться, она посвящается. Мой собственный путь начался с глубокого интереса к миру природы, который привел меня сначала к изучению археологии, а затем геологии. Проработав гидрологом и геологом в Геологической службе США, я стала профессиональным геологом с лицензией и начала преподавать: так я обрела вторую профессию по призванию. Этот путь заставил меня осознать, что моим студентам требуются более серьезные знания основ геологии и обоснование, почему эта наука так важна, поэтому и появилась эта книга. Один из методов преподавания наук, связанных с историей, и в частности геологии, заключается в использовании рассказов, которые позволяют разобраться в геологических процессах и хронологии сквозь призму повествования. Когда я говорю с людьми о геологии, то рассказываю им истории о Земле, и зачастую для них удивительно осознавать, что даже их дворик за домом свидетельствует о миллионах лет истории планеты. Точно так же, когда, гуляя по лесу, мы вдруг натыкаемся на обнажение давно образовавшихся слоев горных пород, мы на самом деле получаем возможность общаться сквозь время, если научимся их читать.

Книга начинается (главы 1 и 2) с истории становления геологии, которая представлена в виде повествования о жизни отдельных ученых в эпоху Просвещения и после нее. Некоторые читатели могут задать вопрос: почему бы не начать с первых лет после рождения планеты? Одна из причин краткого изложения биографий ученых заключается в том, что для того, чтобы проникнуть в глубину веков и разобраться в биографии Земли, понадобились сотни лет работы многих поколений геологов. Другая причина состоит в том, что нам необходимо осознать, какова роль людей в интерпретации истории Земли и каково их влияние на судьбу планеты.

В двух первых главах рассматриваются следующие важные вопросы: как геологи раскрывали тайны наблюдаемых ими явлений, чтобы выяснить, что происходило с планетой со временем? Как они выяснили, каково было положение континентов на протяжении длинной истории Земли? С помощью каких методов геологи начали разбираться в процессах, приведших к современному облику планеты? Как они выделили эоны, эры и периоды в истории Земли? Биографии ученых представлены таким образом, чтобы выделить самую суть и подчеркнуть, какие огромные усилия и образное мышление были нужны, чтобы понять Землю с научной точки зрения. Поэтому в рассказах сохраняется исторический контекст и подчеркивается как вклад отдельных ученых, так и важность сотрудничества между теми, кто работал над одними вопросами.

Затем мы углубимся в историю и принципы трех всеобъемлющих концепций геологии: геологического времени – главы 3 и 4; недавно открытой тектоники плит – главы 5 и 6; изменений организмов в процессе эволюции – глава 7. Эти теории понятно объясняют процессы, происходящие с Землей. В главах 8–11 дается представление о каждой геологической эпохе – докембрийского суперэона и фанерозойского эона, включающего палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры – с рождения Земли до настоящего времени. В этих главах обсуждается биография нашей планеты. Наконец, в главе 12 дается краткое заключение и рассматриваются точки пересечения геологии и интересов человечества: как Земля влияет на живые организмы и как живые организмы влияют на Землю, причем особое внимание уделяется изменению климата и глобальным процессам. Геология может предложить возможные варианты дальнейших действий в том, что касается представлений о планете и решения существующих проблем, таких как масштабные изменения климата, влияющие на все регионы Земли.

Казалось бы, события геологической истории отделены от индивидуального человеческого опыта. Тем не менее геология присутствует повсюду: геологические процессы создают саму почву, воду и воздух, необходимые для жизни. Знания о Земле востребованы в разных сферах. Это важно для выявления месторождений природных ресурсов и оценки их площади, определения вероятности геологических и связанных с ними природных катастроф, а также для понимания, как на все это, в свою очередь, влияет человек. Благодаря знаниям о происхождении и циклах промышленных минералов можно улучшить методы управления, защиты и рационального использования этих природных ресурсов. Большинство землетрясений, цунами и извержений вулканов происходит не в произвольных местах, а на границах литосферных плит, скольжение и столкновения которых с образованием разломов и складок связаны с действием тектонических сил. Появление карстовых воронок и проседание грунта, особенности специфических грунтов, наводнения, излучение радона, лавины и оползни – все это можно понять с помощью геологии. Такими знаниями можно руководствоваться при выборе деловой недвижимости или фермы, места для жилья, территории для строительства дороги или дамбы, а также при принятии множества других решений, в том числе при разработке мер по предотвращению стихийных бедствий. Изучение геологических процессов в местных, региональных, национальных и мировых масштабах делает взаимоотношения людей с планетой более тесными.

Кроме того, множество эффектов, связанных с изменениями климата, напрямую направлены на людей и другие живые организмы на Земле. По международным оценкам³, такие изменения приводят к тяжким последствиям, которые непосредственно влияют на все факторы, важные для обеспечения жизни. К таким факторам относятся воздух, которым мы дышим, чистая вода, необходимая всем живым организмам, пахотные земли, обеспечивающие продовольствием растущее население планеты (численность которого, по оценкам ООН, достигнет 10 млрд человек к 2050 г.)⁴. Словом, на современное состояние и будущее самой жизни на Земле влияют нынешние и будущие изменения климата и сегодняшние поступки людей.

Геология предлагает пути выхода из грядущего климатического кризиса. Ценой тяжелого труда геологи воссоздали хронику событий на Земле на протяжении всей ее долгой истории. Климатические события прошлого оставили свой след в летописи горных пород, в том числе теплые и жаркие периоды, когда возрастала концентрация углекислого газа и других газов в атмосфере, и периоды великого холода, когда почти вся поверхность Земли замерзала. Оба типа событий, особенно последние из упомянутых, влияли на то, какие биологические виды выживали, а какие – нет. Извлечение уроков из данных геологии во многих отношениях представляет собой возврат к самой природе человечества, так как показывает основу, из которой произошла жизнь, и предлагает общую схему действий для решения современных проблем, связанных с изменением климата.

Кроме того, в горных породах и истории Земли скрыты тайны и ключи к преодолению нынешних проблем во всех средах обитания живых организмов – воздушной, водной, наземной, – возникших в результате неустойчивости глобальных круговоротов из-за изменений климата. Более того, наш мир, если не вся Вселенная, не только является отражением таких циклов, но и адаптируется к ним: Земля вращается, поэтому солнце восходит и заходит, чтобы вновь взойти; происходят извержения вулканов, поэтому суша поднимается и опускается, только чтобы вернуться в магму и вновь восстановиться. Представление о цикличности и о том, что в масштабах геологического времени можно назвать астрономическим или планетарным непостоянством, может способствовать построению новых, более плодотворных взаимоотношений с планетой: возможно, более глубокому пониманию, уважению и проявлению заботы о нашей общей среде обитания.

В книге проводятся аналогии с мелодией и гармонией для объяснения широкой взаимосвязи между живыми организмами и Землей в наши дни и на протяжении геологического времени. Результаты недавно проведенных исследований показывают, что такая аналогия, возможно, имеет физическую основу в виде гармонических колебаний Земли, которые можно представить как «музыку сфер». Магнитосфера планеты, которая порождается жидким внешним ядром внутри твердой Земли, не только служит щитом, защищающим организмы на поверхности планеты от повреждающих лучей за счет магнитного поля, но, по-видимому, действует и как музыкальный инструмент.

Ученые обнаружили, что магнитное поле реагирует на поток плазмы, идущей к Земле из Солнечной системы, в виде колебаний, во многом напоминая барабан⁵. На колебания реагирует не только магнитосфера: в атмосфере Земли тоже возникают колебания, которые называются резонансами Шумана (шумановскими резонансами). Теорию таких колебаний разработал в 1952 г. немецкий физик Винфред Отто Шуман⁶. Но лишь в середине 1960-х гг. ученым удалось обнаружить эти низкочастотные радиоволны⁷. Волны распространяются от поверхности планеты в ионосферу на высоту 96 км. Некоторые ученые утверждают, что живые организмы реагируют на частоту колебаний⁸.

Сами атомы нашего тела состоят из звездного вещества, и, как сказал знаменитый планетолог Карл Саган, «азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд. Мы сотворены из звездного вещества»⁹¹⁰. Сама Земля состоит из звездного вещества, поскольку планета образовалась 4,6 млрд лет назад в результате объединения массы расплавленного вещества. Таким образом, исходя из происхождения наших атомов и молекул, материя жизни берет свое начало в самой глубине времен. Планета Земля (см. цветную вклейку 1.1) – это неотъемлемая составляющая всего живого, в том числе людей, так же, как живые организмы представляют собой неотъемлемую часть нашей планеты, и эти части единого целого существуют в динамическом взаимодействии, перемежающемся катастрофами и спокойными временами, которые сформировали современный облик Земли и живых организмов. Моя книга рассказывает историю этого путешествия.

1
Становление геологии как науки: европейские корни

Наше повествование начинается с истории геологии с момента зарождения этой науки, когда геологией заинтересовались западные ученые, определившие ее основополагающие концепции, до начала XX века. Большинство первых исследователей не были геологами, поскольку такой официальной дисциплины еще не существовало, но они стали размышлять о странном устройстве Земли, имея профессиональную подготовку в разных отраслях науки, включая медицину, анатомию и химию. Даже юристы, священники и любители внесли свой вклад в формирование новой науки. Тем не менее у всех этих людей было нечто общее: они обладали пытливым умом и питали живой интерес к миру природы. Биографии исследователей демонстрируют, какой объем работы может проделать один человек, иногда при должном стечении обстоятельств, а также как области исследования разных ученых пересекались, влияли на полученные результаты и дополняли друг друга, особенно во времена, когда рационализм с его современным научным мышлением пришел на смену суевериям и буквальному толкованию Библии. Можно сказать, наука геология создавалась по кирпичику в процессе совместной работы, споров, обсуждений и решения жизненно важных вопросов. В процессе колонизации по мере развития торговли и коммуникации эти усилия распространились из Европы, места рождения науки, в Америку.

Эпоха Великих географических открытий и последовавшая за ней эпоха Просвещения XVII–XVIII вв. в Европе затронула все отрасли науки, особенно в том, что касалось стремления понять мир и природу как целое. Геология – молодая наука, если рассматривать ее возраст не только в очевидных масштабах геологического времени, но и в контексте того, насколько она применима для нужд человечества. Например, большинство основных принципов геологии были установлены лишь к концу XIX в. Некоторые фундаментальные геологические открытия – такие как определение возраста пород на основе измерения концентрации изотопов с известным постоянным периодом полураспада или разгадка движения литосферных плит – были сделаны совсем недавно, в XX столетии.

Вопросы о физическом строении Земли и остатках органической жизни в горных породах привели к зарождению научного познания в геологии. Эти два направления исследований то объединялись в единое целое, то разделялись, перекрывались и опять разделялись, подобно переплетающимся речным протокам, которые сначала идут вместе, а потом расходятся, но имеют общий источник. Таким общим источником был вопрос о том, как формировались отдельные слои породы, которые называются пластами, и какие окаменелости указывают на живые организмы, а какие – на горные породы.

Такие светила, как Леонардо да Винчи и датский ученый и епископ Николаус Стенон, были заинтригованы своими наблюдениями, сделанными в природе. Любознательность, проявляемая по отношению к горным породам, их местоположению и формам, порождала вопросы о том, что могут означать слои, выглядящие по-разному. Ученые, подобные указанным выше, обсуждали гипотезы и выдвигали идеи о происхождении горных пород и осадков¹¹. Затем перешли к объяснению строения горных пород на основе их местоположения и взаимоотношений между одним комплексом горных пород и другим. Стенон изучал пласты горных пород и обнаружил, что они отлагаются горизонтальными слоями, что привело к формулировке главных принципов стратиграфии – геологической науки, занимающейся изучением возрастных соотношений комплексов горных пород и последовательности их образования, – которые преподают и в наши дни. Эта работа сформировала основу для первой шкалы геологического времени. Еще одно направление исследований было сосредоточено вокруг вопроса о том, как останки океанских существ могли находить в местах, очень далеких от моря, на что впервые обратил внимание Леонардо да Винчи¹².

Перечисленные выше первые исследования предшествовали работам Джеймса Геттона (Хаттона), шотландского ученого-натуралиста, которого считают родоначальником геологии. Геттон задался вопросом о том, насколько быстро и при каких условиях формируются слои горных пород, представив более широкую картину того, как различные части на поверхности Земли собираются в единое целое. Геттон предположил, что внутреннее тепло Земли является главным фактором, управляющим геологическими процессами. Следующий вопрос касался дальнейшего определения последовательности образования горных пород и их расположения по отношению друг к другу. Этим занимался Абраам Вернер, чьи исследования и ныне отвергнутая теория нептунизма позволили отчасти уточнить раннюю геохронологическую таблицу. Приблизительно в то же время, когда Вернер изучал горные породы в Германии, первые палеонтологи, такие как Этелдред Бенетт, начали работу по систематизации ископаемых остатков организмов, выстраивая логическую последовательность на основе первых систем классификации.

Другие ученые конца XVIII – начала XIX в., среди которых было все больше женщин, занимались более сложными и вызывающими затруднения окаменелостями. Сопоставляя ископаемые остатки с пластами горных пород на больших участках в Англии, Уэльсе и Шотландии, Уильям «Страта» Смит создал первую детальную геологическую карту всей Британии. Уильям Бакленд утверждал, что катастрофический Ноев потоп ответственен за образование множества пластов и расположение окаменелостей. Так, в соответствии с его теорией присутствие костей ископаемых животных в английской пещере объяснялось библейским потопом. В ответ на подобные катастрофические теории в геологии Чарлз Лайель, исходя из открытий своего соотечественника, шотландца Геттона, касающихся геологических процессов, разработал теорию униформизма, которая убеждала все более заинтригованную британскую публику в том, что Земля формировалась в результате тех же природных процессов, что наблюдаются и в современности, причем действовавших с такой же силой и интенсивностью.

В океанских отложениях юрского периода в скалах Дорсета палеонтолог Мэри Эннинг обнаружила останки неизвестных в то время животных – плавающих морских позвоночных. Мэри Эннинг не только мастерски определяла местонахождение таких сокровищ, но и проводила раскопки и зарисовывала свои находки. Жан Луи Родольф Агассис продолжил работу по изучению земных процессов: обнаружив присутствие огромных валунов из разных, далеких друг от друга мест, он теоретически обосновал, что они откладывались ледниками, и предположил, что ледниковый период, должно быть, затронул бо́льшую часть Северной Европы. Дальнейшие геологические исследования земной поверхности проводил Арчибальд Гейки, родоначальник геоморфологии – науки, занимающейся изучением отложений и процессов, действующих на поверхности Земли. Французские натуралисты, в частности Жорж Кювье, внесли важнейший вклад в палеонтологию – науку, изучающую ископаемые остатки и вымершие формы жизни. Кювье вместе с Александром Броньяром создал первую геологическую карту Парижского бассейна.

По мере развития повествования о первых геологах мы увидим, что в этих историях содержатся фундаментальные представления о геологии, которые в основном были классифицированы благодаря пониманию, казалось бы, непостижимых периодов времени – самой глубины веков. Зарождение геологии как науки было нелегким, и рассказы о первопроходцах в этой области позволяют представить науку, которая непосвященным кажется скучной и ничем не примечательной, более человечной. Более того, рассказ об истории геологии сквозь призму биографий ее основателей дает возможность оценить, насколько важно для создания базовых концепций этой науки было совпадение времени значительных научных достижений с определенными периодами жизни отдельных удивительных личностей. Мы живем на Земле, и она поддерживает нас. Способна ли какая-нибудь другая наука оказывать подобное влияние на жизнь, а жизнь, в свою очередь, так влиять на науку?

Научные достижения в геологии: Европа

Николаус Стенон

Николаус Стенон (1638–1686; при рождении получил имя Нильс Стенсен, которое ученый впоследствии латинизировал и стал известен как Николаус Стенон (Стено, Стенониус) родился в Копенгагене в семье ювелира-лютеранина. В раннем детстве Николаус отличался слабым здоровьем, и поэтому общению со сверстниками предпочитал дружбу с более взрослыми друзьями семьи, которые способствовали формированию у мальчика серьезного склада ума. Стенон изучал медицину и в 1660 г. отправился в Амстердам, чтобы продолжить образование у анатома Герарда Блазиуса. Во время пребывания в Амстердаме Стенон сделал открытие: он обнаружил проток околоушной слюнной железы, по которому секрет железы поступает в рот. Ныне этот проток называют стеноновым,ductus stenonianus, а Стенон получил заслуженное признание после того, как его наставник попытался приписать это открытие себе. После нескольких лет работы в Лейдене и Париже по приглашению великого герцога Фердинанда II Стенон приехал во Флоренцию, где стал членом Академии дель Чименто (Академии опыта), первого научного сообщества Европы.

В 1666 г. внимание герцога привлекла гигантская белая акула, пойманная рыбаками в Средиземном море. Стенон по просьбе герцога провел препарирование и был поражен, увидев у акулы тринадцать рядов зубов. Ученый интуитивно понял, что зубы похожи на камни в форме языка – глоссопетры (glossopetrae) (рис. 1.1), которые были обнаружены в пластах горных пород высоко над уровнем моря¹³. Стенон не был первым, кто соотнес ископаемые глоссопетры с зубами живых акул, но он подтвердил эту догадку с помощью анатомического исследования, опубликовав результаты в 1667 г.¹⁴ вместе с иллюстрациями препарированной головы акулы и образцами глоссопетр¹⁵. После этого ученые стали рассматривать окаменелости как останки древних животных, сохранившиеся в слоях осадочных пород. Стенон выдвинул гипотезу о том, что древние зубы, найденные в осадочных породах, превратились в камень в результате процесса «корпускулизации», при котором «корпускулы», или молекулы, исходного вещества были замещены молекулами минералов. Возникал еще один вопрос: почему эти окаменелые зубы находили так далеко от океана? Стенон пришел к выводу, что, вероятно, очень давно или поднялся уровень моря, в результате чего затопило сушу, или произошло поднятие дна океана, и образовался новый участок суши. Если верно последнее, то условия окружающей среды, должно быть, изменились кардинально.

Рис. 1.1.Рисунки Стенона, на которых изображены голова препарированной акулы и окаменелые зубы (Steno, 1667, fol. 90)

Стенон выполнял и другие наблюдения, критически важные для развития геологии. В 1669 г. он написал небольшую книгу «О твердом, естественно содержащемся в твердом» (De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus)¹⁶ – исследование горных пород в окрестностях Тосканы. Ученый обратил внимание на расположение пластов по отношению друг к другу и начал разрабатывать главные принципы стратиграфии, науки об осадках и слоях осадочных горных пород Земли. Геологи и сегодня продолжают полагаться на эти принципы.

Принцип суперпозиции, один из шести принципов, открытых Стеноном, гласит, что древнейшие горные породы залегают в самом низу последовательности слоев, а самые молодые – наверху, если не вмешивались никакие иные процессы. Сейчас эта мысль кажется очевидной, но во времена Стенона она была революционной, поскольку указывала на связь одного слоя с другим и дала начало концепции упорядочения отложений на основе возраста.

Согласно принципу горизонтального залегания слоев, сформулированному Стеноном, все осадки при прочих равных условиях отлагаются горизонтально под действием гравитации. Следовательно, если слои не горизонтальные, а наклонные или складчатые, в дело вмешивались другие процессы. В своем принципе латеральной непрерывности Стенон также обращает внимание на то, что пласты осадочных пород охватывают обширные участки, которые первоначально простирались во все стороны. Из этого следует, что слои пород, которые выглядят похожими, но в более позднем периоде оказались разделены, например, в результате речной эрозии, при образовании были непрерывными. Более того, если какая-то другая особенность проявляется или охватывает последовательность слоев, эта особенность обязательно сформировалась позже, что приводит к принципу секущих взаимоотношений (который Стенон сначала называл принципом формирования или формования, связанного с принципом «вверх-вниз»).

Стенон доказал, что ученый может раскрыть геологическую историю участка, исследуя и мысленно удаляя по одному слою в толще горных пород, начиная с вершины (самые молодые слои) и до основания (древнейшие слои). В результате появился принцип реконструкции (или бэкстриппинга – снятия слоев в обратном порядке). Эта процедура (рис. 1.2) начинается с анализа недавно сформировавшегося состояния (20 на рисунке), а затем, снимая один слой за другим во всей последовательности, ученый может прийти к расположению слоев (25 на рисунке) в более древние времена и таким образом понять, какие геологические процессы происходили.

Николаус Стенон, обладавший множеством талантов, был еще и минералогом и разработал еще один стратиграфический принцип: принцип включенных фрагментов (альтернативное название – принцип включений). Идея заключается в том, что если фрагмент другого минерала или горной породы обнаруживается в пласте осадочной породы, то он должен быть старше, чем содержащая его порода. Помимо разработанных принципов, Стенон также теоретически рассуждал о том, каким образом ископаемые остатки оказались внутри горных пород: по его мнению, когда-то вещество горных пород было жидким и слоями осаждалось на дно океана, в связи с этим животные оказывались в ловушке и образовывались окаменелости.

Рис. 1.2.Принцип реконструкции Стенона (Steno, 1916 [1669]. P. 226)

Теории Стенона иногда называют законами, но будет точнее называть их принципами. Законы – это утверждения и правила, выраженные математически, которые, по-видимому, на данный момент не имеют исключений и подкреплены повторяющимися проверками, как, например, законы движения, сформулированные Исааком Ньютоном. С другой стороны, принципы представляют собой руководящие концепции и теории явлений, продемонстрированные с преобладающим количеством доказательств. Они могут иметь, а могут и не иметь математическое выражение, как принцип суперпозиции Стенона.

Стратиграфические концепции преподают и в наши дни, и они стали основополагающими для понимания геологического времени. Работа и исследования Стенона дали начало одному из видов датирования геологических материалов – датированию относительного возраста, определяющему порядок слоев на основании их расположения по отношению друг к другу и соотношению во времени. При таком методе датирования для создания шкалы геологического времени были впервые использованы окаменелости.

Стенон обратился в католическую веру и в 1675 г. стал священником. При посвящении в сан он дал обет бедности, а в 1677 г. стал номинальным епископом Титиополиса, города бывшей Восточной Римской империи на территории современной Турции, которого больше не существует. Следуя своему обету, Стенон вел аскетическую жизнь, продав все, что можно, чтобы пожертвовать бедным. Этот добровольно выбранный аскетизм довел его до истощения, и в 1686 г. он скончался в возрасте сорока восьми лет. Другие ученые того времени игнорировали работы Стенона из-за его обращения к религии. Тем не менее хотя Стенон и оставил научную карьеру, но не забросил науку. Его биограф Йенс Мортен Хансен утверждает:

До самой смерти Стенон считал научное знание высшей формой восхваления Бога и утверждал, что религиозные домыслы не должны довлеть над научными доказательствами¹⁷.

Стенон признан первым ученым современности, который подчеркнул значение окаменелостей и расположения слоев, не только заслуженно заняв почетное место в истории геологии, но и став предвестником появления почти век спустя «отца геологии».

Джеймс Геттон

Джеймс Геттон (1726–1797) – шотландский ученый, считающийся родоначальником современной геологии, – родился в 1726 г. Он был приверженцем градуализма и считал, что земные силы действовали медленно с течением времени и циклично, в отличие от приверженцев теории катастроф, таких как библейская история о Всемирном потопе. В молодости Геттон изучал медицину и стал врачом; научным изучением Земли он занимался всю жизнь, но до шестидесяти лет не публиковал свои результаты. Геттон жил и работал в Шотландии в эпоху Просвещения – в конце XVIII в. – и был современником Бенджамина Франклина, Дэвида Юма и Адама Смита. Вместе с Франклином, Юмом, Смитом, Джоном Плейфером и другими знаменитостями Геттон в 1783 г. стал одним из основателей Эдинбургского королевского общества, созданного по королевской грамоте для «продвижения образованности и полезных знаний». Собрания этого общества на первых порах проходили в библиотеке Эдинбургского университета.

Наряду с богатыми домами и салонами Эдинбурга и окрестностей Эдинбургское королевское общество было местом, где представляли и обсуждали идеи и научные открытия. Франклин посетил Эдинбург в 1759 и 1771 гг., встретившись с коллегами-мыслителями, и потом многие годы вел переписку с Геттоном и другими. Как и многие его коллеги, Геттон был деистом и считал, что Творец установил законы природы и создал мир для людей, которые посредством рационального мышления могут разгадать тайны Земли. Более того, как свидетельствуют сочинения Геттона, порой очень сложные, ученый пытался втиснуть свои открытия, касающиеся мира природы, в рамки этого деистского контекста.

В 1785 г. Геттон представил Эдинбургскому королевскому обществу доклад о своих геологических открытиях «К вопросу о системе Земли, ее возрасте и стабильности» (Concerning the System of the Earth, Its Duration, and Stability)¹⁸, который был записан и опубликован три года спустя под названием «Теория Земли» (Theory of Earth). Полное сочинение в двух томах, состоящее почти из 1200 страниц, было опубликовано в 1795 г., за два года до смерти Геттона¹⁹. В «Теории Земли» Геттон разрабатывает свои более ранние идеи и отвечает на критику своих представлений со стороны оппонентов. В третьем томе, вышедшем после смерти ученого, излагается теория происхождения гранита: по утверждению Геттона, гранит – это горная порода магматического происхождения, то есть образовалась из расплавленной магмы, а не в результате процесса седиментации. Геттон связал формирование этих горных пород с «жаром» Земли и продвигал идеи плутонизма – названного в честь Плутона (бога подземного царства и жара) научного течения, сторонники которого верно утверждали, что магматические породы, созданные в огненной магме, в конце концов разрушались и накапливались в слоях осадочных пород. По мнению плутониста Геттона, первичные – или простые – породы были результатом внедрения или извержения магмы из недр Земли.

Геттон понимал, что осадки откладываются в течение длительных периодов, преимущественно в результате действия воды (рек и ручьев, а иногда и океанов), и залегают горизонтально (как наблюдал Стенон): древнейшие – на дне толщи, самые молодые – наверху. Со временем осадки литифицируются (превращаются в горную породу) в результате погружения и изменений температуры, а затем поднимаются наверх в ходе процессов горообразования, которые искажают и деформируют слои. Потом обнажившиеся породы разрушаются в результате эрозии, и со временем поверх нарушенных слоев откладываются новые осадки. Даже без многочисленных современных методов датирования Геттону было ясно, что для прохождения всех этапов одного из этих естественных процессов требуются миллионы лет. Так появилась теория униформизма.

Геттон также исследовал и обсуждал временные пробелы в геологической летописи, которые называются несогласиями (периоды геологического времени, в которых нет остатков горных пород, указывающих на поднятие массива, периоды эрозии или силы, под действием которых старые породы были разрушены в результате выветривания и эрозии, о чем свидетельствуют отсутствующие слои). Эти «неправильные соединения первичных и вторичных слоев»²⁰ крайне важны для понимания возраста Земли и шкалы геологического времени, потому что они показывают, как формировались слои горных пород в течение огромного периода. Геттон не первым обратил внимание на изменения углов и ориентации слоев горных пород, но он впервые правильно интерпретировал это явление и осознал последствия. Стенон отмечал изменения углов наклона слоев в своем сочинении «О твердом, естественно содержащемся в твердом», опубликованном в 1669 г.²¹. Швейцарские и французские геологи, в том числе Орас Бенедикт де Соссюр, который был еще и альпинистом, сообщали об изменениях в ориентации слоев горных пород в Альпах²². Геттону было известно об этих более ранних открытиях, и он занимался поиском соединений, где разные слои находились в контакте. Сначала он исследовал наклонные горные породы на северной оконечности острова Арран, но знал, что ему требуется больше данных. Друзья сообщили Геттону об обнажениях пород вдоль подвергшихся эрозии берегов реки Джед, где слои мергеля (осадочной горной породы из известняка и глины) и песчаника горизонтально залегали над другими слоями с выраженным наклоном. Геттон пришел к выводу, что почти вертикальные слои являются результатом поднятия и они старше, чем покрывающие их горизонтальные слои. Он утверждал, что какое-то событие разрушило поверхность тех слоев, что сейчас залегают ниже, но в течение длительного периода условия менялись, и поверх отлагались осадки в горизонтальном положении. Геттон документально зафиксировал явление, которое он назвал «великим несогласием» Инчбонни в Джедборо, Шотландия (рис. 1.3) в 1787 г. Идеи о роли «жара» Земли в формировании горных пород, представления о циклах и возрасте Земли все больше подтверждались во время полевых исследований Геттона, но ученому требовались дополнительные доказательства. Геттон начал искать другие примеры, где более молодые слои находились в контакте с гораздо более старыми, а промежуточные комплексы пород отсутствовали, что указывало на значительный разрыв во времени.

Дальнейшее подтверждение было найдено в скалах Сиккар-Пойнт (см. цветную вклейку 1.1). Услышав от сэра Джеймса Холла, политика, землевладельца и химика, об омываемом морем обнажении, Джеймс Геттон вместе со своим коллегой из Эдинбургского королевского общества Джоном Плейфером отправился на маленькой лодке, рискуя жизнью и здоровьем, исследовать угловое несогласие (когда смежные слои расположены под острым углом друг к другу). Наклонные слои красного песчаника залегали над впечатляющими почти вертикальными слоями сланцев (определенных как глинистый сланец и известняк) – такое расположение сейчас называется геттоновским несогласием. Эта особенность служила подтверждением существования пробела в геологическом времени. Геттон понял, что, вероятно, в период между образованием слоев сланцев и появлением слоев песчаника, расположенных под углом к ним, происходили какие-то серьезные события, в результате которых сначала более старые горные породы перевернулись и встали перпендикулярно, потом промежуточные слои разрушились в результате эрозии или были уничтожены, и осталась гладкая поверхность, на которую еще позже стал наслаиваться песок, и со временем он превратился в песчаник. К силам, которые способны привести к утрате слоев и явным пробелам в геологической летописи, относятся периоды нагрева, поднятия, действие рек или выветривание, причем все это происходит в течение огромного отрезка времени – миллионов лет.

Рис. 1.3.Великое несогласие Инчбонни в Джедборо (Hutton, 1795. Vol. 1. Plate III; гравюра с рисунка Джона Клерка из Элдина)

С идеей о том, что геологические изменения происходят медленно с течением времени, связан предложенный Геттоном додарвиновский принцип изменчивости, который, хотя и не дотягивает до теории эволюции, гласит, что живые организмы также постепенно меняются со временем. Геттон оспаривал выводы Петра Симона Палласа (1741–1811), немецкого зоолога и ботаника²³, о том, что останки сухопутных и морских животных, найденные вместе в Сибири, были занесены туда великим Ноевым потопом. Геттон утверждал, что в таком потопе не было необходимости: присутствие окаменелостей морских животных среди останков сухопутных млекопитающих можно объяснить геологическими процессами, перемещением их с водой, и действительно «когда-то слоны и носороги жили в Сибири»²⁴. Джеймс Геттон так и не принял идею о вымирании целых видов, родов и семейств живых организмов и утверждал, что формы жизни остаются постоянными, хотя могут изменяться в определенных рамках²⁵.

Геттон скончался в 1797 г., но третий том его труда «Теория Земли с доказательствами и иллюстрациями» (Theory of the Earth: With Proofs and Illustrations), в котором были представлены не только его мысли о происхождении гранита, но и описания его путешествий и полевых исследований, был опубликован лишь в 1899 г.²⁶. Эта 102-летняя задержка была связана с Лондонским геологическим обществом, потому что, как утверждал сэр Арчибальд Гейки, редактор последнего тома «Теории Земли», некоторые иллюстрации Геттона были неполными.

Надо признаться, описания путешествий в иногда запутанных сочинениях Геттона временами затрудняли понимание его идей, в том числе попыток объяснить свой деизм и то, каким образом ему удавалось примирить деизм с пониманием мира с точки зрения геологии. В черновом варианте предисловия к опубликованной в 1788 г. «Теории Земли», озаглавленного «Заметки, снимающие с представленной теории Земли подозрения в нечестивости» (Memorial justifying the present theory of the Earth from suspicion of impiety), Геттон пишет:

Религии принадлежит право учить, что Бог сотворил все сущее своей созидательной силой, что идеальная мудрость служила руководством в выборе целей и средств, и все было сделано из самых благих намерений. Но не религии дано рассказывать историю природы или осведомлять человечество о вещах, подлинно существующих; не религии учить о том естественном порядке событий, который человек, руководствуясь наукой, возможно, способен раскрыть и, благодаря мудро устроенному разуму, найти средства для его установления²⁷.

Геттон дальше обсуждает власть религии и науки. Он пытается предотвратить религиозную критику своей геологической теории, но по мере углубления в предмет его доводы становятся все более туманными. Друг и коллега Геттона Уильям Робертсон, ректор Эдинбургского университета, тактично внес поправки, пытаясь оградить ученого от религиозных споров и смягчить его многословность. Тем не менее, несмотря на эту помощь, Геттон решил не публиковать предисловие, и впервые оно появилось почти два столетия спустя, в 1973 г., в статье Денниса Дина «Джеймс Геттон о религии и геологии: неопубликованное предисловие к его “Теории Земли”» (James Hutton on Religion and Geology: The Unpublished Preface to His Theory of the Earth)²⁸.

После смерти Джеймса Геттона Плейфер решил написать биографию своего друга и наставника, посвятив время выделению сути идей, касающихся геологии, которые были скрыты в длинных и витиеватых описаниях Геттона, лишенных ясности и полных отступлений на богословские темы. В конце концов Плейфер временно отложил написание биографии и сосредоточился на придании ясности концепциям Геттона в области геологии. 1 июля 1799 г. Плейфер прочитал первую часть своего сочинения перед членами Эдинбургского королевского общества, а вторую часть представил на следующем заседании²⁹. Итогом работы стала книга Плейфера «Изложение Геттоновой теории Земли» (Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth), опубликованная в 1802 г. В отличие от самого Геттона, Джон Плейфер понятно объяснял геттоновские концепции геотермальной теплоты и несогласий, его представления о циклах горных пород (процессах превращения горных пород из одного типа в другой) с точки зрения градуализма, а также идею, что периоды эрозии и поднятия являются повторяющимися событиями в истории Земли. Таким образом, Плейфер разъяснил геттоновскую теорию униформизма и его утверждение «настоящее – ключ к прошлому»³⁰. Природные силы, действующие на Земле в настоящем, действовали и в прошлом с такой же интенсивностью и продолжительностью.

Плейфер наконец зачитал свои биографические заметки о Геттоне на заседании Эдинбургского королевского общества 10 января 1803 г., через пять лет после смерти Геттона, и опубликовал их в журнале The Transaction of the Edinburgh Royal Society³¹. Это была элегия и дань его другу и наставнику. Работа Плейфера, в которой представлены переработанные гипотезы и теории Геттона, обеспечила Джеймсу Геттону исключительное звание «отца геологии». Благодаря такой поддержке Плейфера через тридцать лет в сочинениях Чарлза Лайеля продвигаются идеи Геттона об униформизме, градуализме и магматическом происхождении горных пород.

Геологические исследования и сочинения Геттона вместе с интерпретацией Плейфера выдержали проверку временем. Из них можно получить сведения о следующих принципах: о древнем возрасте Земли; о циклах в геологии – включая поднятие и факторы эрозии; о влиянии рек; о тепловой энергии земного ядра, которая вносит вклад в развитие горных пород, формирование коры и недр; и о постепенных изменениях на протяжении длительных периодов в ходе процессов, которые продолжаются и сегодня. В опубликованной в 1788 г. «Теории Земли» Геттон сказал свою знаменитую фразу:

Таким образом, результат нашего настоящего исследования заключается в том, что мы не обнаружили ни следов начала, ни признаков будущего конца³².

Абраам Вернер

Абраам Вернер (1750–1817) родился на век позже Стенона и на четверть века позже Геттона, в семье горных инженеров (в некоторых источниках годом его рождения указывается 1749-й). Его работа стала фундаментальной для понимания расположения горных пород по возрасту и источников их происхождения на основе принципов, установленных Стеноном³³. Определяя последовательность горных пород, Вернер заложил основу для создания первой шкалы геологического времени и предложил метод классификации слоев Земли.

Отец Вернера был инспектором металлургического завода герцога Саксонского в Верау, Германия³⁴. В детстве Абраам был хилым мальчиком, и болезнь преследовала его всю жизнь. Обучением Абраама в детстве занимался отец, и хотя Вернер, еще будучи ребенком, собирал и коллекционировал минералы, плохое здоровье не позволило ему и дальше заниматься полевыми исследованиями, когда он заинтересовался геологией. Вернер получил образование в Горной академии во Фрайберге и Лейпцигском университете и в возрасте двадцати шести лет был приглашен на должность преподавателя горного дела и минералогии, а также хранителя коллекции минералов во Фрайбергской горной академии. Он преподавал в университете следующие сорок лет, его лекции были живыми и увлекательными, и благодаря им минералы становились важными и интересными для его студентов.

Вернер внес значительный вклад в области распознавания, классификации и цветового анализа минералов. Он написал несколько книг на эту тему. Фундаментальный труд Вернера «О внешних признаках ископаемых тел» (Von den äusserlichen Kennzeichen der Fossilien) впервые был опубликован в 1774 г. (еще до того, как ученого пригласили преподавать в академии) и переведен на английский язык в 1805 г.³⁵. Термин fossil («ископаемые тела»), введенный Георгом Агриколой (1494–1555) в работе «О природе ископаемых» (De natura fossilium), известной как учебник минералогии, использовался в Германии как для определения «земель» (собственно минералов), так и «фигурных камней» (окаменелостей)³⁶ вплоть до 1820 г., когда постепенно пришло осознание, что это две разные категории. Источником для формирования минералов в основном служат неорганические вещества, тогда как большинство окаменелостей образуются в результате жизнедеятельности живых организмов. Вернер формулирует свое определение минералогии как естественной истории «ископаемых тел». Он классифицировал минералы на основе систематических и логически понятных признаков, заложив основу современного подхода к изучению минералов.

Наряду с исследованием минералов Абраам Готлоб Вернер занимался изучением горных пород, их особенностей и последовательности их образования во времени – тем, что он назвал геогнозией. Особое влияние на него оказали работы его предшественников: немецких геологов Иоганна Готлоба Лемана (1719–1767) и Георга Кристиана Фюкселя (1722–1773)³⁷. Леман и Фюксель, каждый по отдельности, обсуждали в своих сочинениях положение комплексов горных пород по отношению друг к другу на участке на севере Германии, в курфюршестве Саксония. В наши дни эти комплексы идентифицируются как горные породы триасового и пермского периодов. Вернер изложил свои представления о геологических формациях в изданной в 1787 г. брошюре «Краткая классификация и описание различных горных пород» (Kurze Klassifikation und Beschreibung der verschiedenen Gebirgsarten)³⁸. Ученый разделил формации на четыре категории: «первозданные» (примитивные), «флецевые» (вторичные), «намывные» (аллювиальные) и вулканические. Вернер также добавил пятый тип – переходные горные породы между примитивными и вторичными слоями³⁹. Это разделение основывалось на времени образования: по мнению Вернера, примитивные горные породы – самые древние, а аллювиальные и вулканические – самые молодые.

Леман также предположил, что когда-то океан покрывал весь земной шар⁴⁰. Вернер продвигал эти идеи и предложил гипотезу, согласно которой формации образовались из частиц и осадков, отлагавшихся из бескрайнего моря. Таким образом, Вернер стал основоположником нептунизма (научного течения, названного по имени римского бога моря Нептуна; сторонники нептунизма считали, что горные породы образовались путем осаждения из воды). Гипотеза Вернера о происхождении горных пород в некоторых интерпретациях иногда трансформировалась в утверждение о том, что отложения стали результатом Ноева, или Всемирного, потопа, о котором говорится в Библии. Сам же Абраам Вернер никогда не упоминал о Библии или библейских историях в качестве сведений об источниках геологических процессов, и ученые, занимающиеся исследованием его сочинений, не считают его геологом, который рассматривал геологию с точки зрения Библии⁴¹. Вернер считал вулканические породы, такие как базальт (темная мелкозернистая порода), необычными, чуждыми, но полагал, что они образовались таким же образом, как и остальные – в результате отложения осадков из покрывавшего всю Землю океана, тогда как плутонисты, такие как Геттон, утверждали, что тепловая энергия и магма создали базальт.

Вернер по состоянию здоровья не мог много путешествовать, но студенты и ученые со всей Европы приезжали послушать его курсы и посетить его во Фрайбергской горной академии. Уже находясь на смертном одре, Абраам Вернер, член Парижской академии и английского Вернеровского общества естествознания, с большой радостью узнал, что в Кембридже, Оксфорде, Лондоне, Глазго, Дублине и Белфасте преподавание минералогии базируется на его принципах⁴². Вернер умер в 1817 г., оставив богатое наследие в виде научных работ, но он знаменит не только этим: ему удалось вдохновить множество молодых геологов на занятия наукой.

Отчасти трудности нептунистской гипотезы Вернера были связаны с тем, что ученый не мог сам заниматься изучением горных пород в других частях Европы, поэтому он проецировал данные, полученные в местных условиях, на остальной геологический мир. Кроме того, теория Вернера не могла объяснить, что произошло со всей той водой, из которой состоял древний океан, покрывавший весь земной шар. Тем не менее Вернеру принадлежит видное место в истории геологии благодаря нескольким теориям. Он пришел к выводу, что горные породы следует классифицировать не традиционным способом – по содержащимся в них минералам, – а по их геологическому возрасту⁴³. Исследования залегания слоев по отношению друг к другу, выполненные Вернером, привели к созданию одного из самых первых вариантов шкалы геологического времени. Он также предложил объединяющую теорию геологии своей эпохи⁴⁴.

Этелдред Бенетт

Важнейшую работу по определению местоположения и классификации окаменелостей продолжила в Англии Этелдред Бенетт (1776–1845), которая родилась в Уилтшире. (Некоторые источники указывают годом ее рождения 1775-й.) Осталось всего лишь несколько настоящих портретов Бенетт. Сводный брат невестки Бенетт, ботаник и член Геологического общества Лондона, поощрял стремление Этелдред изучать естествознание, и она стала глубоко интересоваться ископаемыми и стратиграфией.

К 1809 г. Бенетт собрала обширную коллекцию окаменелостей из карьеров, расположенных в окрестностях Уилтшира. Она была современницей Уильяма «Страты» Смита, знаменитого картографа Англии, оказавшего влияние на ее работу, и пользовалась его стратиграфическими методами (способами установления связи одного геологического слоя с другим), хотя и не всегда была согласна с ними. Этелдред сама собирала образцы для своей коллекции и была знатоком таксономии, находя и давая название новым таксонам (таксономия – раздел науки, касающийся классификации). Бенетт составила стратиграфический разрез (способ графического представления комплексов горных пород в вертикальной плоскости от древнейших на дне до самых молодых на вершине, в том виде, в каком они наблюдаются в полевых условиях) верхнего карьера Чиксгроув в Уилтшире. Этот стратиграфический разрез Бенетт впервые отправила Геологическому обществу в 1815 г. Он был опубликован без ведома исследовательницы, и ее работе не отдали должное⁴⁵.

Многие знаменитые геологи того времени, в том числе Уильям Бакленд, Чарлз Лайель и Луи Агассис, приезжали, чтобы увидеть и изучить знаменитые ископаемые, которые обнаружила и курировала Бенетт. Она великодушно предлагала найденные ею образцы для изучения учеными, а некоторые экземпляры из своей коллекции направила в музеи. В 1831 г. Этелдред Бенетт опубликовала «Каталог органических остатков графства Уилтшир» (A Catalog of the Organic Remains of the County of Wiltshire) со стратиграфической характеристикой местности, перечнем образцов своей коллекции и иллюстрациями Э. Д. Смита. В предисловии она пишет:

Я старалась выполнить этот каталог настолько точно, насколько это возможно; и если я упомяну, что его одобрил мистер [Джордж Беллас] Гринаф, каталог не подвергнется риску быть отвергнутым в геологическом мире⁴⁶.

Среди собранных Бенетт материалов были редкие моллюски с сохранившимися мягкими тканями – первые из тех, что когда-либо были идентифицированы (рис. 1.4)⁴⁷. Многие из находок Бенетт были типовыми ископаемыми (представительными экземплярами, используемыми для определения вида), а большая часть ее коллекции состояла из беспозвоночных (представленных животными с наружной раковиной и мягкими отделами тела), таких как показанные на этом рисунке раковины. Тем не менее редкая кость позвоночного (животного с внутренним скелетом), Ichtyosaurus trigonus(хищный морской ящер, ныне вымерший гигант), оказалась настолько важным экземпляром, принадлежащим животному этого вида, что, когда материалы были открыты заново, для Международной комиссии по зоологической номенклатуре этот образец заменил другой типовой экземпляр.

Поскольку Бенетт была женщиной, ей не позволяли вступить в какое-нибудь геологическое общество того времени. Этелдред отправила несколько образцов ископаемых из своей коллекции в Санкт-Петербургский музей, и в благодарность, полагая, что это мужчина, Императорское московское общество испытателей природы присвоило ей почетную степень. В письме Сэмюэлю Вудворду от 12 апреля 1836 г. Бенетт отмечала:

Досадно, что никто не поверит, что леди способна написать такой пустяк: в этом дипломе меня называют Dominum Etheldredum Benett⁴⁸. А мистер Лайель сказал мне, что ему пишут иностранцы, чтобы узнать, действительно ли мисс Бенетт – не джентльмен… так что, как Вы видите, ученые мужи в целом очень низкого мнения о способностях представительниц моего пола⁴⁹.

Бо́льшая часть коллекции Бенетт после ее смерти была продана Томасу Беллерби Уилсону (1807–1865), натуралисту и филантропу из Ньюарка, штат Делавэр. Разделив материал на несколько частей, он преподнес его в качестве дара Филадельфийской академии естественных наук в период между 1848 и 1852 гг.⁵⁰. Но ископаемые не были внесены в каталоги музея вплоть до 1980-х гг., отчасти потому, что основное внимание Филадельфийской академии было сосредоточено на неогеновых (более молодых) ископаемых моллюсках. Более того, было трудно разобрать записи и сведения о номенклатуре различных видов. В редких упоминаниях о коллекции в течение многих лет даже неправильно указывалось название музея, так что до 1989 г. кураторы считали коллекцию Бенетт утраченной⁵¹. Теперь, когда она открыта заново, музеи и исследователи признают коллекцию Этелдред Бенетт главной в истории палеонтологии.

Рис. 1.4.Ostrea recurvirostra, Ostrea transversa и Turrilites undulates из коллекции Этелдред Бенетт (Benett, 1831, figure 17; иллюстрации Э. Д. Смита)

Уильям «Страта» Смит

Любое обсуждение современной геологии будет неполным без признания вклада Уильяма «Страты» Смита (1769–1839). Смит родился в Оксфордшире в семье кузнеца. Отец Смита умер, когда мальчику было восемь лет, и его растил дядя, дом которого находился в районе известняковых холмов Котсуолдс. В этих местах было много ископаемых юрского периода, и юный Уильям сосредоточенно их собирал. В восемнадцать лет он поступил на работу к Эдварду Уэббу, картографу и землемеру, который отправил его проводить землемерную съемку богатых поместий, и Уильям овладевал своим ремеслом во время работы.

Изучая формации горных пород в Южной Британии, Смит впервые понял, что в характерных, четко определенных слоях осадочных пород содержится конкретный набор ископаемых, которые отличаются от тех, что находят в выше- и нижележащих слоях. Это открытие привело к развитию Смитом принципа последовательности фауны, согласно которому геологические пласты можно идентифицировать и классифицировать по найденным в них ископаемым.

На юге Британии находятся группы осадочных формаций, состоящих из угля каменноугольного периода, песчаников триасового периода, известняка юрского периода и мела мелового периода (из последнего образованы белые утесы Дувра толщиной 300–400 м). Эти формации откладывались горизонтально в морских условиях, а затем образовались слабые складки. Указанная область, Уилд, простирается от Танбридж-Уэллса на севере до Брайтона на юге. Более молодые осадки кайнозойской эры, такие как лондонская глина, откладывались к северу от Уилда.

В 1795 г. началось строительство двух каналов для доставки угля баржами из Бристоля и Бата в Лондон. Надзирая за рытьем траншей, Смит вел пространные записи об ископаемых, найденных во время раскопок, и коллекционировал их в стратиграфической последовательности (с указанием возраста и комплекса пород). Потом ему удалось соотнести слои в том месте, где располагался один канал, со слоями во втором на основе найденных в них окаменелостей. Со временем Смит создал стратиграфическую колонку комплексов горных пород вокруг Бата⁵² на основе органических останков в слоях и глубины залегания пластов. Это было первое биостратиграфическое исследование (соотнесение пластов на основании найденных в них ископаемых остатков), проведенное в таком масштабе. Увлеченный наблюдатель, Смит проводил исследования и выявил связь между многими обнажениями горных пород по всей Англии, Уэльсу и Южной Шотландии.

В 1815 г. Смит опубликовал «Определение границ пластов в Англии и Уэльсе, а также части Шотландии» (A Delineation of the Strata in England and Wales, with Part of Scotland) – первую геологическую карту Британии (см. цветную вклейку 1.2). Геологические подразделения на карте были вручную раскрашены акварелью и, что наиболее важно, в легенде карты были показаны стратиграфические единицы по порядку, от более старых у основания к более молодым на вершине⁵³. Два года спустя Смит издал «Стратиграфическую систему организованных ископаемых» (Stratigraphical System of Organized Fossils)⁵⁴. В его работе показано, что ископаемые, обнаруженные в комплексах горных пород, позволяют отличать одну формацию от другой и классифицировать их по содержащимся в них живым организмам.

В связи с публикацией в 1820 г. карты конкурента, Джорджа Белласа Гринафа, президента Лондонского геологического общества, продажи карты Смита сократились. Смит не был членом этого престижного общества⁵⁵, вероятно, только потому, что не имел знатного происхождения. Несмотря на то что Гринаф отвергал биостратиграфию Смита и выделение специфических геологических подразделений, заметки на его карте⁵⁶ показывают, что он, по большей части, полагался на карту Смита, но не ссылался на его работу⁵⁷.

В конце концов Смит оказался в долговой тюрьме и провел там десять недель. И все же уважаемое Геологическое общество наконец признало его вклад в геологию, и в 1831 г. Смит получил свою первую медаль Волластона⁵⁸.

Смит продолжал заниматься геологией, читая лекции о геологических пластах Йоркшира и создавая местные геологические карты. В конце концов он переехал в Скарборо, город на берегу моря, где помогал определять источники подходящего строительного камня для здания парламента. В 1838 г. Смиту предложили должность в Геологической службе Лондона, но он отказался. В следующем году, по пути на ежегодное собрание Британской ассоциации содействия развитию науки в Бирмингеме, он вместе с другом и коллегой остановился в Нортгемптоне. Они предприняли ряд путешествий по окрестностям для изучения геологии этих мест, но Смит подхватил простуду, тяжело болел и скончался в том же месяце, августе 1839 г., занимаясь своим любимым делом.

Уильям Бакленд

Уильям Бакленд (1784–1856) был сыном приходского священника, который брал его с собой в походы в местные карьеры для сбора образцов ископаемых. Уильям в 1804 г. получил степень бакалавра в Оксфорде, а в 1808 г. – степень магистра одновременно с посвящением в сан. Оставшись в Оксфорде, он читал лекции по минералогии в 1813 г., а в 1819 г. – по геологии. Среди его студентов были Чарлз Лайель и, что любопытно, художественный критик викторианской эпохи, филантроп и писатель Джон Рёскин. При вступлении в должность лектора по геологии Бакленд произнес речь, озаглавленную «Vindiciae geologiciae, или Объяснение связи геологии с религией» (Vindiciae geologiciae; or the Connexion of Geology with Religion Explained), в которой геология интерпретировалась в соответствии с библейскими рассказами, в частности о Всемирном потопе.

В 1818 г. французский натуралист и палеонтолог Жорж Кювье (1769–1832), считающийся в среде палеонтологов основоположником палеонтологии позвоночных, посетил Бакленда, который показал ему необычно большие кости, найденные в карьере Стоунсфилд в Оксфордшире. Изучив зубы, челюсть и кости животного, Бакленд описал первый полный скелет большой хищной рептилии, которую он назвал мегалозавром,Megalosaurus (согласно современным палеонтологическим исследованиям, мегалозавр принадлежит к вымершим хищным тероподам, обитавшим на суше, – это динозавр с полыми костями и трехпалыми стопами).

Бакленд прочитал доклад о своих находках на заседании Геологического общества в 1824 г. и опубликовал статью «Заметка о мегалозавре, или большом ископаемом ящере из Стоунсфилда» (Notice on the Megalosaurus or Great Fossil Lizard of Stonesfield)⁵⁹ с иллюстрациями Мэри Морленд, опытного иллюстратора, выполнявшей зарисовки ископаемых⁶⁰ для Кювье (рис. 1.5). В том же году Бакленд стал президентом Геологического общества, а в следующем году женился на художнице-иллюстраторе. Мэри Бакленд тоже собирала окаменелости, занималась полевыми исследованиями, готовила образцы ископаемых для демонстрации и иллюстрировала статьи мужа. Мегалозавр, вместе еще с несколькими рептилиями, был заново классифицирован в 1841 г. британским ученым Ричардом Оуэном, ведущим палеонтологом Британского музея естествознания в середине XIX в. Оуэн первым предложил термин «динозавр», Dinosauria («страшный большой ящер», или «ужасный ящер»)⁶¹. Таким образом, мегалозавр Бакленда отличается тем, что был самым первым динозавром, которого так назвали.

Бакленд получил возможность продвигать свою точку зрения о Ноевом потопе за счет исследований отложений в пещере Киркдейл в Йоркшире. Эти отложения состояли из большого числа окаменелых костей слонов, носорогов, бегемотов, лошадей и гиен. Какая-то сила разрушила кости хищников, на основании чего Бакленд решил, что хотя Всемирный потоп и скрыл некоторые из костей, большую часть костного материала в пещеру принесли гиены. Бакленд опубликовал результаты своих открытий в 1823 г. в статье с громоздким названием: «Reliquiae diluvianae, или Об исследованиях органических останков, содержащихся в пещерах, расщелинах и делювиальных галечнике и гравии, и других геологических явлениях, свидетельствующих о действии Всемирного потопа» (Reliquiae diluvianae; Or, Observations on the Organic Remains Contained in Caves, Fissures and Diluvial Gravel, and on Other Geological Phenomena, Attesting the Action of an Universal Deluge)⁶². Бакленд поначалу полагал также, что наводнения создали глубокие борозды, найденные на гладких обнаженных поверхностях (они называются мостовыми) горных пород. Однако позже швейцарский гляциолог Жан Луи Агассис выяснил, что появление этих борозд связано с действием ледников, тащивших валуны по поверхности. Представления Бакленда о ледниках изменились в 1838 г. после его поездки в Швейцарию, где он встретился с Агассисом. Двумя годами позже Агассис посетил Бакленда в Оксфорде, и они провели некоторое время в Шотландии, занимаясь поиском свидетельств ледниковых борозд, морен и других признаков ледников, включая перенос эрратических валунов.

Рис. 1.5.Бедренная кость, ключица, малоберцовая кость и плюсневые кости мегалозавра (Buckland, 1824, plate XLIV; иллюстрации Мэри Морленд Бакленд)

Лондонское геологическое общество избрало Бакленда своим президентом в 1824 г., а в следующем году он был назначен каноником колледжа Крайст-Черч в Оксфорде. В 1836 г. Бакленд опубликовал внушительных размеров двухтомный труд «Бриджуотерские трактаты о могуществе, мудрости и доброте Бога, явленных в Творении: физиология животных и растений, рассмотренная со ссылками на естественную теологию» (The Bridgewater Treatises on the Power, Wisdom and Goodness of God as Manifested in the Creation: Animal and Vegetable Physiology, Considered with Reference to Natural Theology). Он услужливо включил множество схем, некоторые в цвете, для читателей, незнакомых с геологией. Это была философская работа, включающая все его открытия в области палеонтологии и минералогии. На обработку всех материалов для включения в книгу ушло пять лет.

Бакленд был эксцентричным человеком и шутником. Его сын, Фрэнсис Т. Бакленд, отмечает, что они оба «совершили кулинарное путешествие в царство животных»⁶³. В доме Бакленда содержали самых разных животных, и среди тех, что он употреблял в пищу, были мыши, поданные на гренках к завтраку. На приеме у Харкортов в Ньюнэм-хаус, Оксфордшир, когда Бакленду показали драгоценную реликвию – законсервированное сердце французского короля Людовика XIV, – он сказал: «Я ел много странных вещей, но никогда прежде не пробовал сердце короля», после чего бросил кусочек в рот и проглотил его⁶⁴.

Среди почестей, оказанных Бакленду в зрелые годы, было назначение его деканом Вестминстерского аббатства в 1845 г. Однако в 1849 г. он заболел, «впал в депрессию и летаргию» и скончался семь лет спустя, в 1856 г. Когда могильщики приступили к выкапыванию могилы на заранее выбранном Баклендом участке, на очень небольшой глубине они наткнулись на твердую подстилающую породу, состоящую из известняка юрского периода. Для того чтобы выкопать могилу, участок пришлось взрывать. Несомненно, Бакленд знал об этом факте, когда выбирал место погребения, и некоторые считают это его прощальной шуткой.

Чарлз Лайель

Чарлз Лайель (1797–1875) родился в богатой семье в Шотландии, он был старшим из десяти детей. Следовавший по следам Геттона, Лайель больше всего известен как автор эпохальной книги «Основные начала геологии» (1830–1833)⁶⁵. В довольно юном возрасте Лайель вместе с семьей переехал на юг Англии, в Гемпшир, где наслаждался природой и коллекционировал бабочек. В Эксетер-колледже в Оксфорде он учился под руководством Бакленда, но разочаровался в библейской интерпретации геологии, представленной его наставником. После получения степени бакалавра в области античной филологии Лайель стал изучать право, но из-за слабого зрения это было непросто. Несмотря на то что в 1822 г. его приняли в коллегию барристеров Линкольнс-Инн, финансовая поддержка со стороны отца позволяла ему продолжать заниматься тем, что он любил с детства: изучением природы и геологии.

В 1823 г. Лайель вступил в Геологическое общество и избирался его президентом на два срока. Чарлз Лайель стал горячим сторонником идей Геттона, много путешествовал и изучал геологию не только в Англии, но и во Франции, на Сицилии, в Альпах, на Канарских островах и в Северной Америке (территории от Новой Шотландии до дельты Миссисипи)⁶⁶.

На Лайеля значительное влияние оказали исследования и сочинения Геттона, но самого Лайеля история Земли интересовала больше, чем ее происхождение: он отмечал, что, для того чтобы писать об истории отдельного государства, нет необходимости знать о происхождении человечества⁶⁷. Он не наблюдал разницы между процессами, происходящими в настоящее время и имевшими место в прошлом, признавая, что Земля – это стабильная система, и таким образом развивая геттоновскую теорию униформизма и постепенного изменения Земли на протяжении больших периодов времени. Лайель переформулировал доказательства и придал им дополнительный вес, подтверждая идеи Геттона большим количеством примеров и результатов наблюдений в полевых условиях и рассматривая связанные с действием воды (осадочные) и вулканические процессы в качестве скульпторов поверхности Земли. Водные факторы играли роль в обнажении, разрушении и выравнивании поверхности, тогда как в результате вулканических процессов происходило поднятие, возникали неровности, и они же служили новым источником материалов, на которые действовала вода. Основное место в тезисах Лайеля отводилось действию воды. В качестве примера приводились результаты исследований в полевых условиях в системах дельт, особенно дельты Миссисипи. Суша на этих участках создавалась и разрушалась на протяжении геологической истории под действием волн и приливов. Эти данные были тщательно собраны во время одной из четырех поездок, совершенных Лайелем и его женой Мэри по Соединенным Штатам в период между 1841 и 1853 гг.⁶⁸. Для дальнейшей поддержки идей униформизма Лайель добавил подробности, касающиеся циклов, обсуждавшихся Геттоном, такие как роль землетрясений в создании долин. Он также признавал, что в недрах Земли идут процессы, в результате которых производится тепло, лава и газ.

Чарлз Лайель опубликовал первый том «Основных начал геологии» в 1830 г., второй – в 1832 г., а третий – в 1833-м. После выхода первого тома последовала резкая критика взглядов Лайеля на униформизм со стороны религиозных кругов, а также от Уильяма Дэниела Конибира (1787–1857), известного геолога и палеонтолога, и Адама Седжвика (1785–1873), президента Геологического общества⁶⁹. Катастрофисты, как называли представителей этого течения, утверждали, что Земля претерпевала резкие изменения в результате катаклизмов в прошлом, а не находилась в состоянии устойчивости, на чем настаивали Геттон и Лайель. Катастрофисты считали, что вулканическая деятельность уменьшается в настоящем, и ссылались на естественную теологию – представление о том, что геология является подтверждением библейского описания истории мира, – чтобы описывать нециклический, однонаправленный путь Земли⁷⁰.

Том 3 «Основных начал» (первое издание) примечателен обсуждением вернеровской классификации горных пород и собственными представлениями Лайеля об их происхождении. Исходя из собственных исследований гранитных масс, внедренных в осадочные горные породы, и ассоциированных с ними жил и даек⁷¹ магматических пород горной долины Глен-Тилт в Шотландии, Корнуолла, Столовой горы в Южной Африке и других мест, Лайель утверждал, что вернеровские «первозданные» породы могли сформироваться в любое время. Признавая геттоновский плутонизм, Лайель предложил термин «плутонические» (горные породы, образовавшиеся из магмы) для гранитов, утверждая, что они произведены магмой, и их возраст не следует определять исходя из их положения по отношению к другим горным породам. Чарлз Лайель также предложил отказаться от введенной Вернером категории промежуточных горных пород, поскольку она слишком неопределенна и не подтверждается полевыми исследованиями. В томе 3 Лайелем также представлена своя трактовка циклов горных пород – процессов превращения горных пород одного типа в другой. Ученый обратил внимание, что гранитные массивы породы, по-видимому, вызывают превращение окружающих их осадочных пород в кристаллическую форму из-за выделяемого ими тепла; Лайель назвал такие трансформированные горные породы метаморфическими, изменяющимися под действием температуры и давления. Лайель дальше развивает свою теорию метаморфизма горных пород в книге «Элементы геологии» (Elements of Geology), вышедшей в 1838 г. Эти доказательства стали кульминацией его работы и понимания геологии. Лайель пришел к выводу, что вулканические горные породы и граниты имеют одинаковое происхождение, поскольку и те и другие сформированы магмой. Лайель также отмечал изменения в других горных породах, вызванные метаморфизмом. Основа для понимания поверхностных и глубинных процессов, циклов эрозии и формирования горных пород, а также изменений, происходящих с Землей с течением времени, была заложена в третьем томе «Основных начал геологии» Лайеля⁷².

Опубликованные сочинения Лайеля не только привели к революции в изучении геологии в XIX в., но и потрясли основы других естественных наук, особенно биологии. При жизни Лайеля «Основные начала геологии» выдержали одиннадцать переизданий, а двенадцатое вышло в свет после смерти ученого. Поздние издания включали последние достижения науки и возражения Лайеля в ответ на критику. Лайель оказал огромное влияние на Чарлза Дарвина, особенно в том, что касалось геологического времени. Дарвин даже брал третий том «Основных начал» с собой в путешествие на корабле «Бигль»⁷³.

Тем не менее в вопросе об изменениях живых организмов взгляды Лайеля во многом были схожи с представлениями Геттона. Лайель полагал в соответствии с теорией униформизма, что биологические виды оставались практически неизменными, а не олицетворяли движение по пути усложнения живых организмов на протяжении геологической истории (единственным исключением было творение человека: подразумевалось, что люди были созданы при непосредственном участии божественных сил). Эта идея расходилась с данными палеонтологической летописи – Геттон и Лайель не смогли полностью обосновать отсутствие ископаемых остатков в древнейших осадочных породах, – и противоречила развивающейся дарвиновской теории эволюции путем естественного отбора.

Существует несколько возможных причин, почему Лайель не принимал теорию эволюции. Он упорно придерживался изложенных в «Основных началах геологии» представлений, то есть отрицал последовательное изменение живых организмов, из-за религиозных сомнений, чему отчасти способствовало научное течение катастрофизма. Возможно, Лайелю претила мысль о том, что человек произошел от животных⁷⁴. В своей более поздней работе, «Геологические доказательства древности человека с некоторыми замечаниями о теориях происхождения видов» (1863), Лайель кратко изложил доказательства Дарвина в пользу естественного отбора, не принимая их. Как бы то ни было, Лайель с неохотой частично принял дарвиновскую теорию эволюции в десятом издании «Основных начал геологии» (1866–1868), ознакомившись с преобладающим количеством доказательств действия естественного отбора. Однако в этом издании Лайель утверждает, что работа Дарвина «не объясняет творение», и стойко придерживается своей точки зрения об уникальности человека по сравнению с миром животных.

В любом случае в середине 1830-х гг. критики переключились с отвержения работ Геттона на обсуждение сочинений Лайеля⁷⁵. В конце концов ученые, считавшие, что Землю сформировали катастрофические события, переработали свои теории в ответ на приводимые Лайелем доказательства в пользу униформизма. Популярность вернеровской школы мысли постепенно снижалась по мере того, как геология становилась единой наукой – преимущественно на основе работ Геттона и Плейфера, сочинений Лайеля, а также его обширных исследований в полевых условиях.

Мэри Эннинг

Во времена, когда мужчины доминировали во всех областях науки, включая и палеонтологию, Мэри Эннинг (1799–1847), как и Этелдред Бенетт за поколение до нее, стала знаменитой женщиной-палеонтологом, которая, несмотря на существовавшие социальные ограничения, в том числе и в области образования, внесла значительный вклад в развитие геологии. Мэри родилась в Дорсете в небольшом городе Лайм-Реджис на побережье, где располагались участки с самыми большими скоплениями ископаемых на юге Англии. В семье Эннинг было десять детей, из которых до взрослого возраста дожили только двое, включая Мэри.

Семья Мэри была небогатой: ее отец был столяром-краснодеревщиком, который собирал «диковины» (ископаемые) в скалах и продавал их, чтобы получать дополнительный доход для содержания семьи. Он умер в 1810 г., и семья осталась почти без средств. После этого Эннинги жили за счет продажи ископаемых, найденных в скалах. В 1817 г. с семьей Эннинг познакомился подполковник Томас Берч, богатый коллекционер окаменелостей. Взволнованный бедственным положением Эннингов, Берч продал собственную коллекцию ископаемых, чтобы помочь им финансово.

Собирание окаменелостей в скалах Лайм-Реджис было связано с риском для жизни, отчасти из-за того, что скалы имели отвесные склоны, горные породы были хрупкими, а из-за действия волн берег был зыбким, и часто происходили оползни и обвалы. Например, в 1833 г. Мэри Эннинг получила серьезные травмы, а ее пес Трэй погиб, когда глыбы мела обрушились с утеса на берег.

В этих местах поверх почти вертикальных утесов, сложенных из морских глин юрского периода и относящихся к формации голубого лейаса, образовывая холмы, несогласно залегают (слои разделены пробелом в геологическом времени) меловые формации глауконитовых песков (морской ил и глина, окрашенные в зеленый цвет минералом глауконитом), которые содержат кремнистый сланец (горные породы, образованные из богатых кремнием раковин) и мел⁷⁶. В пластах голубого лейаса представлена летопись подъема и снижения уровня моря в мезозое и содержится самое большое в мире количество самых разнообразных видов аммонитов, вымерших моллюсков со спиральной раковиной. В лейасовых глинах находятся ископаемые морские животные, такие как аммониты, белемниты, а также уникальные ихтиозавры, Ichtyosaurus, и плезиозавры, Plesiosaurus. Размер представителей аммонитов, Ammonoidea (подкласс головоногих моллюсков), варьируется от 1 см до 2 м (6 футов). Ископаемые останки аммонитов преобладают в геологической летописи, и изменения родов аммонитов помогли привести в порядок часть шкалы геологического времени. Размер ростров белемнитов (другие ныне вымершие головоногие моллюски, отряд Belemnitida, похожи на кальмара с прямой раковиной) варьировал от 1 до 46 см, но общая длина этих существ могла достигать 3 м.

Плавающие ящеры больших размеров были представлены ихтиозаврами (длиной от 3 м) и плезиозаврами (от 1,5 до 15 м). Ихтиозавры, систематическое положение которых неясно (они не относятся ни к рыбам, ни к динозаврам, ни к млекопитающим), представляли собой животных рыбообразной формы с большими глазами (чтобы видеть хищников); они плавали в воде, совершая волнообразные движения. Плезиозавры обладали округлым телом, длинной шеей и ластовидными конечностями.

Вместе со своим братом Джозефом Мэри Эннинг в 1811–1812 гг. нашла полный скелет ихтиозавра. Сначала брат Мэри зимой, когда берег был больше всего разрушен эрозией, заметил голову, а следующей зимой Мэри обнаружила остальные части тела ихтиозавра. Ископаемые остатки этого вида животных находили в Лайм-Реджисе и раньше, но это был лучший на тот момент экземпляр, и его продали «ученому джентльмену». В 1823 г. высоко в скалах Эннинг нашла полный сочлененный скелет плезиозавра (рис. 1.6) и наняла местных рабочих, чтобы они помогли его извлечь⁷⁷. Научное сообщество сразу же признало, что это одна из важнейших находок среди тех, что когда-либо были извлечены из-под земли, а обнаруженное животное не имеет ныне живущих аналогов. У животного была относительно маленькая голова и очень длинная шея. Английский палеонтолог Генри де ла Беш в феврале 1824 г. на заседании Геологического общества представил информацию о скелете животного, которого он классифицировал как принадлежащего к эналиозаврам (от греческого слова, обозначающего морского ящера – представителя вымершей группы ископаемых ящеров, включающей плезиозавра и ихтиозавра). Уильям Конибир отправил Жоржу Кювье письмо с описанием плезиозавра, но поскольку Кювье никогда не видел шеи такой длины, то объявил находку выдумкой. Однако он быстро отказался от этой точки зрения, получив от Бакленда и Конибира детальный рисунок, выполненный Мэри Бакленд на основании зарисовок Мэри Эннинг. С тех пор Кювье признавал Мэри Эннинг уважаемым «собирателем окаменелостей» (палеонтологом) и отдавал должное ее работе⁷⁸.

Все больше ученых приезжали в Лайм-Реджис, стремясь получить консультацию у Мэри Эннинг как у специалиста, обладающего большими знаниями в развивающейся области науки – палеонтологии. Среди посетителей были Генри де ла Беш, Уильям Бакленд, Уильям Конибир, Чарлз Лайель и Уильям Смит⁷⁹. Хотя Мэри Эннинг и не получила формального образования, она читала статьи, написанные известными учеными того времени, и переписывала их слово в слово, копируя иллюстрации, чтобы тщательно их изучить⁸⁰. Мэри также препарировала разных рыб и скатов, чтобы разобраться в их анатомии. Она часто переписывалась с Уильямом Баклендом и другими геологами. Эннинг не только находила и извлекала окаменелости, но и готовила их для экспозиции, а для соединения костей ископаемых животных в правильном анатомическом порядке требовались обширные знания и навыки. Третьей знаменитой находкой Эннинг стал птерозавр, Pterosaurus (вымерший летающий ящер, живший в юрском и меловом периодах; он обладал удлиненным четвертым пальцем передней конечности, который поддерживал крыло), обнаруженный в 1828 г. Это был первый летающий ящер, найденный в Британии. В следующем году Мэри Эннинг обнаружила ископаемые останки рыбы Squaloraja (вымерший вид), которая оказалась связующим звеном между акулами и скатами. В 1830 г. Мэри Эннинг определила местонахождение в скалах скелета еще более крупного плезиозавра и провела раскопки. Генри де ла Беш выполнил литографии ее находок.

Рис. 1.6.Plesiosaurus macrocephalus, найденный Мэри Эннинг. Название виду дал Уильям Бакленд в 1836 г., а описание позже выполнил Ричард Оуэн (Owen, 1840, plate 43; литография Джорджа Шарфа)

В дальнейшем Мэри поняла, что круглые камни, которые называли безоарами, на самом деле представляют собой окаменелые фекалии, и это позволило получить первые данные о пищевых привычках древних рыб, включая акул, а потом применять такой же подход ко многим другим видам.

Эннинг не публиковала никаких докладов, но журнал Magazine of Natural History в 1839 г. напечатал одно из ее писем, касающееся шипов в передней части спинных плавников конкретного вида акулы: «Заметка о предполагаемом плавниковом шипе родаHybodus» (Note on the Supposed Frontal Spine in the Genus Hybodus)^81]. Как правило, музеи указывали дарителей ископаемых, а не тех, кто их нашел, поэтому работу Мэри Эннинг трудно отследить. Луи Агассис назвал в честь Эннинг несколько видов ископаемых рыб, которых, вероятно, она и открыла. В конце концов в 1838 г. Британская ассоциация содействия развитию науки признала заслуги Мэри Эннинг, что обеспечило ей небольшой ежегодный доход. И все же в то время членами ассоциации могли стать только мужчины.

Мэри Эннинг умерла от рака груди в сорок семь лет, в 1847 г. Генри де ла Беш написал ей панегирик в квартальном журнале Геологического общества и в своем президентском обращении к обществу 14 февраля 1848 г. – редкий случай, когда отдали должное человеку, которого в иных случаях не допускали в свой круг:

Я не могу закончить это уведомление о наших утратах, не упомянув о той, кто, пусть и не принадлежала к состоятельным классам общества и должна была зарабатывать свой хлеб ежедневным трудом, при этом в немалой степени посвятила свой талант и беспрестанные исследования нашим знаниям о больших эналиозаврах [sic] и других формах органической жизни, погребенных в окрестностях Лайм-Реджиса… Среди нас есть те, кто хорошо знает, насколько ценно было ее мастерство (происходящее от знания различных работ по предмету по мере их появления) в обнаружении остатков множества прекрасных скелетов ихтиозавров и плезиозавров, которые без ее внимания и тщательности никогда бы не были представлены специалистам по сравнительной анатомии в неповрежденном виде, желательном для их исследований⁸².

За короткую жизнь Мэри Эннинг отношение к ископаемым изменилось: из «диковин» они превратились в объект полноценного научного исследования. Занимаясь поиском и сохранением образцов, Мэри Эннинг внесла значительный вклад в палеонтологию и развитие знаний о живых организмах, существовавших в прошлом.

Луи Агассис

Жан Луи Родольф Агассис (1807–1873) в 1837 г. стал первым геологом, официально предположившим существование ледниковых периодов и ледниковых эпох, знаменующихся распространением обширных ледниковых щитов. Сын священника, Агассис вырос в горах Юра в Швейцарии. Как и другие первые геологи, в том числе Геттон, Агассис изучал разные науки: в 1829 г., окончив университет Эрлангена в Германии, он получил докторскую степень по философии, а год спустя в Мюнхене получил степень по медицине.

В следующем году Агассис отправился в Париж изучать сравнительную анатомию под руководством Кювье, и хотя через несколько месяцев, в 1832 г., знаменитый палеонтолог умер, он оказал значительное влияние на Агассиса. Луи Агассис соглашался с основными принципами классификации, изложенными Кювье, и защищал его точку зрения. В течение следующих четырнадцати лет Агассис преподавал в колледже Невшателя, Швейцария, изучая палеонтологию, и особенно классификацию рыб. В 1836 г. под руководством швейцарско-немецкого геолога Жана де Шарпантье (1786–1855) Агассис начал исследование ледников в Савойских Альпах рядом с Женевским озером. Агассис и Шарпантье поняли, что крупные валуны с гор, найденные далеко в долинах, – эрратические валуны – были принесены туда ледниками. Агассис стал создателем первой ледниковой теории⁸³.

В 1837 г. Агассис представил в Невшателе статью, в которой предполагал существование «ледникового периода», охватившего Европейский континент. В 1840 г. ученый опубликовал диалог с иллюстратором и писателем Жозефом Беттаньером «Этюды о ледниках» (Études sur les Glaciers); в этой книге Агассис берет за основу работу Шарпантье, не приписывая ему авторство первой ледниковой теории. Агассис развенчал представление о том, что появление эрратических валунов связано с Всемирным потопом, и позднее, по мере накопления данных, ученый заявил, что в прошлом был не один, а несколько ледниковых периодов, когда лед покрывал части земного шара. Ледниковая теория, разработанная Агассисом, оказала влияние на Лайеля, который не только принял новую теорию, но отнесся с недоверием к более ранней гипотезе, согласно которой айсберги, а не движение ледников ответственны за появление эрратических валунов.

В 1845 г. Агассис столкнулся с финансовыми и личными трудностями, когда разорилась основанная им фирма – издательство научной литературы, и жена оставила его⁸⁴. Потом они развелись. В 1846 г., не имея больше оснований оставаться в Европе, Агассис отправился в лекционный тур по США, финансируемый королем Пруссии. Оставшуюся часть жизни Луи Агассис провел в Америке, читая лекции по геологии и зоологии в Гарвардском университете (см. главу 2).

Первые французские геологи

После Французской революции XVIII в. наука во Франции была реорганизована: вместо королевских академий приоритет в научных исследованиях получили более равноправные научные общества. В это время геология процветала: этот предмет рассматривался в работах таких натуралистов, как Жан Батист Ламарк (1744–1829), Жорж Кювье и Александр Броньяр (1770–1847)⁸⁵.

Британия и континентальная Европа имеют сходное геологическое строение: осадочные горные породы откладывались в виде протяженных слоев, которые еще совсем недавно – в четвертичном периоде, 450 тыс. лет назад – были соединены сухопутным мостом. До этого времени Британия и Европейский континент представляли собой единую массу суши, которая периодически испытывала наступление океана, ответственного за отложение комплексов подстилающих горных пород Уилда в Британии и Парижского бассейна в северо-западной части Франции. Крупная складка из слоев осадочных пород, которая называется «антиклиналь Уилд-Артуа» (в антиклинали слои горных пород изогнуты таким образом, что образуют структуру, похожую на перевернутую букву U), тянется через Ла-Манш до Франции. Примерно 450 тыс. лет назад мощное наводнение (первое из двух), вызванное подъемом воды в ледниковом озере, проложило путь через относительно мягкие породы Дуврского пролива⁸⁶. Как подтвердили результаты недавно проведенного дистанционного зондирования, наводнение оставило глубокие знаки размыва и водобойные колодцы на дне современного Ла-Манша. Первые французские геологи, так же как и их британские коллеги, занимались исследованием природы отложенных осадков и связанных с ними окаменелостей.

В Парижском бассейне горняки добывали известняк лютецкого яруса и гипс Монмартра, использовавшиеся в качестве строительного камня, еще со времен, когда Франция была провинцией Римской империи. Из лютецкого известняка (называемого такжеcalcaire grossier – грубозернистый известняк) возведены наружные конструкции многих зданий в Париже. Другие породы, добытые в месторождениях, расположенных в окрестностях, такие как песчаник Фонтенбло, использованы при строительстве парижских тротуаров, зданий и площадей. Поскольку в окрестностях Парижа проводились интенсивные горные работы, люди, интересовавшиеся осадочными горными породами и ископаемыми, имели множество возможностей для исследований без необходимости отправляться в далекие путешествия. Более того, рабочие каменоломен занимались побочным бизнесом: они извлекали окаменелости, найденные при проведении земляных работ, и продавали их коллекционерам и ученым.

Ламарк изучал и классифицировал беспозвоночных по ископаемым раковинам, извлеченным из слоев осадочных пород вокруг Парижа. Кювье стал знаменит благодаря определению и описанию ископаемых остатков позвоночных, а в 1810 г. вместе с Броньяром составил первую геологическую карту Парижского бассейна (см. цветную вклейку 1.3)⁸⁷; цветная карта была переиздана в 1811 г. в виде набора из двенадцати медных гравюр⁸⁸. Хотя на Кювье и Броньяра оказали влияние работы Смита и его карта Англии, на своей карте они представили геологические слои в стратиграфическом порядке – от самых молодых до древнейших формаций – лишь в издании 1822 г.

Жорж Кювье был известен своими исследованиями в области сравнительной анатомии, изучением ископаемых и гипотезой о вымирании видов. Кювье первым документально зафиксировал вымерший вид, связанный с ныне живущими слонами, в докладе, представленном в 1796 г. в Национальном институте наук и искусств в Париже и позднее опубликованном под названием «О видах слонов живых и ископаемых» (Memoires sur les espéces d’eléphans vivantes et fossiles)⁸⁹. Однако Кювье, как и Геттон, не поддерживал теорию эволюции и считал, что виды оставались постоянными. Противоположной точки зрения придерживался Ламарк, который полагал, что виды меняются со временем и передают следующему поколению приобретенные полезные признаки. Ламарк назвал свою концепцию теорией наследования приобретенных признаков и опубликовал ее в 1801 г.⁹⁰. Жорж Кювье продолжал публиковать доклады по естественной истории позвоночных с 1815 по 1822 г.⁹¹.

Подведем итог. Формирование представлений о геологии берет начало в Европе в эпоху Просвещения. Вскоре к Европе присоединилась Америка, при этом не только происходил обмен идеями через океан, но европейские геологи также принесли свои знания на обширный Североамериканский континент. По мере исследования и заселения Северной Америки началось изучение, в том числе и геологии континента. Перед исследователями встали новые проблемы, связанные с огромными пространствами, но предприимчивые геологи применяли свои знания о строении Земли в соответствии с методами, ранее разработанными в Англии и Франции, которые, как мы увидим далее, оказались весьма полезны для изучения геологии.

2
Становление геологии как науки: по другую сторону Атлантики

Научные достижения в геологии: Америка

История геологии в Америке сама по себе представляет историю метаморфоза: это был синтез и преобразование существующих и новых идей, ворвавшихся в исследования Нового Света и его геологических ресурсов. Западные знания о природе Земли, новые теории геологии поздно появились в Северной Америке: когда земли были колонизированы европейцами. Кроме того, в геологических исследованиях в Америке наблюдалось значительное отставание от Западной Европы из-за Войны за независимость и других проблем, которые Соединенные Штаты должны были решать, став самостоятельным государством. Как и во многих остальных сферах американской жизни на раннем этапе становления государства, проблемы в области геологии были связаны с тем, что страна занимала обширную и все еще неосвоенную территорию.

Вероятно, для историков, занимающихся этим периодом, не будет неожиданностью, что первым сторонником развития теоретической и прикладной геологии был Томас Джефферсон, третий президент Соединенных Штатов, родившийся в 1743 г. в Виргинии. Джефферсона не очень волновали теоретические споры в геологии, например о происхождении горных пород, но он серьезно интересовался окаменелостями и палеонтологией. Говорят, когда Джефферсон принимал должностную присягу в качестве второго вице-президента страны, он принес с собой в кармане кости ископаемого позвоночного, вид которого хотел определить⁹². Помимо окаменелостей, Джефферсона также интересовали минералы и разведка полезных ископаемых. Во время своего президентства он спонсировал несколько знаменитых экспедиций. Одна из таких экспедиций под руководством Мериуэзера Льюиса и Уильяма Кларка отправилась в 1804–1806 гг. исследовать земли к западу от Миссисипи, приобретенные в результате покупки Луизианы, в поисках северо-западного водотока к Тихому океану. Джефферсон также финансово поддерживал экспедицию 1806–1807 гг., которую возглавил Зебулон Пайк (по имени которого был назван Пайкс-Пик (пик Пайка) в Колорадо) и целью которой было определение истоков рек Миссисипи и Арканзас. И хотя Пайку не удалось достичь вершины горы, названной в его честь, в результате путешествия он исследовал юго-запад Америки, Великие равнины и районы Скалистых гор.

В 1802 г. Йельский университет принял юриста Бенджамина Силлимана на новую должность профессора химии и естествознания, которое включает геологию, минералогию, ботанику и зоологию, и ни один из этих предметов он подробно не изучал. Тем не менее Силлиман, который будет способствовать официальному включению геологии в систему американского высшего образования в начале XIX в., с увлечением занялся изучением химии в Пенсильванском университете, а затем геологии и естественных наук в Англии и Шотландии в Эдинбургском университете в 1805–1806 гг. Силлиман стал инициатором покупки коллекций минералов для Йельского университета, таких как кабинет Перкинса, приобретенный в 1807 г. и состоящий из двух тысяч образцов минералов из Англии и материковой Европы, и кабинет Гиббса, купленный в 1811–1812 гг. и состоящий из образцов, собранных в Европе американцем Джорджем Гиббсом III (1776–1833) из Ньюпорта, Род-Айленд. Эти коллекции позднее стали основополагающими материалами при создании музея Пибоди⁹³.

В американских колледжах и университетах геологию стали преподавать как самостоятельный предмет лишь с 1840 г.; в этом же году было основано первое геологическое общество, Ассоциация американских геологов. Эта группа с 1888 г. стала издавать журнал American Geologist, самое первое периодическое издание в США, целиком посвященное геологии⁹⁴.

Геология вошла в моду в 1830–1840-х гг., когда по этому предмету и другим естественным наукам стали читать научно-популярные лекции, как отдельные, так и целые курсы. Именно приглашение прочитать такой курс лекций и привело Луи Агассиса в США в 1846 г.

Луи Агассис в Соединенных Штатах

После удачно проведенного лекционного тура 1846 г. Луи Агассис, геолог и гляциолог (см. главу 1), решил остаться в Соединенных Штатах. Бостонский институт Лоуэлла пригласил его преподавать в том же году. Двумя годами позже Агассис стал профессором геологии и зоологии в Гарвардском университете, где он основал Гарвардский музей сравнительной зоологии. В 1864 г. Агассис занялся изучением ледниковых наносов в штате Мэн, исследуя их от горы Катадин до Бангора. Результаты исследований были представлены публике в статье в Atlantic Magazine и позднее в книге Агассиса «Геологические очерки», опубликованной в 1866 г.⁹⁵.

Находясь в Америке, несмотря на свои позже подтвержденные догадки о существовании ледниковых периодов, Агассис стал противником дарвиновской теории эволюции. В статье в American Journal of Science, вышедшей в 1860 г., Агассис отреагировал на книгу Дарвина «Происхождение видов», опубликованную годом ранее:

До тех пор, пока не будет показано, что факты Природы превратно поняты теми, кто их собирал, и имеют значение, отличающееся от того, что им, как правило, приписывается, я буду считать теорию трансмутации научной ошибкой, неверной в части доказательств, ненаучной в отношении используемых методов и имеющей пагубную направленность⁹⁶.

Агассис считал, что виды не изменялись со временем, но, как и Кювье, был сторонником идеи о вымирании видов и утверждал, что биологические виды создаются вновь после каждого вымирания. Агассис твердо выступал против эволюции. Некоторые авторы указывают, что он не желал, чтобы его считали неправым хоть в каком-нибудь вопросе⁹⁷. Поэтому, возможно, свойственный Агассису догматизм, бросающий тень на его наследие, был не логически обоснован, а связан с его личными предубеждениями, несмотря на то что коллеги побуждали ученого взглянуть на теорию Дарвина с другой точки зрения.

После приезда в Соединенные Штаты Агассис познакомился с Сэмюэлем Джорджем Мортоном, чьи исследования черепов представителей различных рас якобы свидетельствовали о различиях между ними (этот вывод позже был опровергнут гарвардским палеонтологом Стивеном Джеем Гулдом и другими учеными). Ободренный также работой Джосайи Нотта, врача-хирурга и писателя, считавшего, что расы вообще представляют разные виды, Агассис на своих лекциях излагал подобные представления, а со временем его расистские взгляды только укрепились, наряду с убеждением, что Америка должна принадлежать только белым⁹⁸. Агассис говорил, что «расы не должны скрещиваться», что они должны оставаться «чистыми»⁹⁹, и тому подобное, в духе оскорбительных, отвратительных идей.

Рис. 2.1.Статуя Агассиса, Стэнфордский университет, апрель 1906 г., после землетрясения в Сан-Франциско (USGC, Walter Curran Mendenhall)

Любопытно, что в 1906 г. во время Великого землетрясения в Сан-Франциско мраморная статуя Агассиса упала со здания факультета зоологии Стэнфордского университета и пробила головой дорожное покрытие из бетона. На знаменитой фотографии (рис. 2.1) запечатлено это историческое землетрясение и, возможно, подобающий исход для профессора.

Джеймс Дуайт Дана

Еще одним незаменимым американским геологом был Джеймс Дуайт Дана (1813–1895), родившийся в Ютике, штат Нью-Йорк. Дана, студент Бенджамина Силлимана, знаменит исследованиями в области минералогии, а также тем, что стал автором одного из первых учебников по геологии. В 1836 г. Силлиман предложил Джеймсу занять должность его ассистента в химической лаборатории Йельского университета, где Дана изучал образцы из коллекции минералов, и это оказало серьезное влияние на минералогию в Соединенных Штатах. Дана подробно описал свои открытия в фундаментальном труде «Система минералогии», опираясь на данные химии и кристаллографии и линнеевскую систему классификации, которую впервые применил по отношению к минералам немецкий минералог Фридрих Моос в 1837 г. К 1844 г. Джеймс Дана женился на дочери профессора Силлимана, Генриетте, и этот союз дал миру еще одного ведущего американского геолога: их сын, Эдвард Солсбери Дана (1849–1935), стал знаменитым минералогом. Именно в этот период жизни Дана-старший создал целый ряд важных, признанных работ по геологии.

В 1848 г. Джеймс Дана написал «Руководство по минералогии» (The Manual of Mineralogy), работу настолько всеобъемлющую, что в наши дни вышло уже 21-е издание. После ухода Силлимана на пенсию в 1853 г. Дана стал профессором Йельского университета и куратором коллекции минералов. В следующем году он опубликовал четвертое издание «Системы минералогии» и впервые детализировал использующуюся и сегодня химическую классификацию минералов (в соответствии с ней выделяют самородные элементы, оксиды, карбонаты, фосфаты, сульфиды, сульфаты, галогениды и силикаты). После нескольких лет преподавания Дана понял, что ему следует опубликовать более современную работу, которая помогла бы студентам разбираться в геологии и минералогии, и в 1863 г. вышло в свет его «Руководство по минералогии». Два года спустя он написал более сжатый вариант для менее продвинутой аудитории под названием «Учебник геологии» (Text-book of Geology).

Новые издания «Системы минералогии» продолжали выходить под редакцией сына Джеймса Даны, минералога Эдварда Солсбери Даны, и других ученых, пока публикации не прервались из-за начала Второй мировой войны. Примечательно, что в наши дни по-прежнему доступно восемнадцатое издание этого сочинения с правками, дополнениями и новыми минералами. Джеймс Дана, ученик и зять Бенджамина Силлимана, умер в 1895 г. в возрасте восьмидесяти двух лет после долгих лет активной деятельности, передав знания от своего учителя своему сыну – таким образом, в семье Джеймса Даны было представлено три поколения минералогов.

Сэр Джон Уильям Доусон

Одна из самых примечательных, но мало известных геологических особенностей встречается в Новой Шотландии. Осадочные месторождения каменноугольного периода палеозойской эры, которые в разговорном языке называют угленосными свитами (устаревший термин для обозначения богатых углем геологических комплексов верхнего карбона), являются источником угля и остатков ископаемых лесов. В частности, в Новой Шотландии в Джоггинсе, относящемся к объектам Всемирного наследия ЮНЕСКО, находятся уникальные месторождения угля с ископаемыми деревьями и другими растениями, сохранившими то же положение, которое они занимали при жизни (на своем месте в пластах, которые впоследствии наклонились) (рис. 2.2). Берег залива Фанди знаменит самыми большими в мире интервалами между приливом и отливом, и под таким тяжелым влиянием эрозии формировались скалы, которые со временем размывались, разрушались и сползали в воду, открывая заключенные в них ископаемые растения. Именно неподалеку от этих мест вырос знаменитый канадский палеоботаник сэр Джон Уильям Доусон (1820–1899), и здесь же он многие десятилетия занимался изучением ископаемых.

Благодаря знаниям, полученным во время обучения в Эдинбургском университете в Шотландии, Доусон мог идентифицировать древнюю лесную экосистему, которая со временем, оказавшись под землей, привела к формированию угленосных свит. В отличие от некоторых современников, изучавших образцы, вырванные из их окружения, только в музеях, Доусон в своей работе руководствовался опытом полевых исследований (он отправлялся исследовать горные породы, ископаемые и другие характеристики в том виде, в котором они были обнаружены в природе), изучая обнажения горных пород¹⁰⁰. Добиться успеха Доусону помогли не только его работа в полевых условиях, но и внимание к деталям, тщательное наблюдение и настойчивость. То же самое можно сказать почти про каждого выдающегося ученого.

Джон Уильям Доусон родился в Пикту, Новая Шотландия, в семье пресвитериан со строгими взглядами. Как и многие первые геологи, Доусон был глубоко религиозным человеком и активным прихожанином пресвитерианской церкви. Это сформировало взгляды, касающиеся мира природы, и в конечном итоге привело (как и Агассиса) к отрицанию дарвинизма. В детстве Доусон интересовался природой и исследовал окрестности Пикту, включая карьеры каменноугольного бассейна Альбион. Он читал и хорошо знал опубликованные в 1830 г. «Основные начала геологии» Лайеля. В середине 1820-х гг. семья Доусон оказалась в трудном финансовом положении, поскольку из-за экономической депрессии их доход от импорта и экспорта серьезно уменьшился, а после потери нескольких торговых кораблей у отца Джона остались огромные долги¹⁰¹. Эти долги послужили мотивом для юного Доусона, который десятилетиями тяжело трудился, чтобы погасить все займы, взятые его отцом, до тех пор, пока наконец к 1850 г. обязательства не были выполнены. Несмотря на все трудности, Доусон посещал местные школы, а в 1840 г. его отправили в Эдинбургский университет, где он изучал химию, ботанику и геологию. В следующем году ему пришлось вернуться, чтобы финансово помогать своей семье. Тем не менее возвращение оказалось удачным, поскольку Доусону посчастливилось познакомиться со своим героем, Чарлзом Лайелем, когда тот приехал в Пикту, чтобы увидеть угленосные свиты в карьерах Альбиона¹⁰². Доусон был проводником Лайеля по окрестностям, и между ними завязалась крепкая дружба, которая продлилась всю жизнь. Лайель также стал наставником Доусона. В 1847 г. Джон Доусон вернулся в Шотландию и закончил свое обучение в Эдинбурге, а в 1852 г. возвратился в Новую Шотландию и вместе с Лайелем исследовал скалы с окаменелостями в Джоггинсе. Здесь ученые не только изучали ископаемые леса каменноугольного периода, но и обнаружили внутри некоторых стволов деревьев уникальные ископаемые остатки рептилий, гилонома, Hylonomus lyelli (древняя сухопутная рептилия) (см. цветную вклейку 2.1)¹⁰³. Велись ожесточенные споры о том, каким образом эти существа попали внутрь стволов: случайно упали туда, были занесены наводнениями или устраивали свое жилище среди корней. Спор разрешился годы спустя, когда данные показали, что эти пресмыкающиеся обитали внутри старых пней и корней деревьев.

Рис. 2.2.Представитель ископаемых древовидных плаунов, сохранившийся на месте произрастания. Скалы с окаменелостями в Джоггинсе, Новая Шотландия (Michael C. Rygel, 2010)

Джон Доусон также занимался преподаванием: сначала в провинции Новая Шотландия, а потом, до 1893 г., он был ректором Университета Макгилла, который под его руководством стал ведущим международным университетом. Кроме того, Доусон был плодовитым писателем, и среди его наиболее известных работ – «Геология Акадии» (Acadian Geology), впервые опубликованная в 1855 г. и выдержавшая четыре издания. На позднем этапе своей деятельности Доусон отошел от главенствующих в то время в геологии взглядов и вступил в полемику по целому ряду вопросов. Он не поддерживал ледниковую теорию Агассиса, согласно которой ледниковые щиты покрывали землю, а предполагал, что лед наслаивался в результате дрейфа отдельных кусков; позже было доказано, что это невозможно. Несмотря на то что представления Доусона об обледенении и эволюции в конечном итоге были опровергнуты, его совместная работа с Лайелем и обучение будущих геологов помогли выстроить мост между европейскими геологами и их коллегами в Новом Свете.

Джон Уэсли Пауэлл

Современник Джона Доусона, американец Джон Уэсли Пауэлл (1834–1902) родился на западе штата Нью-Йорк и был четвертым из девяти детей в семье священника-методиста. Семья переехала сначала в Огайо, потом в Висконсин и наконец обосновалась в Иллинойсе. В школе одноклассники издевались над Пауэллом, потому что его отец был стойким аболиционистом. Гувернер Джона, Джордж Крукэм, натуралист-самоучка, взял на себя обучение мальчика, и именно благодаря Крукэму Пауэлл проводил время в занятиях на природе и познакомился с естествознанием и ботаникой.

В Иллинойсе Пауэлл в шестнадцать лет уже управлял фермой, поскольку его отца по большей части не было дома, и занимался обучением школьников младших классов в округе Мейкон. Пауэл стремился получить высшее образование: он окончил Уитонский колледж в Иллинойсе в 1855 г., а затем Оберлинский колледж, где проходил курсы ботаники, латыни и греческого языка. К 1861 г. Пауэлл уже несколько лет преподавал в Хеннепине, штат Иллинойс, и стал главным инспектором школ штата, когда началась Гражданская война¹⁰⁴. Джон Пауэлл вступил в Иллинойский 20-й пехотный полк и в сражении при Шайло в апреле 1862 г. был ранен. Он лишился части правой руки ниже локтя, и ему пришлось делать операцию по пересечению задетых нервов (травма в результате ампутации беспокоила его время от времени на протяжении всей жизни)¹⁰⁵. Пауэлл в звании майора прослужил в Армии Союза еще три года, находясь в тесном сотрудничестве с генералом Улиссом Грантом, и стал начальником артиллерии. Известно, что он собирал окаменелости из траншей на поле боя при Виксберге.

Пауэлл собрал огромную коллекцию ископаемых моллюсков (моллюски – второй по величине тип беспозвоночных) и в 1854 г. вступил в Общество естественной истории штата Иллинойс. До войны, в 1856 г., он в одиночку путешествовал вниз по Миссисипи, а потом спускался вниз по течению рек Огайо, Иллинойс и Де-Мойн. Эти путешествия и увлечение природой положили начало еще более известным исследованиям Пауэлла в западной части Соединенных Штатов.

Конечно, самую большую известность Пауэллу принесли его экспедиции вниз по Большому каньону реки Колорадо в 1869 и 1871–1872 гг., во время которых он изучал геологию и природный ландшафт. Однако Пауэлл вместе со студентами еще до своих великих экспедиций совершил несколько рискованных вылазок для оценки этого района¹⁰⁶. Например, в 1867 г. при финансовой поддержке Общества естественной истории Иллинойса и за счет снабжения, обеспечиваемого благодаря контактам с армией, Пауэлл вместе с женой и группой студентов провел предварительную разведку в высокогорных парках – Южном и Среднем парках Колорадо. В следующем году Пауэлл вернулся в Колорадо и разработал план путешествия по реке Грин-Ривер до реки Колорадо, о которой было известно, что ей свойственно падение высот на 3–4,5 м каждые 1,5 км и значительные изменения угла наклона. Коллега Пауэлла, профессор ботаники Йельского университета Уильям Брюэр, позже писал, что при такой степени уклона реки Пауэлл должен был столкнуться с водопадами и порогами, и он, Брюэр, выражал беспокойство относительно столь смелого предприятия¹⁰⁷. Однако Джон Пауэлл выяснил, что река несет значительное количество осадков (твердых частиц), поэтому предположил, что, стремясь к своему базису эрозии, река размывает любые водопады, и хотя Пауэлл прогнозировал наличие порогов, он верно предсказал, что водопадов будет немного.

Экспедиция 1869 г. состояла из десяти человек; они отправились в путь на четырех маленьких деревянных лодках с запасом провианта, которого должно было хватить на десять месяцев¹⁰⁸. Путешествие по каньону оказалось сложным: людям приходилось преодолевать множество порогов, испытывать нехватку продовольствия и усталость; когда лодки перевернулись, было утрачено ценное научное оборудование; к тому же среди участников возникли разногласия, и четверо отказались от путешествия в самом начале экспедиции. Трое других участников экспедиции выбрались из каньона на участке, который стал известен как Сепарейшен-Рапид («Порог раздела»), и о них больше никогда не слышали – возможно, они умерли своей смертью или их убили. Троим оставшимся участникам предстояло выдержать еще два дня, полных неизвестности, до окончания путешествия в месте слияния с рекой Верджин. С точки зрения научных результатов экспедиция оказалась малоплодотворной. Группа не составила карту, а если таковая и существовала, то была утрачена. Картограф группы был среди тех троих, что оставили экспедицию и выбрались из каньона в районе Сепарейшен-Рапид. И все же это был важный первый шаг к пониманию геологии и естественной истории региона. Заметки Пауэлла и журнал, в котором описывалось течение реки и то, каким образом оно выточило каньон, заложили основу для его второй экспедиции 1871–1872 гг., которая прошла более гладко, хотя и закончилась рано: ниже по течению от каньона Марбл рядом с Канаб-Уош¹⁰⁹.

Джон Пауэлл опубликовал несколько отчетов о вышеперечисленных и других путешествиях. В 1875 г. он написал о результатах, полученных в ходе двух экспедиций по реке Колорадо¹¹⁰. В следующем году он опубликовал сведения о восточной части гор Юинта и окрестностей¹¹¹, в 1877 г. – о геологии и географии региона Скалистых гор в целом¹¹², а в 1895 г. – вновь о реке Колорадо и ее каньонах¹¹³. Геологические исследования Пауэлла раскрыли детали медленного формирования Большого каньона в результате врезания реки и постепенной эволюции ландшафта. Пауэлл был последователем Дарвина и выдвинул гипотезу, что на протяжении больших периодов времени в ходе эволюционных процессов формировались не только биологические виды, но и горные породы и геологические условия. Благодаря своему опыту Пауэлл выполнил иллюстрации, которые поражают и сегодня (рис. 2.3)^[114.

Джон Пауэлл также отважился проводить этнографические исследования племен американских коренных народов, населяющих Запад. Пауэлл стал высокоавторитетным ученым в этой области и автором работ по антропологии, а также опубликовал несколько этнографических отчетов и словарей языков племен, работая вместе с племенами, жившими в тех местах, которые ученый посещал и где его глубоко уважали.

Рис. 2.3.Изгибы Большого каньона с острыми выступами стен. Иллюстрация Джона Уэсли Пауэлла, 1895 г. (из коллекции карт Дэвида Рамзи; с любезного разрешения Центра карт Дэвида Рамзи, библиотеки Стэнфордского университета, https://purl.stanford.edu/dy316pc6530)

Постепенно, благодаря четырем крупным геологическим съемкам, которыми руководили соответственно Джон Пауэлл, исследователь Йеллоустона Фердинанд Вандевир Хайден, исследователь Сьерра-Невады и студент Джеймса Даны Кларенс Кинг и картограф Джордж Монтегю Уилер, будут проведены картографирование и оценка Дикого Запада. Между руководителями этих четырех исследований неизбежно возникали конкуренция и разногласия, в том числе и в отношении полученных результатов¹¹⁵. Поэтому сенатор из Нью-Йорка Абрам Хьюит предложил законопроект, призванный объединить результаты и внести ясность в этой области и который привел к созданию Геологической службы США и Бюро этнологии при Смитсоновском институте в 1879 г. Пауэлл возглавил Бюро этнологии, а Кинг стал первым директором Геологической службы, что вызвало большую тревогу у Хайдена. Однако, проработав чуть больше года, Кинг ушел в отставку, чтобы заниматься горной промышленностью, и Пауэлл стал вторым директором Геологической службы. Под его руководством в период с 1881 по 1894 г. Геологическая служба стала ведущей научной организацией мира. Служба печатала огромное количество публикаций и отчетов о геологических исследованиях, в том числе и полевых. Джон Пауэлл дал указание специалистам Геологической службы составить топографическую карту смежных штатов и разработал стандартные условные обозначения на карте, которые используются и сегодня. Пауэлл также работал над проектами по орошению земель и проблемам земледелия и строительства дамб в аридных районах Запада. В 1894 г. Пауэлл уволился из Геологической службы, но остался директором Бюро этнологии. Его книга «Исследования реки Колорадо и ее каньонов» (The Exploration of the Colorado River and Its Canyons), впервые опубликованная в 1895 г., до сих пор переиздается и имеется в продаже. Джон Уэсли Пауэлл скончался от инсульта в возрасте шестидесяти восьми лет, в 1902 г.

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 естествознанию¹¹⁶. 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 неправильно¹¹⁷.

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 серии¹¹⁸.

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 постепенно¹¹⁹. 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 путешествиям¹²⁰. 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 вагона¹²¹. 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 Хопкинса¹²² Флоренс должна была находиться за ширмой, чтобы ее присутствие не беспокоило студентов-мужчин¹²³. 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 взаимоотношений¹²⁵.

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 взором¹²⁶.

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, классTrilobita) 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 родаSphenodiscus¹²⁸. 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 мечехвостов¹²⁹. 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.

Разработка шкалы геологического времени

Отчасти в связи с промышленной революцией и стремлением добывать ценные минералы и другие полезные ископаемые, такие как уголь, геологи и минералоги в конце XVIII в. пытались предсказывать местоположение таких важных отложений за счет организации известных геологических пластов во временной последовательности. В частности, немецкий геолог и профессор минералогии Абраам Вернер предпринял одну из первых попыток сформировать шкалу геологического времени, по крайней мере, пластов, которые содержат ископаемые, – тех, что находятся в границах фанерозойского эона. Возраст самых древних горных пород, которые в основном не содержат ископаемых и относятся к докембрийскому суперэону, будет определен гораздо позже с помощью количественных методов.

Абраам Вернер и первая шкала геологического времени

Вернер первоначально разделил горные породы у поверхности Земли на четыре подразделения, или периода¹³⁰: примитивные, вторичные, аллювиальные и вулканические. Потом он добавил пятое подразделение – переходные горные породы, занимающие промежуточное положение между примитивными и вторичными (рис. 3.2).

Рис. 3.2.Первая шкала геологического времени, созданная Вернером (концепция автора; иллюстрация Р. Гари Рэма, 2020)

По мнению Вернера, выделенные им примитивные (нем.Urgebirge – «первозданные») горные породы, лежащие в основе формаций, представляли собой самый древний материал Земли и состояли из кристаллических (вулканических) горных пород. Вернер и его коллеги утверждали, что примитивные пласты не содержат никаких ископаемых или органических остатков. В немецком языке приставка Ur- означает «главный или первичный, подлинный», а Gebirgeв современном значении – «горы или горная цепь». Термин «первозданный» применялся Вернером в более широком смысле по отношению к любой древней формации, в горах или где-то еще, ученый также использовал и другие термины, связанные с горным делом, в качестве источника для множества определений¹³¹. Переходные горные породы (нем. Übergangsgebirge) были более молодого возраста, стратиграфически располагались над примитивными породами и состояли как из горных пород, образовавшихся в результате химических процессов (осаждения из воды или других химических реакций – например, некоторые известняки, кремень), так и из других, сложенных из зерен обломочного материала (образованных в результате выветривания – например, песчаник). Эти переходные слои состояли из отвердевших известняков, а также граувакк (нем. Grauwacke) и редких силлов и даек (горизонтальных и вертикальных интрузий (внедрений) новой горной породы внутри ранее существовавших слоев). Немецкое слово Übergang означает «переход, превращение». Таким образом, эти пласты перекрывали первичные и залегающие выше вторичные горные породы. Над переходными пластами располагались еще более молодые пласты, названные вторичными, или флецевыми (нем. Flötzgebirge или Flötz, пишется также Floetz). Термином «флец» в горнорудном деле называли пласты, представляющие собой горизонтально залегающие слоистые отложения, имеющие экономическое значение, такие как уголь, содержащий органические вещества и ископаемые. Вернер постулировал, что эти первые три слоя, формирующие основу его временной шкалы, откладывались из Мирового океана и составляли основную часть горных пород на Земле. Над первичными, переходными и вторичными горными породами залегали аллювиальные пласты (нем. Aufgeschwemmt –«вымытые водой»), то есть намывные отложения, тонким слоем расположенные поверх отложений трех основных типов. Эти слои создавались проточной водой, имеющей преимущественно горизонтальное дно разной толщины и ограниченной ширины. В схеме Вернера самые верхние слои были вулканическими (нем. Vulkanische). По утверждению ученого, источником этих слоев стали воспламенившиеся угольные пласты, которые были потушены водой, в результате чего в водных условиях образовались слои базальта¹³². Позже геологи выяснили, что вулканические горные породы образовались в результате остывания магмы.

Среди европейских стратиграфов, занимавшихся изучением горных пород и пластов в то же время, что и Вернер, был Петр Симон Паллас. Паллас, немецкий зоолог и ботаник, изучал формации горных пород в Уральских горах России и выделил пласты в систему (трехчастную), включающую первичные, вторичные и третичные материалы. Сначала залегают первичные горные породы – самые старые, состоящие из кристаллических элементов; затем идут вторичные пласты, содержащие ископаемые остатки и существующие преимущественно в виде горизонтальных слоев; и наконец, третичные отложения – самые молодые – состоят из рыхлого галечника и осадков¹³³.

Трехчастная система известна также как третичная. Третичной системой (периодом) официально именовался временной интервал геохронологической шкалы до тех пор, пока в большинстве версий временной шкалы ее не заменили неогеновой системой¹³⁴. Трехчастную систему применил Иоганн Готлоб Леман, немецкий геолог и минералог, в своем исследовании горного массива Гарц и Рудных гор в Германии. Леман обратил внимание на то, что ядро гор содержало первичные породы кристаллической природы, покрытые вторичными формациями осадочных пород с ископаемыми остатками, а на вершине некоторых вторичных формаций залегали третичные отложения, состоящие из рыхлых осадков.

Итальянский геолог Джованни Ардуино (1714–1795) работал в Альпах и усовершенствовал трехчастную классификацию Палласа и Лемана¹³⁵. Он заметил, что в этих отложениях встречается галька, которая, как выяснилось, происходит из вернеровских более древних первичных и вторичных формаций. Ардуино назвал эти пласты monti terziari – «третичные горы» и отмечал, что в них содержатся определенные ископаемые, для которых характерно расположение горизонтальными слоями. Ардуино отделил эти отложения от залегающих выше рыхлых аллювиальных отложений. Последние он выделил в четвертую группу – quarto ordine («четвертый разряд»), – которая стала известна как четвертичные отложения.

Представления Вернера о геологическом времени, объединенные с идеями Палласа, Лемана, Ардуино и других ученых, позволили создать первую временную шкалу (рис. 3.3), включающую такие категории, как первичные (или примитивные), переходные, вторичные, третичные и четвертичные горные породы, расположенные в возрастном порядке от более древних к более молодым.

На самом деле отголоски первых вариантов подразделения геологического времени представлены в современной временной шкале, особенно в таких названиях, как третичный и четвертичный периоды. Вернер полагал, что все горные породы образовались в результате осаждения из воды. Несмотря на то что его теория, нептунизм, была позже опровергнута геологами, идеи Вернера оказались важными для определения последовательности пластов. Он применил принцип суперпозиции Стенона к формациям, наблюдаемым в естественных условиях, и поэтому заслуженно считается создателем первой шкалы геологического времени.

Рис. 3.3.Итоговая первая шкала геологического времени (концепция автора; иллюстрация Р. Гари Рэма, 2020)

Расширение временной шкалы геологии

Геологи пересматривали и уточняли временную шкалу геологии по мере развития науки и дальнейшего изучения происхождения и формирования горных пород. Открытия ископаемых и совершенствование классификации привели к лучшему пониманию того, как развивалась жизнь, и дали возможность для более точного определения последовательности этапов геологической истории. В конечном итоге на основе этих открытий геологи выделили пять основных категорий, предложенных Вернером и другими учеными. С начала XIX в., как мы увидим далее, европейские геологи предлагали официальную периодизацию, основывая свою классификацию на описательном анализе типов горных пород и интерпретации взаимосвязей фауны (животных, представленных ископаемыми из конкретного региона в конкретное время). И вновь стремление организовать полученные экспериментальные данные так, чтобы помочь горнодобывающему производству, стимулировало работу по установлению этапов геологической истории.

Распределение по категориям следующего расширенного варианта шкалы геологического времени (таблица 3.1) было связано с активными исследованиями, спорами и обсуждениями и ожесточенной внутренней борьбой, свойственной для ученых викторианской эпохи. Относительная очередность ископаемых помогла геологам определить соответствующую последовательность интервалов шкалы геологического времени, но основным предметом споров и обсуждений было установление точных временных границ и отличительные особенности данных, на основе которых принимались такие решения¹³⁶. Тем не менее лишь в XX в. были разработаны методы радиометрического датирования – использование изотопов с известным периодом полураспада – для определения «абсолютных» дат.

Основные единицы геологического времени, которые впервые разграничили геологи, в конце концов стали называть периодами, два или более периода – эрами, а две или более эры – эонами. Например, палеозойская эра (палеозой – отгреч. παλαιός – древний и ζωή – жизнь) была первой, загадки которой удалось разгадать, затем последовала мезозойская (мезозой – от греч. μέσος – средний, промежуточный и ζωή – жизнь) и кайнозойская (кайнозой – от греч. ϰαινός – новый и ζωή – жизнь). Вместе эти три эры составляют фанерозойский эон. По мере дальнейших исследований ископаемых и горных пород появились дальнейшие подразделения на периоды, например каменноугольный, триасовый и юрский. Как будет показано далее, по сравнению с полого наклоненными вторичными осадочными пластами, которые богаты ископаемыми остатками, труднее всего было установить периодизацию более старых переходных пластов. Это было связано с их деформацией, отсутствием ископаемых и разнообразием типов горных пород, в том числе «древних граувакк», залегающих под особым маркирующим горизонтом в Англии, который геологи называют древним красным песчаником.

Таблица 3.1.Подразделения фанерозойского эона и их история от самых молодых до самых древних эр и периодов

¹Desnoyers J. Observations sur un ensemble de depots marins plus recents que les terrains tertiaires du bassin de la Seine, et constituant une formation geologique distincte: Precedes d’un apercu de la nonsimultaneite des bassins tertiaires // Annales Scientifiques Naturelles, 1829. Vol. 16. P. 171–214, 402–419.

²Vacarri E. The «classification» of mountains in eighteenth century Italy and the lithostratigraphic theory of Giovanni Arduino (1714–1795) // Vai G. B., Glen W. and Caldwell E. (eds.). The Origins of Geology in Italy. Geological Society of America Special Paper 411, 2006. P. 157–177.

³Naumann C. F. Lehrbuch der geognosie. Leipzig: Englemann, 1866. Vol. 3. P. 8.

⁴Hornes M. Mittheilung an Professor BRONN gerichtet, Wien // Neues Jahrbuch fur Mineralogie, Geologie, Geognosie und Petrefaktenkunde, 1853. P. 806–810.

⁵International Union of Geological Sciences (IUGS) International Commission on Stratigraphy, 2005, Definition and rank of Quaternary (неопубликованный доклад IUGS), 9 p., доступен онлайн http://www. stratigraphy. org/.

⁶Ogg J. G., Ogg G. M. and Gradstein F. M.A concise geologic time scale. Amsterdam: Elsevier, 2016, 234 p.

⁷D’Halloy J. J. O.Observations sur un essai de carte geologique de Pay-Bas de la France, et de quelques contrees voisines. Namur: Imprimerie de Madame Huzard, 1822. P. 23.

⁸Smith W. Strata Identified by Organized Fossils, Containing Prints on Colored Paper of the Most Characteristic Specimens in Each Stratum (in 4 parts). L.: Arding, 1816–1819.

⁹Conybeare W. D. and Phillips W.Outlines of the Geology of England and Wales. L.: William Phillips, George Yard, 1822, 470 p.

¹⁰Alberti F. A. von. Beitrag zu einer Monographie des bunten Sandsteins, Muschelkalks und Keupers: Und die Verbindung dieser gebilde zu einer Formation. Tubingen, Stuttgart University, 1834, 366 p.

¹¹Murchison R. I.First sketch of some of the principal results of a second geological survey of Russia, in a letter to M. Fischer // Philosophical Magazine and Journal of Science. 1841, series 3. № 19. P. 417–422.

¹²Пенсильванский и миссисипский периоды не признавались Геологической службой США до 1953 г. Berry W. B. N. Growth of a Prehistoric Time Scale (revised edition). Palo Alto, Blackwell Scientific, 1987. P. 101, 102.

¹³Sedgwick A and Murchison R. I.On the Silurian and Cambrian Systems, exhibiting the order in which older sedimentary strata succeed each other in England and Wales // British Association for the Advancement of Science. Report 5th Meeting, 1835. P. 59–61.

¹⁴Murchison R. I. The Silurian System, Founded on Geological Research, in Two Parts (Part 1). L.: John Murray, 1839. P. 11.

¹⁵Lapworth C. On the tripartite classification of the lower Paleozoic rocks // Geological Magazine, 1879, N series. Vol. 6. P. 1–15.

Периоды палеозойской эры

Границы кембрия, самого древнего из периодов палеозойской эры и первоначально классифицированного Вернером как переходный, впервые были установлены британским геологом Адамом Седжвиком¹³⁷. В кембрийской системе Седжвик обратил внимание на три группы горных пород, причем самая верхняя часть комплекса содержала ограниченное число ископаемых. Седжвик изучал эти обнажения на севере Уэльса. Его шотландский коллега и друг, сэр Родерик Мурчисон (Мерчисон) (1792–1871), исследовал горные породы в Южном Уэльсе, где дал название силурийской системе (периоду) по имени племени коренного народа – силуров, которые в 76–77 гг. были завоеваны римлянами вместе с другими 26 племенами железного века. Изучавшиеся Мурчисоном горные породы содержали гораздо больше ископаемых остатков по сравнению с пластами, описанными Седжвиком на севере, но при этом соответствовали другим формациям Англии и Уэльса при использовании принципа последовательности фауны, разработанного Смитом.

Между Седжвиком и Мурчисоном существовали серьезные разногласия относительно того, где находится граница между кембрийской и силурийской системами. Седжвик в своих исследованиях кембрия из-за редкого присутствия ископаемых остатков не поддерживал использование смитсоновского принципа последовательности фауны. Мурчисон сделал ситуацию еще более запутанной, утверждая, что организмы, найденные в верхних отделах кембрия, относятся к силурийскому периоду. Из-за этого между друзьями возникла острая дискуссия, в результате которой их дружбе пришел конец. На самом деле спор становился все более ожесточенным. Мурчисон стал руководителем Геологического общества в 1855 г. и с этого момента отказывался публиковать любые статьи Седжвика, связанные с этой темой¹³⁸. Мурчисон также отрицал, что кембрий является самостоятельной системой¹³⁹. Спор продолжался даже после смерти Мурчисона и Седжвика, и лишь в 1879 г. Чарлз Лэпуорт (Лапуорс) (1842–1920), профессор геологии из Университета Бирмингема, чтобы разрешить противоречие, предложил добавить между кембрийским и силурийским период, названный ордовикским – в честь еще одного британского племени¹⁴⁰. Лэпуорт провел анализ, основанный на изучении граптолитов (вымерших морских животных, класс Pterobranchia, подкласс Graptolithina, живших преимущественно в палеозойскую эру), характерных для пластов. Оказалось, что три периода – кембрийский, ордовикский и силурийский – на самом деле имеют разные, уникальные для каждой ассоциации ископаемых. Кроме того, геологические исследования доказали, что Мурчисон неверно определил возраст и местоположение горных пород нижнего силура – вероятно, Седжвик был бы удовлетворен.

Седжвик классифицировал кембрийскую систему на основе описательных характеристик горных пород, не проводя объяснительного анализа, который требует изучения, в стиле Смита, взаимосвязи фауны и определения характерных ассоциаций ископаемых наряду с руководящими ископаемыми. Без подобных исследований другие геологи сначала не могли сопоставить пласты, возможно, относящиеся к кембрийскому периоду, в разных местах. Приблизительно в 1850 г. было установлено, что трилобиты связаны с горными породами кембрийской системы, и взаимоотношения других комплексов этой системы стали рассматривать, исходя из наличия ископаемых¹⁴¹. К 1879 г., через шесть лет после смерти Седжвика, с учетом работы Лэпуорта, прояснившей, что верхняя зона кембрийского периода и нижняя часть силурийского относятся к ордовику, кембрий вновь был утвержден Геологическим обществом как самостоятельная система.

Ордовикская система, предложенная Лэпуортом, была одной из наиболее проблематичных из-за спора между Седжвиком и Мурчисоном, и Британская геологическая служба не принимала ее как систему до 1960 г., хотя британские геологи начали использовать этот термин уже с 1900 г. Ордовикский период был принят Геологической службой США в 1903 г.¹⁴². Ордовик сначала был разделен на шесть серий в Британии на основе изучения ископаемых, имеющих раковины, и граптолитов из Уэльса, Шропшира, Озерного края и Южной Шотландии. Когда систему стали применять по всему миру, оказалось, что трудно сопоставлять пласты на основе только граптолитовой фауны – стандартная практика для того времени. Для различения серий позже добавили информацию, собранную по крупицам на основе анализа конодонтов (вымерших морских животных, класс Conodonta, обладавших осевым скелетом в виде хорды; их ископаемые остатки представлены в основном похожими на зубы структурами; полагают, что конодонты напоминали угрей), брахиопод и трилобитов¹⁴³. С тех пор подразделения этого периода были подтверждены с помощью количественного датирования.

Верхняя¹⁴⁴ часть силура, описанная Мурчисоном, стала новым силурийским периодом после выделения самостоятельного и более старого ордовика. Мурчисон использовал оба термина для горных пород и биостратиграфических зон, давая определение этого периода с использованием объяснительного, а не описательного способа. В 1839 г.¹⁴⁵ он опубликовал книгу «Силурийская система» (Silurian System) и посвятил ее Седжвику (это было еще до их ссоры). Мурчисон обнаружил, что горные породы совершенно отличаются цветом, структурой и природой от горных пород, залегающих выше и ниже, и выделил четыре эпохи. Органические останки также отличались и были представлены криноидеями (животными, также известными как морские лилии, родственные морским звездам, офиурам и морским ежам), ракообразными и древними рыбами, не встречающимися в залегающих выше слоях горных пород¹⁴⁶. Сланцы верхнего лудлоу¹⁴⁷, самые молодые силурийские породы, включали костеносный слой, полный фрагментов покрова, зубов, позвонков, чешуи и других известковых частей рыб. Агассис, знаменитый (а позднее печально известный) палеонтолог, специализировавшийся на ископаемых рыбах, приехал в Англию, чтобы изучить найденные Мурчисоном образцы и помочь ему в их идентификации.

Мурчисон писал, что многие виды никогда ранее не встречались и являются «самыми древними существами в своем классе»¹⁴⁸. Агассис определил, что некоторые из фрагментов принадлежали древним челюстным рыбам (Plectrodus), другие – бесчелюстным (Spagodus), и предложил новый вид: Thelodus parvidens, представители которых достигали 1 м в длину и чей покров был образован не перекрывающимися, похожими на зубы, чешуями. Ротовое отверстие телодуса располагалось на конце тела и было обращено вперед, а не вниз, поэтому, скорее всего, это был обитатель толщи воды, а не бентофаг. Чешуя и отпечатки в горных породах – все, что осталось от телодуса; настоящие кости этого ископаемого животного все еще не найдены.

Девонская система была выделена Седжвиком и Мурчисоном в сообщении о кембрии в 1839 г., задолго до того, как между коллегами возникли разногласия. Решение вопроса о том, какие слои относятся к девонскому периоду, само по себе не обошлось без дискуссии, известной как «великий спор о девоне»¹⁴⁹. Изучив горные породы силурского периода и описав их в качестве системы в Уэльсе, в 1836 г. Седжвик и Мурчисон решили попытаться разгадать тайны переходных горных пород Девоншира и Корнуолла, исследуя формации одного возраста и с одинаковой фауной.

Участок в Девоншире, называемый Большая кульмская впадина, содержал слои горных пород, которые имели самое прямое отношение к спору о близлежащих слоях девонского периода. Эта формация, которая (как теперь известно) относится к каменноугольному периоду, расположена в долине между северной и южной частями Девоншира и находится над слоями более древними, чем те, которыми интересовались Седжвик и Мурчисон. Последовательность слоев состоит из аргиллита, сланца, низкокачественного угля и песчаника, которые называются слоями кульма. Эти последовательности осадочных горных пород, мощность которых достигает несколько тысяч метров, содержат уголь и имеют экономическое значение.

Еще до установления границ горных пород Седжвиком и Мурчисоном Картографическое управление Великобритании в 1834 г. наняло британского геолога Генри де ла Беша, будущего основателя и директора Геологической службы Великобритании, для создания геологической карты Юго-Западной Англии. Работая в районе Девоншира, де ла Беш обнаружил ископаемые растения в горных породах кульма и в декабре того же года представил доклад по материалам своих изысканий¹⁵⁰. Он утверждал, что растения происходят из более древних переходных комплексов (называемых граувакками), залегающих под пластами каменноугольного периода. Эта точка зрения противоречила работам ведущего палеоботаника того времени Джона Линдли, который объявил, что растения очень похожи на те, что относятся к карбону, и родственны ископаемым растениям северных и западных угленосных свит. Выводы Генри де ла Беша опровергал и Мурчисон, который не верил в существование ископаемых растений в более древних пластах.

В 1835 г. де ла Беш создал карту Девоншира, на которой пласты кульма были объединены в один геологический комплекс. В следующем году Седжвик и Мурчисон, объединившись против де ла Беша, представили свою точку зрения на ежегодном собрании Британской ассоциации в Бристоле и не просто указали, что Генри де ла Беш неверно охарактеризовал пласты кульма, но и более того – выставили его некомпетентным. Война терминов и идей становилась все более ожесточенной. В феврале 1839 г. де ла Беш опубликовал свою работу «Доклад о геологии Корнуолла, Девона и Западного Сомерсета» (Report on the Geology of Cornwall, Devon, and West Somerset), в которой заявил, что он по-прежнему не считает, будто кульм относится к карбону, но неохотно отделил его от залежей граувакк и назвал эти пласты каменноугольной серией. Кроме того, де ла Беш не согласился с определениями кембрийской и силурийской систем, данных Седжвиком и Мурчисоном, утверждая, что это местные названия и что они «мешают развитию геологии»¹⁵¹.

Торопясь нанести ответный удар, Седжвик и Мурчисон опубликовали свой доклад «О классификации более древних многослойных горных пород Девоншира» (On the Classification of the Older Stratified Rocks of Devonshire)¹⁵², но не через Геологическое общество, в котором предусматривался процесс рецензирования и обсуждения, а в журнале Philosophical Magazine and Journal of Science. Они представили статью в журнал всего за неделю до публикации в апреле 1839 г. В этом язвительном обзоре, говоря об открытиях де ла Беша, ученые обвиняли его в нечестности: использовании их работы, выполненной в пластах кульма, без ссылки на источник. Седжвик и Мурчисон также утверждали (курсив оригинала):

Большаякульмская впадина Девона и урегулирование вопроса о ее истинном геологическом положении являются ключом к [геологическому] строению двух графств в целом; и никто не обладал этим ключом, пока в 1836 г. мы не представили его Британской ассоциации в Бристоле¹⁵³.

Ученые далее предположили, что несогласие отделяло девонскую систему от залегающих ниже горных пород кульма, а также утверждали, что термин «граувакка» принадлежит «мрачной, неясной эпохе» и его использование настолько же абсурдно, как применение вернеровского термина «флецевые породы». «Вредные» граувакки были добавлены в выделенный Седжвиком и Мурчисоном новый период, когда они обнаружили корреляцию этих горных пород с древним красным песчаником. Верхний отдел кульма определили как относящийся к каменноугольному периоду, поскольку содержащиеся в нем ископаемые были родственны похожим организмам, обнаруженным в горных породах, которые с помощью биостратиграфических методов были датированы карбоном.

Лайель говорил, что проблема, связанная с кульмом, была одной из самых важных, когда-либо обсуждавшихся в Геологическом обществе¹⁵⁴. Благодаря ей не только широко стал применяться смитсоновский принцип последовательности фауны, но и подтвердилась роль биостратиграфии как необходимого инструмента для определения относительного возраста и соотношения пластов. Таким образом, использование ископаемых утвердилось в качестве важного стратиграфического маркера.

Существовавшие разногласия между геологами представляли собой нечто большее, чем просто разные академические точки зрения, касающиеся формаций: они имели также экономическое значение. Мурчисон был глубоко убежден в том, что никаких сухопутных растений, указывающих на угленосные свиты, используемые для обеспечения отопления в большинстве домов и городов Англии, нельзя обнаружить в граувакках или переходных горных породах, залегающих под древним красным песчаником. В последующие несколько лет новые находки ископаемых подтвердили выделение отделов между периодами, в том числе добавление верхней части кульма к каменноугольному периоду.

В конце концов спор относительно девона был разрешен геологами, которые подтвердили, что он является самостоятельным периодом, содержащим древний красный песчаник, первоначально отнесенный к залегающим выше отложениям каменноугольного периода¹⁵⁵. Древний красный песчаник стал важным маркирующим горизонтом в стратиграфии Британии не только из-за своего ярко-красного цвета, но и потому, что в нем содержалось незначительное число очевидных ископаемых и его легко было отличить от других пластов¹⁵⁶.

Каменноугольный период был одним из самых первых периодов, выделенных британским викарием и геологом Уильямом Конибиром и геологом Уильямом Филлипсом в 1822 г. из-за его экономической важности¹⁵⁷. Выделение пород этого периода было гораздо менее спорным по сравнению с некоторыми другими, отчасти из-за того, что их было легче отличить благодаря цвету – от темного до черного, – это результат высокого содержания углерода. Конибир и Филлипс поместили каменноугольную систему среди переходных горных пород Вернера, обратив внимание на то, что пласты погружаются и искривляются, в отличие от горизонтально залегающих над ними «флецевых» горных пород, и несогласие указывает на утраченные геологические пласты между ними. Горные породы этого периода (иногда их называют угленосными свитами) содержат уголь с высоким содержанием углерода и состоят из нижних толщ глины и «гравия», известняка и песчаника. Песчаник, о котором упоминали Конибир и Филлипс, – это древний красный песчаник. Позже выяснилось, что он старше, и Мурчисон в 1839 г. отнес его к девонскому периоду¹⁵⁸. С угленосными свитами были ассоциированы залежи железной руды, тоже имеющей промышленную ценность. Конибир и Филлипс исследовали огромное разнообразие растительного материала, представленного всего несколькими родами, но при этом включавшими более четырехсот видов. Ученые почти не отмечали наличие останков животных¹⁵⁹. Большая часть пластов угля отлагалась в болотистых условиях в озерах или по краям водоемов с большим количеством растительного материала.

В Соединенных Штатах каменноугольный период был разделен дальше на миссисипский и пенсильванский подпериоды. Нижний отдел каменноугольного периода, как выяснил в 1839 г. американский геолог Дэвид Дейл Оуэн, который работал на Главное управление кадастровых съемок США и проводил разведку полезных ископаемых, был представлен широкими пластами известняка и известкового сланца, простиравшимися на территорию нескольких штатов, но не содержавшими угля. Оуэн назвал эти слои подкарбоновыми, отделив их от угленосных слоев каменноугольного периода. Александр Уинчелл, профессор геологии и палеонтологии Мичиганского университета, в 1870 г. назвал нижние слои каменноугольного периода миссисипской известняковой серией (группой Миссисипи). В 1891 г. Генри Шейлер Уильямс, геолог из Нью-Йорка, выполнял для Геологической службы США исследование по корреляции пластов, целью которого была систематизация множества вводящих в заблуждение названий, данных различным комплексам горных пород. Уильямс выделил верхний отдел карбона в пенсильванскую серию и немного модифицировал терминологию Уинчелла в отношении пород каменноугольного периода, назвав их миссисипской серией¹⁶⁰. В 1906 г. серии были возведены в ранг периодов. Геологическая служба США в 1953 г. наконец признала названия для этих периодов¹⁶¹.

Мурчисон дал название пермскому периоду в честь города Пермь в 1841 г. после посещения России для изучения стратиграфии и проведения полевых исследований совместно с Эдуардом де Вернейлем, французским палеонтологом, Александром фон Кейзельрингом, немецко-русским горным инженером, и Николаем Кокшаровым, русским минералогом¹⁶². До того, как выделить пермский период, Мурчисон исследовал отложения девонского периода в России, которые стратиграфически соответствовали отложениям в Англии того же возраста. Мурчисон путешествовал с де Вернейлем и во время этого путешествия идентифицировал силурийские, девонские и каменноугольные слои, изучая ископаемые в горных породах России. Для древнего красного песчаника России была характерна та же фауна, что и в Британии, что подтверждало точку зрения Мурчисона о его принадлежности к девонскому периоду. Во время экспедиции 1841 г. Мурчисон идентифицировал пласты более молодого возраста, чем каменноугольные, которые по биостратиграфическим параметрам соответствовали формации в Германии, названной цехштейн, нем. Zechstein (zech – твердый, stein – камень). Эта формация представляла собой карбонатный комплекс, образовавшийся в результате поднятия и снижения уровня моря, которое привело к появлению богатых нефтью слоев. Отложения цехштейна в Британии были ассоциированы с известняковым комплексом (магнезиальным известняком), залегающим над каменноугольными пластами. Возник спор относительно того, к какому периоду принадлежат выделенные Мурчисоном в России слои – к нижнему триасу или к пермскому периоду¹⁶³, но, исходя из данных об ископаемых, Мурчисон назвал эту новую формацию с ее уникальной флорой и фауной пермской, в честь города Пермь на Среднем Урале.

Периоды мезозойской эры

Первый период мезозойской эры – это триас. Триасовые слои (стратиграфически более молодые, чем пермские) были выделены немецким геологом Августом фон Альберти в 1834 г. на основе формации в Германии, состоящей из пластов пестрого песчаника, ракушечного известняка и радужных мергелей, или кейпера (представляющих подошвенное налегание при подъеме уровня моря)¹⁶⁴. Альберти назвал формацию триасом в честь трех пластов. Вернер и другие первые геологи первоначально относили эти слои к нижней части вторичных, или «флецевых», пластов. Обильные ископаемые в верхних отделах вторичных пластов позволяли более легко классифицировать толщу. Обнаруженные Альберти месторождения соли, горные породы и фауна недалеко от города Зульц, где находились три знаменитых триасовых отложения, по характеру отличались и от более древнего цехштейна (пермский период), и от более молодого лейаса (юрский период). Пестрый песчаник формирует впечатляющие обнажения выветренной красной породы. В конечном итоге триасовые слои были выделены в аналогичных морских отложениях Альп и со временем на других континентах.

Юрский период, одно из первоначально выделенных подразделений, был наиболее изученным среди периодов мезозоя, отчасти благодаря тому, что множество обнажений горных пород того времени находилось вдоль побережья Дорсета, местности, где работала Мэри Эннинг.

Александр фон Гумбольдт, прусский географ, натуралист и исследователь, был первым, кто обратил внимание на юрские горные породы во время путешествия по Южной Франции, Западной Швейцарии и Северной Италии, и назвал их в 1799 г. юрским известняком (нем.Jura-Kalkstein), в честь гор Юра. Гумбольдт сделал свои выводы, опираясь исключительно на характеристики горных пород и стратиграфию, и не включил в свое сочинение никакой информации об ископаемых. В Англии Смит официально выделил юрские пласты в качестве системы лишь в своем отчете 1816–1819 гг.¹⁶⁵. В 1822 г. Конибир и Филлипс продолжили подразделение юрского периода, выделив оолитовую серию (оолиты – это шаровидные образования, из которых образованы некоторые известняки), состоящую из более молодого оолита и более древнего лейаса¹⁶⁶. В течение нескольких лет после этого в состав первых временных шкал входила оолитовая серия (рис. 3.4), созданная Джоном Филлипсом, английским геологом из Йоркшира, который помогал Смиту с проведением геологической съемки при создании карты графства Йоркшир¹⁶⁷.

Меловой период – последний период мезозойской эры, который был впервые выделен Жан-Батистом Жюльеном д’Омалиусом д’Аллуа, бельгийским геологом, проводившим исследования Парижского бассейна в период с 1817 по 1822 г. Он назвал меловые формации (мягкий, тонкозернистый известняк, сложенный останками крошечных морских организмов), найденные там, территорией мела, а система в конечном итоге стала называться меловой. В Англии Смит определил местоположение таких пластов и стал первым, кто показал, что меловая формация занимает обширные участки. Из мела этого возраста, сложенного из спрессованных, богатых кальцитом фораминифер (одноклеточных крошечных морских животных), образованы Белые скалы Дувра.

Окончание этого периода привлекло столько же внимания, сколько и его начало и середина, в связи с падением астероида, в результате которого образовался кратер Чиксулуб, и его ролью в вымирании живых организмов в конце мелового периода. Следует особенно отметить исследования кратера Чиксулуб, проведенные физиком Луисом Альваресом и его сыном, геологом Уолтером Альваресом. Луис Альварес в 1968 г. стал лауреатом Нобелевской премии за свои работы в области физики элементарных частиц¹⁶⁸. Карьера Альвареса была выдающейся: во время Второй мировой войны в Массачусетском технологическом институте он занимался разработкой сложного детонатора для плутониевой бомбы «Толстяк», открыл радиоактивность трития, работал над изучением свойств космических лучей, разработал три разные радарные системы, одна из которых до сих пор используется в управлении воздушным движением. Альварес также был профессором Калифорнийского университета в Беркли, где под его руководством был построен 12-метровый линейный ускоритель частиц.

Рис. 3.4.Развитие временной шкалы геологии и форм жизни (Phillips, 1860. P. 51)

В 1977 г. Уолтер Альварес, профессор геологии Калифорнийского университета в Беркли, специалист по геоархеологии и палеомагнетизму, находился в Губбио, Италия, где собирал образцы для палеомагнитных исследований. Изучая особый пласт известняка в месте стыка меловых и третичных слоев, он обратил внимание на тонкий слой красной глины, покрывающий известняк. Пласт известняка под глиной содержал фораминиферы, но в самом слое глины их не было, а в залегающем выше, четвертичном известняке, можно было обнаружить всего лишь один вид фораминифер. Уолтер Альварес привез образцы глины в лаборатории Беркли и проконсультировался со своим отцом, который посоветовал провести дальнейшее исследование в лаборатории своих коллег, физиков-ядерщиков Фрэнка Асаро и Хелен Мичел. Асаро и Мичел использовали метод, который они разработали для точного определения низких концентраций элементов. Ученые обнаружили в образцах глины концентрацию иридия в шесть раз больше, чем обычно встречается на Земле. Путем дальнейшего сравнения концентрации иридия в других материалах ученые определили, что источник иридия – внеземной. На основе исследований иридия в 1980 г. четверо ученых опубликовали свои результаты, подробно изложив теорию ужасного столкновения с астероидом, которое привело к вымиранию живых организмов на границе мела и палеогена (K-Pg) (раньше эту границу называли границей мелового и третичного периодов, K-T)¹⁶⁹. Пройдет еще десять лет, прежде чем исследователи найдут место падения астероида. Именно столкновение с астероидом и связанное с ним массовое вымирание знаменуют окончание мелового периода и мезозойской эры и начало кайнозойской эры.

Периоды кайнозойской эры

Кайнозойская эра – современная эра геологической истории Земли, и ее первым периодом с исторической точки зрения является третичный. Термин «третичный» был предложен в 1760 г. итальянским геологом Джованни Ардуино на основе вернеровской системы¹⁷⁰. Ардуино идентифицировал пласты в горах Италии только по их литологическим характеристикам, без использования ископаемых, и поместил их стратиграфически над вернеровской вторичной системой как относящиеся к третьему периоду – третичному. Геологи в дальнейшем выделили такие горные породы по всему континенту и обратили внимание на то, что с ними ассоциированы определенные комплексы ископаемых. Например, в 1810 г. Кювье и Броньяр дали пространную характеристику третичных горных пород, исходя из анализа ископаемых и пластов Парижского бассейна¹⁷¹.

Третичный период стал официальным подразделением геохронологической шкалы на основе работы Лайеля 1833 г. и состоит из следующих эпох (которые являются более короткими подразделениями внутри конкретных периодов): палеоцена, эоцена, олигоцена, миоцена и плиоцена. Лайель выделил эоцен, миоцен, плиоцен и одну из более поздних стадий четвертичного периода – плейстоцен – в 1833 г. в третьем томе «Основных начал геологии»¹⁷². Первоначально основу для выделения этих отделов создали изучение ископаемых и биостратиграфия. Позднее, когда появились методы количественного датирования, они стали соответствовать временным (хроностратиграфическим) подразделениям. Лайель добавил олигоцен и палеоцен в издания своей книги 1854 г. и 1874 г. соответственно.

Палеоген (отгреч. παλαιός – старый, древний и γενής – рождающий, рожденный) был принят Международной комиссией по стратиграфии в качестве нижнего отдела третичного периода, состоящего из палеоцена, эоцена и олигоцена. Карл Фридрих Науман, профессор минералогии и геологии Лейпцигского университета, впервые выделил палеоген в ранг системы в 1866 г. Основой для определения послужили его исследования на севере Германии, где в горных породах соседних третичных слоев наблюдались разные фауна и флора¹⁷³.

Международная комиссия по стратиграфии постановила классифицировать верхний отдел третичного периода как неогеновый, состоящий из эпох миоцена и плиоцена. Мориц Гёрнес, директор Музея естественной истории в Вене, впервые использовал термин «неоген» в 1853 г., упоминая о работе профессора зоологии и технологии Гейдельбергского университета Хенрика Георга Бронна, вышедшей двадцатью с лишним годами ранее¹⁷⁴. Гёрнес исследовал ископаемые Венецианского бассейна и обратил внимание на то, что фауны миоцена и плиоцена больше похожи друг на друга, чем на фауну более древних слоев, и поэтому отнес их к новой категории – неогену. Он установил взаимосвязь между своими находками на Сицилии, Кипре и Родосе, а также включил более молодые ледниковые и намывные отложения, которые были позднее идентифицированы как четвертичные, причем это разграничение отчасти основывалось на категориях, выделенных Бронном.

Французский геолог и археолог Жюль Денуайе выделил четвертичный период в 1829 г. при исследовании осадков в бассейне Луары в регионе Турен и в Лангедоке, Франция¹⁷⁵. Он обнаружил и обозначил три комплекса моложе третичных слоев и назвал этот период четвертичным. В рамках четвертичного периода Денуайе выделил современные породы (самые молодые), делювиальные и раковинный известняк туренского горизонта (мергель с раковинами). Не во всех комплексах были ископаемые; некоторые представляли собой горную породу, образовавшуюся в результате литификации булыжников под действием рек.

В 1833 г. французский геолог Анри-Поль-Ирене Ребуль определил, что ископаемые четвертичного периода представляют собой остатки животных, живущих и ныне, в отличие от ископаемых третичного периода¹⁷⁶. Лайель включил четвертичный период в том виде, в котором его выделил Денуайе, во французское издание «Элементов геологии» 1839 г. В рамках четвертичного периода Международная комиссия по стратиграфии приняла эпохи плейстоцена и голоцена. Плейстоцен был определен как начало самых последних периодов оледенения и межледниковья, когда климат стал холоднее и массивные ледниковые щиты покрыли большие участки Северного полушария.

Дискуссия о четвертичном периоде и его подразделениях – стоит ли и как включить их в кайнозойскую эру – продолжалась десятки лет. Например, во времена Лайеля некоторые геологи были не согласны с отнесением ледниковых отложений к плейстоцену; сам Лайель предпочел поместить их в свою категорию «более молодого плиоцена»¹⁷⁷. Часть проблем возникала потому, что первоначально единицы временной шкалы выделяли с помощью биостратиграфии с использованием руководящих ископаемых или климатологии (ледниковых периодов), а затем, с появлением количественных методов датирования, их с разной степенью точности превратили в хроностратиграфические подразделения. В самом последнем издании геохронологической шкалы Международная комиссия по стратиграфии выделяет (от более древнего к более молодому) палеогеновый, неогеновый и четвертичный периоды.