ЛЕКЦИЯ № 12

ВЕЛИКИЕ И МАЛЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СПОРЫ

 

Догадки античных натурфилософов

Плоская или круглая?

Вокруг Земли или вокруг Солнца?

 «Нептунисты» или «плутонисты»?

Окаменелости или «игра природы»?

О причинах изменения лика Земли

Зарождение стратиграфии

«Катастрофисты» или «эволюционисты»?

О возрасте Земли

Холодное или горячее?

Изостазия

Геосинклинали

Сжатие или расширение?

 Дрейф материков

Тектоника плит

Парадигма XXI века?

 

О Геологии можно сказать стихотворной строкой: «В ней - страсть ве­ков, следы стихий, победы, грезы и дерзания...». Геология помнит многие малые и «великие» споры, переходящие подчас в нелицеприятную и жес­токую борьбу. Геология не раз вторгалась в область господствующей идеологии. История Геологии - это гонения мужественных ученых и тра­гедии великих личностей.

В этой главе рассказывается о том, как зарождались и развивались некоторые идеи и гипотезы в Геологии. За каждой из них стоит личность ученого - одновременно и пытливая, и дерзкая по мысли, и объективно ограниченная рамками научных, официальных и моральных воззрений своего времени.

 

Догадки античных натурфилософов

 

Зачатки геологических знаний появились в глубокой древности. Чело­век всегда стремился познать окружающий его мир, осмыслить геологи­ческие явления. Об этом свидетельствуют интуитивные догадки и обоб­щения древних натуралистов, их первые космогонические и геологиче­ские концепции.

Двенадцать столетий - С VII в. до н.э. до V в. н.э. - длился период, получивший в истории науки название «античного» (лат. «антиквус» -древний). Нерасчлененная наука этого периода называлась «натурфило­софией». У любознательных натурфилософов античности было достаточ­но свободного времени для вдумчивого созерцания природы и глубоких раздумий о ее сущности.

Среди вопросов, волновавших умы древних мыслителей, особое место занимали форма Земли, ее взаимоотношение с Солнцем, строение недр, происхождение окаменелостей, содержащихся в горных породах, и др.

В представлениях наших предков об окружающем их материальном мире было немало фантазии. Так, вавилоняне изображали Землю в Биде круглой горы, окруженной морем, на которое опрокинутой чашей опира­ется небо. Древние греки считали Землю выпуклым диском, обтекаемым со всех сторон рекой - Океаном. Над Океаном, по их представлениям, расположен медный небосвод. По нему движется Солнце, поднимающее­ся ежедневно из вод Океана на востоке и погружающееся в них на западе.

Однако, по Древней Греции высказывались идеи, достоверность кото­рых была подтверждена в более позднее время. Так, Анаксимандр (ок. 610-после 547 г. до н.э.) - автор первой географической карты и книги «О природе», утверждал, что Земля - шар.

Некоторые древние ученые при этом опирались не на наблюдения, а на абстрактнее умозаключения. Например, идеалист Платон (428?-348? гг. до и.э.), основатель знаменитой школы «Академия», считал, что Земля имеет форму куба. А математик Пифагор Самосский (около 580-500 тт. до н.э.) был уверен, что Земля должна быть шаром потому, что является идеальным телом.

Первые научные доказательства шарообразности Земли привел ученик Платона Аристотель (384-322 гг. до н.э.). Это он сказал однажды: «Платон мне друг, но истина дороже». Наблюдая лунные затмения, Аристотель обратил внимание на то, что тень, отбрасываема Землей на Луну, всегда круглая. Этого не было бы, утверждал Аристотель, если бы Земля не име­ла форму шара.

Архимед (ок. 287-212 гг. до н.э.) указал, что Земля не может быть идеальным шаром, так как на ней есть высокие горы, равнины и глубокие прова­лы. Для обозначения фигуры Земли Архимед предложил термин «Сфероид» (греч. «сфероидес» - шароподобный).

Аристарх Самосский (конец IV-первая половина III в. до н.э.), видимо, первым измерил диаметр земного шара. Сравнительно точно определил средний радиус земного шара хранитель крупнейшей в античном мире Александрийской библиотеки в Египте древнегреческий ученый Эратосфен Киренский (около 276-194 гг. до н.э.).

Анаксимандр придерживался геоцентрической (греч. «ге» - Земля, лат. «сентрум» - центр круга) модели космоса. По его представлениям, ша­рообразная Земля является центром мироздания. И Анаксагор (около 500-428 гг. до н.э.) также считал Землю центром мироздания, вокруг которого вращается Солнце.

Но Аристарх Самосский, в противовес Анаксимандру и Анаксагору, выдвинул первую гелиоцентрическую (греч. «гелиос» - солнце, лат. «сентрум» - центр круга) гипотезу строения Солнечной системы. Он вы­сказал идею о том, что Земля движется вокруг неподвижного Солнца и вокруг собственной оси.

В VI-JV вв. до н.э. впервые были высказаны правильные взгляды о причинах изменения поверхности Земли, ее возрасте и внутреннем со­стоянии.

Анаксимандр считал, что Земля возникла очень давно и медленно изменялась. Ксенофан из Колофана (ок. 570-после 478 гг. до н.э.) связывал изменения поверхности Земли с движением ее недр. Он полагал, что мор­ские раковины, содержащиеся в горных породах на суше вдали от берега, свидетельствуют о том, что раньше эти участки находились ниже уровня моря.

Эмпедокл из Агригента (ок. 490~ок. - 430 гг. до н.э.) высказал догадку, что внутри земного шара находится огненно-жидкая масса. Она и порож­дает такие грозные явления, как вулканические извержения и горячие ис­точники, вытекающие из недр Земли. Признавая окаменелости, встречаю­щиеся в горных породах, остатками вымерших животных, Эмпедокл вме­сте с тем рисовал фантастическую картину их зарождения. По Эмпедоклу, на первом этапе во влажном иле зарождались различные по форме и раз­мерам разрозненные органы будущих животных (головы, конечности, глаза, уши и т.п.). Затем при движении в воде отдельные органы произ­вольно соединялись, образуя разнообразных уродов. На третьем этапе происходила массовая гибель этих несовершенных существ.

Аристотель указывал, что распределение суши и моря не всегда оста­ется одинаковым: море приходит туда, где была суша, суша возвращается туда, где теперь мы видим море. Но эти изменения так медленны в срав­нении с краткостью человеческой жизни, что на них не обращают внима­ния. Образование гор Аристотель связывал с землетрясениями. А в изме­нении рельефа большую роль отводил воде, отмечая ее огромную разру­шительную работу.

Сведения геологического характера о вулканах, размывающей работе рек, колебаниях моря и др. содержатся в произведениях античных гео­графов Геродота (490-480 - ок. 425 г. до н.э.) и Страбона (64—63 г. до н.э. - 23-24 г. н.э.). Геродот, в частности, основываясь на найденных в оса­дочных породах морских раковинах, считал Египет осушившимся зали­вом Средиземного моря. Страбон попытался выявить причины присутст­вия во многих местах современной суши, удаленных от берегов морей, раковин морских животных. Он допускал, что одни участки земной по­верхности могут подниматься относительно других под действием напора подземных газов. Отмечая существование периодических колебаний по­верхности Земли, Страбон подразделял их на очень медленные, охваты­вающие огромные пространства, и быстрые, но локальные (при землетря­сениях).

Высказанные античными учеными прогрессивные геологические идеи в свое время не получили достойного развития и были на долгое время забыты. Некоторые их озарения и идеи стали предметом серьезного изу­чения геологии лишь много веков спустя.

Со II в.н.э. в Европе на целых полторы тысячи лет утвердилось поддерживаемое религиозной догмой геоцентрическое учение Клавдия Пто­лемея (ок. 90 - ок. 160). Автор «Альмагеста» и «Географии» - энциклопе­дий древних астрономических и географических знаний - Птолемей счи­тал, что плоская Земля является центром Вселенной. Птолемей также ут­верждал, что Земля и весь населяющий се органический мир неизменны «от создания». И единственным событием, нарушившим однажды покой Земли, был «всемирный потоп».

 

Плоская или круглая?

 

К непреложной истине, что Земля имеет форму шара, наши предки шли долгим путем догадок, споров и борьбы. В Европе в V в. христиан­ская церковь объявила идею шарообразности Земли «ересью». Инако­мыслящие жестоко преследовались и наказывались.

Но в этот период Геология успешно развивалась в Средней Азии. Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмед аль Бируни (973 - ок.1050), энциклопедист из Хорезма, не сомневался в шарообразности Земли. Он впервые на Сред­нем Востоке высказал мысль о движении Земли вокруг Солнца. По расче­там Бируни, земной радиус равнялся 1081,66 фарсаха (около 6490 км). По современным данным, экваториальный радиус Земли ранен 6378 км. Дли­на окружности Земля, по Бируни, равнялась 5600 фарсахов (41550 км).

В Европе споры о форме Земли возобновились в конце XV в. В 1490 г. немецкий географ Мартин Бехайм (1459-1507) изготовил первый земной глобус, но его осмеяли за нехристианскую идею. Однако, истина в конце концов восторжествовала. В 1519-1522 гг. шарообразность Земля была окончательно установлена кругосветной морской экспедицией Фернана Магеллана. Спустя почти 4 с половиной века после нее, немецкий писа­тель Стефан Цвейг написал об этом так: «В один прекрасный день вес, до сих пор определенное, оказалось под вопросом, нее вчерашнее - устарев­шим на тысячу лет и изжившим себя; птолемеевские карты Земли, непре­рекаемая святыня для двадцати поколений, после Колумба и Магеллана стали посмешищем для детей».

12 апреля 1961 г. Юрии Гагарин совершил еще одно знаменательное «кругосветное путешествие», впервые облетев земной шар на космиче­ском корабле. Известный писатель и ученый Артур Кларк писал о полете Гагарина: «Шар, вокруг которого можно облететь за 90 минут, уже нико­гда не будет для людей тем, чем он был для наших предков».

В конце XVII вв. англичанин Исаак Ньютон (1643-1727) и голландец Христиан Гюйгенс (1629-1695) доказали, что Земля не может иметь фор­му правильного шара. Они полагали: раз тело Земли долго и быстро вра­щается вокруг своей оси, то центробежные силы на экваторе действуют сильнее, чем у полюсов. Вследствие этого расстояние между полюсами должно быть короче, чем диаметр Земли в плоскости экватора. В 16S0 г. Ньютон подсчитал, что Земля сплющена вдоль оси вращения на 1/230 до­лю этой оси.

 

Вокруг Земли или вокруг солнца?

 

Сегодня правильный ответ на этот вопрос содержится в школьных учебниках младших классов. Но ученые шли к нему долго и трудно. Геоцентрическая концепция Птолемея господствовала в науке 15 веков.

Во второй половине XV в. кардинал Николай Кузанус (1401-1464) вы­сказал мысль, что Земля движется и вокруг своей оси, и вокруг некоторой точки в пространстве. За центр вращения Земли и других планет Кузанус принимал не Солнце, а особый полюс мира. Труды Кузануса были изданы в Риме в 1501 г., почти через 40 лет после смерти их автора и за 40 лет до издания великого труда Н.Коперника.

Польский священник и математик Николай Коперник (1473-1543) в начале XVI п. научно опроверг учение Птолемея. Основные выводы были получены Коперником еще в 1507 г. Но книгу «Об обращениях небесных сфер» ему удалось напечатать лишь в самом конце его жизни в 1543 г. Первый экземпляр книги, по преданию, пришел к автору в день его смер­ти - 24 мая 1543 г. Коперник доказал, что Земля - не центр Вселенной, а всего лишь небольшая постоянно движущаяся вокруг Солнца планета.

Коперник нанес окончательный удар геоцентрической системе Птоле­мея. Но в 1616 г. его сочинение было объявлено церковью «еретическим» и запрещено. Еще спустя сто лет после выхода в свет труда Коперника, гелиоцентрическая система мира не была включена в курсы астрономии западноевропейских университетов. Обучение в них по-прежнему шло по Птолемею. Вращение Земли вокруг Солнца было признано окончательно русской православной церковью в 1756 г., а римской католической - в 1822-1835 гг.

 

«Нептунисты» или «плутонисты»?

 

Знаменитый спор «нептунистов» и «плутонистов» широко обсуждался учеными и прогремел на весь мир» о второй половине XVIII - первой по­ловине XIX в. ЕГО изобразил И.В. Готе но второй части «Фауста» («Вальпургиева ночь»), где в образах греческих мудрецов Анаксагора и Фалеса вывел «плугониста» и «нептуниста».

Свое название они получили по имени римского бога морей - Нептуна и бога подземного царства у древних греков - Плутона. «Нептунисты» считали воду главным агентом, преобразующим лик Земли, и утверждали, что все горные породы, включая гранит и базальт, образовались путем осаждения из морской воды. «Плутонисты» связывали возникновение гранита и базальта и преобразование лика Земли с «подземным огнем».

«Отцом нептунистов» был выдающийся немецкий геолог, профессор Фрейбсргской горной академии Абраам Готтлоб Вернер (1749-1817). По Вернеру, поверхность Земли изначально была сильно расчленена и по­крыта океаном. В первичной «хаотической жидкости» содержались все вещества, из которых ныне Образована земная кора. Последовательно выпадая в осадок, эти вещества образовали различные осадочные породы. Первыми на дно океана выпали в осадок граниты. Затем таким же путем отложились другие породы, в том числе базальты. «Нептунисты» утвер­ждали, что базальты - продукты химического осаждения из вод Океана и отвергали их магматическое происхождение.

Глава «плутонистов», шотландский ученый Джеймс Геттон (1726-1797), автор книги «Теории Земли», подразделял горные породы на изверженные и осадочные. В отличие от «нептунистов», он ограничивал роль воды только ее способностью к разрушению горных пород и считал граниты и базальты изверженными породами, образовавшимися из расплавленных магм.

Происхождение базальтов стало главной темой в споре двух научных течений. В первой половине XIX в. «нептунисты» потерпели жестокое поражение. Ученик Вернера - Леопольд Бух посетил вулкан Везувий, Альпы и Канарские острова. После этого он резко изменил свои воззре­ния и перешел в стан «плутонистов». Такую же идейную эволюцию пере­жил и другой талантливый ученик Вернера - Александр Гумбольдт. Во время своего путешествия по Америке он убедился в мощности и гранди­озности вулканических явлений.

 

Окаменелости или «игра природы»?

 

Со времен античных натурфилософов ученые многие века спорили о природе окаменелостей, в изобилии попадавшихся им в осадочных слоях на суше. Одни принимали их за «тру природы». Другие считали остат­ками некогда обитавших в морях животных - вспомним Ксенофана Колофанского.

В эпоху Возрождения были заново высказаны некоторые идеи ученых античного периода. Леонардо да Винчи (1452-1519) участвовал в строи­тельстве каналов и крепостей в Северной Италии. Он исследовал горные породы и содержащиеся в них окаменелости. Последние встречались на больших расстояниях от моря. Леонардо да Винчи (1517 г.) пришел к вы­воду, что окаменелости принадлежат животным, оставленным здесь мо­рем в те далекие времена, когда оно простиралось за пределы своих со­временных границ.

В 1553 г. подобным образом трактовал происхождение окаменелостей и другой итальянский ученый - Джироламо Фракастро (1478-1553). Однако, выводы Леонардо да Винчи и Фракастро были надолго забыты. По­требовалось еще почти полтора столетия, чтобы содержащиеся в осадоч­ных пластах окаменелости перестали рассматриваться как «игра природы».

В 1669 г. Николаус Стенон (1638-1686) писал: «Если в определенном слое обнаруживаем следы морской соли, панцири морских животных, то несомненно в этом месте в некую эпоху было море...».

 

О причинах изменения лика Земли.

 

Многие века учение Птолемея утверждало, что Земля оставалась не­изменной «от создания». Однако то, что лик Земли не был постоянным, отмечали не только отдельные древнегреческие натурфилософы. На это указал, например, и среднеазиатский ученый Омар Аалем в X в. в своем сочинении «Отступление моря». Сравнив морские карты своего времени с картами индийских и персидских астрономов двухтысячелетней давно­сти, Аалем установил серьезные изменения в очертаниях азиатских бере­гов. Оказалось, что прежде море было гораздо пространнее.

Другой ученый из Средней Азии - Аль Бируни писал, что временами море перемещается на место суши, а суша - на место моря. Отмечая на­ходки плавников рыб в осадочных пластах под Хорезмом, он делал вы­вод, что эти пространства песчаных пустынь некогда представляли собой дно обширного водоема.

В Европе в конце XV в. Леонардо да Винчи обобщил свои наблюде­ния, полученные в процессе строительства каналов и крепостей. И при­шел к выводу, что любая часть земли, которая обнажается при размыве реками, уже была земной поверхностью, видимой Солнцу.

Спустя полтора века Николаус Стеной также утверждал, что очерта­ния суши и моря меняются во времени. «Все теперешние горы, - писал Стенон, не существовали от началу мира». Причиной образования гор он считал прежде всего «изменившееся положение слоев». В этих вопро­сах Леонардо да Винчи и Стеноп далеко опередили свое время. «Нептунисты» и через сто лет после Стенона, в конце XVIII в., считали, что на­клонные и изогнутые слои находились в таком состоянии с самого начала своего образована» и воды Океана покрывали горы до самых вершин.

В 1705 г. была опубликована посмертно работа английского ученого Роберта Гука (1636-1703) «Лекции и рассуждения о землетрясениях». Главной ее целью было объяснение, каким образом раковины были зане­сены на вершины «Альпийских, Аппенинских и Пиренейских гор и вообще во внутренность материков». Эти и подобные явления, по мнению Гука, могли произойти от землетрясений, «которые превращали равнины в го­ры, а горы в равнины, моря с сушу, а сушу в моря, образовали они реки там, где их прежде не было...» «Землетрясения, - писал Гук, - со времени сотворения миры произвели много больших перемен на поверхностных частях земли и служили орудиями к перемещению раковин, костей, рас­тений, рыб и тому подобного в такие места, где мы теперь встречаем их к своему немалому удивлению». Значительную роль в этом процессе Гук приписывал внутреннему «огню» Земли.

В 1755 г. произошло сильное Лиссабонское землетрясение. Под его впечатлением 6 сентября 1757 г. в Санкт-Петербурге на общем заседании Академии наук с речью «Слово о рождении металлов от трясения земли» выступил М.В. Ломоносов. Этот труд был затем опубликован. Ломоносов доказывает в нем, что к изменению рельефа земли и образованию щелей, в которые проникают минеральные растворы, отлагающие там минералы и руды, ведут расколы и смешения частей земной коры, сопровождаемые землетрясениями  и вулканическими извержениями. «Таковые частые в подсолнечной перемены, - пишет М.В. Ломоносов, - объявляют нам, что земная поверхность ныне совсем ивой вид имеет, нежели каково было из­древле».

В 1763 г. М.В. Ломоносов опубликовал свой главный геологический труд «О слоях земных». Он писал: «И во первых, твердо помнить должно, что видимые телесные на земле вещи и весь мир не в таком состоянии были с начала от создания, как ныне находим, но великие происходили в нем перемены, что показывает история и древняя география, с нынешней снесенная и случающиеся в наши веки перемены земной поверхности. Когда и главные величайшие тела мира, планеты, и самые неподвижные звезды изменяются, теряются в небе, показываются вновь, то в рассуждении оных малого нашего шара земного малейшие частицы, то есть горы (ужасные в глазах наших громады), могут ли от перемен быть свобод­ны?». И завершает эту важнейшую мысль М.В. Ломоносов утверждением: «Итак, напрасно многие думают, что все, как видим, с начала творцом создано, будто не токмо горы, долы и воды, но и разные роды минералов произошли вместе со всем светом и потому де не надобно исследовать причин, для чего они внутренними свойствами и положением мест раз­нятся».

 

Зарождение стратиграфии.

 

Немецкий естествоиспытатель Александр Гумбольдт (1769-1859) на­звал Николауса Содома «отцом новой геологии». В 1666 г. судьба зане­сла молодого датского врача-анатома Стенопа во Флоренцию. Здесь он неожиданно увлекся геологическими исследованиями. Около года зани­мался Стенон геологией. Но этого было достаточно, чтобы имя 30-летнего натуралиста навсегда вошло в историю геологической науки.

Непосредственные  полевые  наблюдения  над  осадочными   пластами Тосканской области привели Стенона к важным обобщениям. Он сформулировал основные положения стратиграфии - науки о последовательности напластования горных пород. Свои наблюдения и выводы Стенон изложил на латыни в сочинении «О твердом, естественно содержащемся в твердом» (1669 г.).

Стенон различал две главные группы горных пород — «первичные», или «скалистые», слои, которые отложились до появления на Земле орга­низмов, и слои «вторичные», или «слоистые», с органическими остатка­ми, менее плотные и лежащие более полого.

Подразделив тосканские пласты по характеру содержащихся в них окаменелостей. Стенон пришел к выводу, что эти пласты залегали первоначально горизонтально. В Аппенинских горах те же осадочные пласты залегают наклонно, потому что были выведены из горизонтального поло­жения действием подземных паров, огня или провалов.

Основные выводы Стенона сводятся к следующему:

1)каждый слой образовался в результате осаждения в воде;

2)спой, заключающий в себе обломки другого слоя, образуется после
него;

3)всякий слой отложился после того, на котором он залегает, и ранее
того, который его покрывает;

4)слой должен иметь определенную протяженность.

Стенон первый связал происхождение складчатых гор с изменением первоначально горизонтального положения осадочных пластов в наклон­ное и вертикальное. В основном разделе своего трактата, названном «Слои Земли», Стеноп отмечает, что земные слои «принадлежат осадкам из жидкостей», которые «возникают, когда содержимое в жидкости в силу собственной тяжести оседает на дно».

Вскоре после написания этого трактата Стенон отошел от науки и полностью отдался деятельности католического миссионера. Результаты его геологических исследований были преданы забвению. Лишь в начале XIX в. сочинение Стенона было вновь открыто А. Гумбольдтом. А в 1832 г. геолог Эли де Бомон перевел с латинского на французский язык геологи­ческую часть сочинения «О твердом, естественно содержащемся в твер­дом». Благодаря этому переводу идеи Стенона пополнили сокровищницу геологической науки. Метод Стенона получил название «принципа после­довательности напластования». На нем основывается современная мето­дика изучения геологической структуры земной коры.

Прах Стенона захоронен во Флоренции. На его могиле была установ­лена мраморная плита с надписью: «Здесь покоится то, что было земным в Нильсе Стеноне, епископе Титиополиса, - человеке, полном стремления к божеству...» Современники знали Стенона в основном как выдающегося анатома. Потомки чтут его как «отца новой геологии». В 1881 г. в Италии состоялся Международный геологический конгресс. Его участники при­шли к могиле Стенона и установили мемориальную доску со словами: «Муж между геологами и анатомами превосходнейший».

В середине XVIII столетия идеи Стенона получили дальнейшее разви­тие во взглядах И. Ардуино, горного директора Тосканы И Виченцы. Ардуино разделил осадочные слои Северной Италии на три последовательно образовавшихся комплекса, и назвал их соответственно «первичными», «вторичными» и «третичными». Первый комплекс включал лишенные ископаемых стекловидные, слюдистые, пронизанные кварцевыми жилами интенсивно складчатые сланцевые породы. Второй - менее складчатые плотные слоистые известняки, мергели и глинистые породы с многочис­ленными остатками морских ископаемых. Третий комплекс представлен слабо складчатыми слоистыми известняками, мергелями, глинами и пес­ками, содержащими обломки пород «вторичного» комплекса и обильные остатки животных и растений.

Работы Стенона и Ардуино заложили основы стратиграфии. Следую­щим выдающимся достижением геологической мысли явилась разработка общей для земного шара стратиграфической шкалы.

Одну из первых шкал последовательности образования горных пород построил в Германии Абрахам Готлоб Вернер. По Вернеру, сменяющие друг друга в разрезе толщи осадков отличаются только вещественным со­ставом. Считая воду главным геологическим агентом, А.Г. Вернер утвер­ждал, что все горные породы образовались из вод первичного океана, покрывавшего всю Землю. Он выделил в качестве «первозданных» пород такие магматические и метаморфические горные породы, как граниты, кварцевые порфиры, а также гнейсы и кристаллические сланцы. В группу «переходных» пород (ныне их относят к палеозою) Вернер включил из­вестняки, диабазы, грауваки и др. Затем следовала группа «флецовых» (слоистых) пород, содержащих в большом количестве окаменелости.

«Первозданные», «переходные» и «флецовые» слои, по Вернеру, покрывали сплошными оболочками земной шар. А в пониженных участках его осаждались аллювиальные отложения - «новейшие наносы», пред­ставленные конгломератами, песками, глинами и др. Они образовались главным образом за счет механического разрушения более древних по­род.

В 1799 г. английский землемер Уильям Смит (1769-1839) принимал участие в работах при прокладке каналов в Южной Англии. Он обратил внимание на то, что далеко отстоящие друг от друга пласты горных пород содержат одинаковые окаменелости. Это натолкнуло Смита на мысль, что слои, содержащие один и тот же комплекс окаменелостей, могут рассмат­риваться как одновозрастные.

Так возникла идея сопоставления осадочных толщ без непосредствен­ного прослеживания их по протяженности - только на основании сравне­ния заключенных в них окаменелостей.

К подобным выводам пришел во Франции палеонтолог Жорж Кювье (1769-1832), проводивший в 1808 г. геологические исследования в ок­рестностях Парижа. Метод В. Смита и Ж. Кювье получил впоследствии название «принципа фаунистической последовательности».

Изучение ископаемых остатков фауны позволило Ж. Кювье создать новую науку - палеонтологию (греч. палайос» - древний, «онтос» - су­щество, «логос» - учение). Принцип последовательности напластования пород, принцип фаунистической последовательности и данные палеонтологии сыграли решающую роль в быстром развитии геологических знаний. Они содействовали возникновению и становлению стратиграфии (лат. «стратум» - слой, «графи» - пишу) - науки о последовательности залегания и относительном геологическом возрасте горных пород.

Палеонтологический и стратиграфический методы дали теологам воз­можность определять относительное положение слоев в разрезе, устанав­ливать, какие из них являются более древними или более молодыми по отношению друг к другу. Это привело затем к созданию местных (локальных) стратиграфических шкал и единой для всего земного шара стратиграфической шкалы.

 

«Катастрофисты» или «эволюционисты»?

 

В спорах и жестокой борьбе решалась проблема развития Земли и биологических видов. К середине XVIII в. утвердилась идея о том, что биологические виды извечны и неизменны со дня своего «создания». Шведский естествоиспытатель Карл Линней (1707-1778) утверждал в книге «Система природы» (1735 г.), что на Земле существуют только те виды, какие были созданы первоначально «творцом».

Другой взгляд отстаивал Жорж Луи Леклерк Бюффон (1707-1788). В противоположность Линнею он признавал изменяемость видов под влия­нием условий среды. В 1749-1788 гг. Бюффон выпустил в свет 36 томов «Всеобщей и частной естественной истории». Классифицируя окаменело­сти, он установил полное исчезновение в разрезе некоторых форм.

Дальнейшее развитие идей Линнея и Бюффона привело к появлению в биологии и геологии двух противоборствующих направлений - «катастрофизма» и «эволюционизма». Между их приверженцами возник многолетний ожесточенный спор, оставивший глубокий след в истории геологии.

Главой «катастрофистов» был Жорж Кювье (1769-1823) - крупней­ший зоолог и палеонтолог, основоположник сравнительной анатомии по­звоночных. Он описал и реставрировал около 150 видов ископаемых мле­копитающих и пресмыкающихся. Кювье приписывают крылатую фразу: «Дайте мне одну кость, и я восстановлю животное».

В начале XIX в. Кювье изучал в окрестностях Парижа фауну третич­ных отложений и последовательность их напластования. Установив суще­ственные различия между окаменелостями смежных слоев, Кювье задался вопросом о причинах этих различий. В 1812 г. он опубликовал «Предва­рительные рассуждения» к труду «Об ископаемых костях'». В последую­щих изданиях «Предварительные рассуждения» получили название «Рас­суждения о переворотах па поверхности земного шара». В этой работе Кювье, опираясь на идею неизменности видов, обосновывает теорию «катастрофизма». По его мнению, различия видов животных, содержащихся в различных слоях Земли, обусловлены периодически совершавшимися на поверхности Земли «переворотами» («катастрофами»). Они, по Кювье, уничтожали почти все живое. И после каждого такого «переворота» но­вые «акты творения» создавали новые виды животных и растений. Наи­более ортодоксальный из последователей Кювье - Альсид Дессалин Орбиньи (1802-1857), описавший свыше 100 тысяч ископаемых окаменелостей, считал, что во время катастроф погибал весь органический мир предшествующей эпохи.

Благодаря огромному научному авторитету Кювье, его теория «ка­тастроф» стала господствующей в то время. Всякое несогласие с нею счи­талось еретическим. Тем не менее, с представлениями «катастрофистов» боролись «эволюционисты». Их лидером был французский естествоиспы­татель Жан Батист Ламарк (1744-1829), предшественник Ч. Дарвина, соз­давший целостное учение об эволюции живой природы.

Будучи крупнейшим авторитетом в области биологии, Ламарк изучал и геологические разрезы, собирал горные породы и минералы. Свои гео­логические взгляды он изложил в 1802 г. в книге «Гидрогеология». Этот термин Ламарк использовал для обозначения науки, изучающей влияние воды на поверхность Земли.

Ламарк отвергал концепцию неизменяемости видов. Он считал, что виды постепенно изменяются в результате появления у организмов новых функций и органов. Главной причиной изменения видов, по Ламарку, яв­ляется действие на живые организмы факторов среды (климат, почва, пи­ща, свет, теплота, атмосферные влияния и т.д.). Ламарк отвергал и учение Ж. Кювье о мировых геологических катастрофах. Он утверждал, что из­менение видов в результате реакции на воздействия меняющихся условий внешней среды происходит медленно, без скачков.

Ламарку было нелегко отстаивать свои воззрения в условиях господ­ства идей Кювье. Но он мужественно переносил несправедливые нападки и насмешки «катастроф и сто в» и продолжал свои исследования. С 1815 по 1822 г. Ламарк опубликовал семь томов «Естественной истории беспо­звоночных животных». В них обобщены результаты огромного труда по систематике беспозвоночных и содержится описание всех известных в то время родов и видов беспозвоночных животных. В 1818 г. Ламарк поте­рял зрение, но продолжал работу над двумя последними томами «Естест­венной истории беспозвоночных» и своей последней книгой «Аналити­ческая система положительных знаний человека».

В спор катастрофистов и эволюционистов были вовлечены научные круги всей Европы. Но высшего накала он достиг во Франции. В 1830 г., на следующий год после смерти Ламарка, в стенах Парижского универси­тета несколько дней происходила открытая дискуссия. Против Кювье вы­ступал друг его юности Сент-Илер, главный последователь Ламарка. То­гда ламаркисты потерпели поражение. После этого их стали официально преследовать, в частности и в России. Но история рассудила иначе.

В первой половине XIX в. идеи катастрофизма сомкнулись в геологии с «плутонизмом». Л. Бух и А. Гумбольдт выделяли эпохи интенсивной вулканической деятельности. Они считали, что эти короткие по времени катастрофические эпохи сменяли эпохи покоя, не несущие с собой ника­ких существенных изменений земной поверхности.

Идею вулканических катастроф оспаривал другой приверженец теории Ж. Кювье. Это был автор контракционной гипотезы Эли де Бомон, из­давший в 1852 г. «Замечание о системе гор» как часть «Всеобщего слова­ря натуральной истории». По мнению Эли де Бомона, в истории Земли существовали длинные периоды сравнительного покоя, в течение кото­рых в морях происходило нормальное осадконакопление. Эти периоды покоя прерывались короткими эпохами тектонических катастроф, произ­водивших глубочайший переворот в состоянии земной поверхности. Во время тектонических катастроф на поверхности Земли «внезапно) обра­зовывались параллельные друг другу горные цепи. Катастрофы уничто­жали животную и растительную жизнь на Земле. Затем наступал новый период покоя, и органическая жизнь обновлялась. Согласно представле­ниям Эли де Бомона, тектонические катастрофы неоднократно повторя­лись, начиная с самых древних геологических периодов.

Против идей катастрофизма и концепции Эли де Бомона о всемирной одновременности горообразования активно выступил английский геолог Чарлз Лайель (1797-1875). Он окончательно закрепил развивавшиеся ра­нее древнегреческим натурфилософом Анаксимандром, Леонардо да Винчи, М.В. Ломоносовым, А.Г. Всрнером, Д. Геттоном идеи о постепен­ном преобразовании поверхности Земли в течение длительного времени. Ч. Лайель опубликовал в 1830-1833 гг. трехтомный труд «Основы геоло­гии», выдержавший 11 прижизненных изданий и переведенный на многие иностранные языки. В русском переводе он вышел в 1866 г. под названи­ем «Основные начала геологии, или новейшие изменения Земли и ее оби­тателей». Труд Ч. Лайеля вызвал сенсацию. Он защищал идею медленных геологических преобразований - без катастроф, приводящих к гибели ор­ганического мира. Тектонические деформации, считал Лайель, могут про­исходить в любое время в течение интервала, представленного несогласи­ем между пластами горных пород.

Рассматривая тс же, что и Ж. Кювье, комплексы осадочных пород и заключенные в них окаменелости, Лайель доказал, что геологическая ис­тория Земли характеризуется большой длительностью и непрерывностью геологических явлений. А эпохи, выделенные Кювье, не так резко отли­чаются одна от другой, как это считали «катастрофисты». Учение Лайеля утверждало медленное и непрерывное изменение земной поверхности под влиянием постоянных геологических факторов. К ним относятся атмо­сферные осадки, текучие воды, извержения вулканов и др. Эти малоза­метные изменения, суммируясь, привела к грандиозным преобразованиям на Земле.

Лайель опирался на метод актуализма: «настоящее есть ключ к позна­нию прошлого», - писал он. На многочисленных примерах Лайель показал, что события геологического прошлого можно легко объяснить обыч­ными природными явлениями, действующими и в современную эпоху.

В 30-е годы XIX столетия дискуссии между катастрофистами и эво­люционистами происходили на заседаниях Лондонского геологического общества. Здесь катастрофисты потерпели поражение. К концу 30-х годов XIX в. концепция Лайеля получила широкое признание. Она сыграла про­грессивную роль в естествознании, явившись главной предпосылкой дар­винизма.

В 1859 г. Чарлз Дарвин (1809-1882), называвший себя учеником Ч. Лайеля, опубликовал «Происхождение видов путем естественного от­бора...». В кем впервые убедительно доказывалось, что все живое на Зем­ле - растения, животные и сам человек - появилось в процессе длитель­ного, непрерывного и направленного эволюционного развития организ­мов от простого к сложному, от низшего к высшему, в тесной связи с из­менениями геологической среды.

Широкое распространение эволюционных идей Ч. Дарвина содействовало тому, что в 80-е годы XIX в., спустя почти полвека после смерти Ла­марка, пришло запоздалое признание и его великих заслуг. В 1909 г. ми­ровая наука отмечала 100-летнюю годовщину выхода в свет «Философии зоологии» Ламарка. По международной подписке были собраны средства на памятник автору. Памятник, открытый в Парижском ботаническом са­ду, изображал фигуру сидящего в задумчивой позе Ламарка. А рядом по­мещен барельеф, изображающий его в глубокой старости, слепого, рядом с дочерью, которая обращается к Ламарку со словами: «Потомство будет восхищаться Вами, оно отомстит за Вас, мой отец».

 

О возрасте Земли

 

Еще Анаксимандр высказал мысль, что Земля возникла очень давно. В 1654 г. ирландский епископ Ашер «точно» рассчитал, что Земля была создана ровно в 9 ч. утра 26 октября 4004 г. до Рождества Христова.

В начале XVI в. Леонардо да Винчи и затем на рубеже 70-х годов ХУЛ в. Николаус Стенон высказали идею о том, что геологическая история намно­го продолжительнее библейских 6000 лет.

Жорж Бюффон определял общую продолжительность существования нашей планеты, включая стадию раскаленной звезды, в 74 тысячи лет. А М.В. Ломоносов оценил в 399 тысяч лет время, прошедшее только с мо­мента существования в северных странах мамонтов.

В середине XVIII в. немецкий философ И. Кант писал, что процесс образования небесных тел и создания современной картины мира из первоначально рассеянной материи протекал миллионы лет.

По мере накопления новых данных все более и более отодвигалась нижняя граница геологического возраста Земли. В 1802 г. Жан Батист Ламарк в книге «Гидрогеология» писал: «Натуралист и геолог... имеют очень много случаев убедиться в том, что древность земного шара на­столько велика, что попытки определения ее каким бы то ни было спосо­бом выходят за пределы возможностей человека»,

В 1859 г. в первом издании книги «Происхождение видов» Ч. Дарвин определил в 300 млн. лет время, за которое, по его расчетам, был размыт эрозией свод антиклинальной складки в районе Вельда (юго-восток Анг­лии). Но это вызвало ожесточенную критику оппонентов. Основным про­тивником Дарвина в этом вопросе был знаменитый английский физик Уильям Томсон, автор абсолютной шкалы температур, получивший позд­нее (1892 г.) за научные заслуги титул барона Кельвина. Отвергая подсче­ты Дарвина, он определял лишь в 98 млн. лет возраст Земли. На защиту Дарвина встал видный биолог (будущий президент Лондонского королев­ского общества) Томас Генри Гексли. Он ответил У. Томсону (Кельвину): «Математику можно сравнить с мельницей, которая перемелет ваш мате­риал сколь угодно тонко; но будьте уверены - то, что вы получите, цели­ком зависит от того, что вы заложили; и как самая великолепная мельница в мире не сможет извлечь пшеничную муку из гороха, так и страницы формул не дадут правильного ответа, исходя из неточных данных».

Впрочем, неточное определение возраста Земли было не единственной ошибкой барона Кельвина. На рубеже XX в. знаменитый физик объявил рентгеновские лучи тщательно разработанной мистификацией. Вместе с тем, открытие в 1896 г. французским ученым Антуаном Акри Беккерелем естественной радиоактивности солей урана предопределило ряд других важнейших открытий в области физики и геологии.

В 1898 г. французский физик Пьер Кюри, автор термина «радиоактивность», совместно со своей женой Марией Склодовской открыл радиоак­тивные элементы - полоний и радий. А в 1902 г. П. Кюри на заседании Парижского физического общества впервые высказал мысль о возможно­сти использования скорости радиоактивного распада в качестве меры времени для определения возраста минералов и горных пород. Эта же идея была высказана в 1904 г. в Англии Эрнестом Резерфордом.

Э. Резерфорд пришел к выводу, что захваченный радиоактивными минералами гелий (постоянно образующийся при распаде радиоактивных элементов) может служить средством определения геологического воз­раста.

Б. Болтвуд заметил, что в урановых рудах неизменно присутствует свинец. Это наблюдение навело его на мысль, что свинец - это стабиль­ный конечный продукт распада урана. В 1906 г. Болтвуд высказал мнение, о отмеченный факт может быть использован для определения геологи­ческого возраста.

Физики установили, что скорость радиоактивного распада не зависит от окружающей обстановки. Это открытие подарило геологам «эталон времени». Радиоактивный распад стал рассматриваться как надежный геологический хронометр. В радиоактивных породах и изотопах радиоак­тивных элементов оказалось запечатленным геологическое время. Его можно «улавливать» путем химического анализа радиоактивных пород и определения содержания в них радиоактивных изотопов. Длительность геологических периодов стало возможным определять в «абсолютных» единицах времени - годах. Начиная с 20-х гг., в разных странах создаются специальные подразделения для радиологического исследования горных пород.

Английский петрограф Артур Холмс, основываясь на радиоактивном распаде горных пород, разработал в 1947 г. первую геохронологическую шкалу фанерозоя и определил возраст Земли в 1460-3000 млн. лет.

Сегодня ученые утверждают, что Земля как планета образовалась 4,6 млрд. лет назад. И это, видимо, удивляет немногих.

 

Холодное или горячее?

 

Во второй половине XVIII в. появились важные космогонические ра­боты. В частности, Жорж Бюффон в книгах «Теория Земли» (1749) и «Эпохи природы» (1778) доказывал, что Земля и другие планеты Солнеч­ной системы образовались несколько десятков тысяч лет назад из сгуст­ков раскаленного солнечного вещества, захваченного кометой, столкнув­шейся с Солнцем. Вследствие малых размеров планеты впоследствии ста­ли постепенно остывать.

В 1755 г. немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) опубликовал труд под названием «Общая естественная история и теория неба, или опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на основании ньютоновских законов». В отличие от Бюффона, Кант считал, что Вселенная состояла первоначально из холодных неподвижных твер­дых частиц различной величины и плотности. В результате взаимного притяжения частицы приобрели движение. Их столкновение вызывало вращение и разогрев всей системы.

Не ведая о книге Канта, близкую гипотезу о происхождении Земли и других планет Солнечной системы разработал в 1796 г. французский ма­тематик Пьер Симон Лаплас (1749-1827). Наполеон Бонапарт дал Лапла­су должность министра, звание графа и орден Почетного Легиона.

По Лапласу, Земля произошла не из холодных твердых частиц, кото­рые, по утверждению Канта, вскоре разогрелись, а из раскаленных газов. Впоследствии об их гипотезах стали говорить как о единой «гипотезе Канта - Лапласа». Эта гипотеза внесла в Геологию представление о Земле как о планете, разогретой на начальном этапе своей эволюции и впослед­ствии подвергшейся медленному охлаждению.

Согласно гипотезе Канта - Лапласа, внутри остывающей Земли сохранились запасы тепла, связанные с ее происхождением. Но открытие через сто лет после выхода в свет работы Лапласа явления естественной радиоактивности побудило ученых пересмотреть вопрос о главных источниках земного тепла.

В 1903 г. П. Кюри установил, что соли радия постоянно выделяют значительное количество тепла. 1 г радия в течение 1 часа выделяет 140 калорий тепла (I кал = 4,1868 Дж). При полном распаде 1 г радия до свинца (это длится 20000 лет) выделяется 3 млн. калорий тепла.

Э. Резерфорд и Ф. Содди также обнаружили, что огромное количество энергии выделяется в процессе излучения радиоактивными веществами альфа-частиц (ядро атома гелия, содержащее 2 протона и 2 нейтрона), от­крытых Резерфордом в 1899 г.

В 1903 г. английский геолог Джон Джоли впервые указал на то, что радиоактивные элементы могут быть источником земной теплоты. В 1904 г. и Э. Резерфорд высказался за то, что Землю нельзя рассматривать как ос­тывающее тело, этому противоречит выделение огромного количества энергии при распаде содержащихся в недрах радиоактивных элементов.

Английский физик Джон Уильям Стретт (известный как барон Рэлей) доказал, что выделяемое при радиоактивном распаде огромное количест­во тепла достаточно для объяснения всех явлений, связывавшихся с су­ществованием космической теплоты планеты.

С открытием радиогенного источника тепла внутри Земли космогоническая гипотеза Канта-Лапласа потерпела крах. Ее сменили представле­ния об образовании Земли путем холодной аккреции (лат. «аккрецио» - приращение) из газово-пылевого облака и последующего постепенного ра­зогрева земного вещества. Эту гипотезу в середине XX в. выдвинул, в ча­стности, советский академик О.Ю. Шмидт. Но в последние годы в ней об­наружены существенные космогонические и геологические противоречия.

 

Изостазия

 

На рубеже XV-XVI вв. Леонардо да Винчи указал на существование равновесия между массой Земли и поднятиями (или опусканиями) земной поверхности. Он писал: «Суша нашего полушария поднялась настолько выше обычного, насколько она облегчилась от воды, ушедшей от нее по лощине Кальпе и Абила».

Это стремление земной коры к достижению гидростатического равно­весия американский геолог Деттон в 1892 г, назвал «изостазией» (1реч. «исос» - равный, «стасис» - состояние).

Экспериментально явление изостазии было обнаружено раньше. В 1855 г. английский ученый Дж. Пратт пытался измерить с помощью отвеса силу тяжести в Гималаях. Отвес - простейший гравиметрический прибор - состоит из груза, подвешенного на тонкой гибкой нити. Под действием си­лы тяжести груза нить принимает вертикальное направление. Дж. Пратт считал, что обладающий огромной массой горный массив вызовет значи­тельное отклонение отвеса в свою сторону. Но фактическое отклонение отвеса оказалось более чем в пять раз меньше ожидаемого расчетного.

В связи с этим Дж. Пратт предположил, что земная кора разделена на «глыбы» различной плотности. И высота «глыб» обратно пропорциональна их плотности. То есть, чем плотнее «глыба» земной коры, тем она ниже. Это уравновешивает «глыбы» на подкоровом мантийном субстрате (рис. 35).

 

 

Рис. 35 Схема изостатического равновесия земной коры:

 а – по Дж. Эри; б – по Дж. Пратту.

 

В том же году английский астроном Дж. Эри дал иное объяснение гималайскому феномену. По Дж. Эри, Гималаи сложены менее плотными породами, чем подкоровое вещество. В условиях длительного давления со стороны горного массива плотные породы мантии приобретают свойства жидкости. Благодаря этому «корни» Гималаев погрузились в мантию (рис. 16).

Изучение сейсмограмм землетрясений позволило установить, что зем­ная кора толще всего там, где вздымаются высокие горные хребты. Это принимается за подтверждение того, что горы имеют «корни», уходящие в глубь мантии. Чем выше гора, тем глубже погружаются ее «корни» в мантию. Поэтому горные массивы не имеют избытка массы по сравнению с соседними участками коры. Поэтому и не отклонился отвес в сторону Гималаев в опыте Дж. Пратта.

Но, если земная кора становится тоньше (например, в результате эро­зии горных массивов или таяния покровов льда), в действие вступает ме­ханизм изостазии - компенсационного поднятия соответствующего уча­стка коры.

Отмеченное Леонардо да Винчи стремление земной коры к состоянию изостатического (гравитационного) равновесия подтверждается рядом примеров. Так, в Скандинавии во время оледенения в антропогеновый пе­риод земная кора 1грогнулась под тяжестью льда. Но когда лед растаял, она начала подниматься. Остатки последнего ледникового покрова рас­таяли около 8 тыс. лет назад. А поднятие продолжается и в наши дни. Земная кора там еще стремится к достижению равновесия и продолжает «всплывать» со скоростью 1 см в год.

Ныне явление изостазии объясняется погружением блоков твердой литосферы в размягченную астеносферу.

В 1899 г. немецкий геолог А. Пенк задайся вопросом, могут ли когда-нибудь на Земле прекратиться процессы изостазии? И ответил, что это возможно в том случае, если конечным состоянием земной поверхности будет ее выравнивание в результате эрозии.

 

Геосинклинали

 

Глядя на величественные горные цепи, простирающиеся на сотни и тысячи километров, невольно задумываешься об их происхождении.

Геологи давно обратили внимание на то, что в горно-складчатых об­ластях толщина (мощность) смятых в складки осадочных толщ во много раз больше, чем в соседних областях с горизонтальным залеганием пла­стов.

Б 30-е - 50-е гг. XIX в. была высказана мысль, что возникновение мощных, смятых в складки осадочных толщ обусловлено глубоким про­гибанием земной коры и последующим их поднятием.

В 1873 г. американский ученый Джемс Дэна ввел термин «геосинкли­наль» (греч. «ге» - земля, «син» - вместе, «клино» - наклоняю). Так он на­зывал заполненные мощными осадочными толщами удлиненные проги­бы, длительное время прогибавшиеся под тяжестью накапливающихся осадков. Затем боковое сжатие привело к смятию слоев и выжиманию их в виде горных возвышенностей.

В последующем под «геосинклиналью» стали понимать высоко под­вижную зону земной коры, характеризующуюся проявлением интенсив­ных тектонических деформаций и магматизма. В ее развитии выделяются две стадии. На первой, собственно геосинклинальной, преобладают по­гружение и накопление мощных толщ осадков. Затем (орогенная стадия) под воздействием бокового сжатия следует поднятие и горообразование. В итоге геосинклиналь превращается в горно-складчатую структуру.

Австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831-1914) опубликовал в 1883-1909 гг. фундаментальный трехтомный труд «Лик Земли». Подобного ему, по словам русского академика В. А. Обручева, «не было и нет в лите­ратуре о нашей планете». А академик В.И. Вернадский назвал этот труд Зюсса «первым крупным синтезом» в геологии. Зюсс обобщил все геоло­гические сведения, накопленные к концу XIX в. Кроме «неустойчивых» участков, он выделял в земной коре и «устойчивые». К первым Зюсс от­носил складчатые зоны, или орогены (грсч. «орос» — гора, «генесис» -происхождение). Ко вторым - «платформы».

Платформы (фр. «плат» - плоский, лат. «форма» - форма) – это крупные, относительно устойчивые блоки континентальной земной коры. Они характеризуются плоским рельефом, малой тектонической и магматиче­ской активностью. Платформы ограничены по краям складчатыми гор­ными поясами.

Участки платформ, имеющие двухъярусное строение, называются «плитами». Верхний ярус плит - платформенный чехол сложен преиму­щественно осадочными толщами и залегает несогласно на интенсивно деформированном и метаморфизованном складчатом фундаменте.

Начальная стадия развития платформ прежде называлась «геосинкли­нальной». Учение о геосинклиналях прослужило Геологии более ста лет -до 80-х годов XX в. и внесло огромный вклад в развитие наук о Земле. Но после уникальных открытий в области геологии океанского дна геосинк­линальная гипотеза подверглась резкой критике со стороны неомобилизма. Современная концепция тектоники плит объясняет происхождение горно-складчатых систем с иных, чем прежде, позиций.

И из привычной триады «геосинклиналь - складчатая система (ороген) -платформа» выпал ее исходный, еще недавно «классический» элемент.

 

Сжатие или расширение?

 

В 1829-1852 гг. французский геолог Жан Батист Арман Луи Леонс Эли де Бомон (1798-1874) разработал «контракционную» (лат. «контракцио» - стяжение) гипотезу. Он опирался на космогоническую гипотезу Канта-Лаплас а и объяснял возникновение горно-складчатых цепей, океанических впадин и разрывных нарушений земной коры действием сил контракции (стяжения). По Эли де Бомону, охлаждение Земли приводит к уменьшению объема ее внутренней части и образованию земной коры. Последняя, приспосабливаясь к сокращающемуся объему подкоровой части Земли, обрушалась, оседала и коробилась.

Боковое (горизонтальное) давление приводило к выдавливанию скла­док в виде вытянутых горных цепей. При этом возникали многочислен­ные трещины, через которые на поверхность Земли изливалась расплав­ленная магма.

В качестве примера, иллюстрирующего суть контракционной гипоте­зы, нередко проводят аналогию с усыхающим яблоком. Его поверхность покрывается морщинами и бороздами.

Гипотеза Эли де Бомона стала на долгие годы общей теорией Земли. Однако крах гипотезы Канта - Лапласа вызвал кризис и контракционной гипотезы. Ее отвергают, прежде всего, сторонники гипотезы расширяю­щейся Земли.

Возможность расширения Земли допускалась учеными XVIII в. В 1933 г. идею быстрого расширения Земли выдвинул Хильберг. Позднее ее разра­батывали И.В. Кириллов (1949 г.) в России и Л. Эдьед (1956 г.) в Венгрии.

Приверженцы этой идеи считают, что первоначально объем земного шара и поверхность Земли были намного меньшими, чем сейчас. Радиус составлял 3500-4000 км. Океанов еще не существовало, и материковая кора в тот период покрывала сплошной оболочкой весь земной шар. Рас­ширение началось с растрескивания коры, наметившего контуры совре­менных континентов. По мере расширения Земли, континенты все дальше отодвигались друг от друга. Между ними появились океаны.

По мнению одних сторонников гипотезы, расширение Земли началось с конца палеозойской эры. Ее радиус увеличивался со средней скоростью 0,6 мм в год. Другие считают, что это произошло в меловом периоде.

Причины, вызвавшие расширение Земли, объясняются по-разному. Одни связывают их с уменьшением во времени гравитационной постоян­ной и, следовательно, силы тяжести. Другие видят основную причину возрастания массы Земли в разуплотнении земного вещества, перехода его от более плотных фаз к менее плотным. Существует мнение, что средняя плотность Земли до расширения достигала 15,5 г/см3, а ускорение силы тяжести на поверхности Земли вдвое превышало современное. Воз­можно, в ядре плотность вещества соответствует первоначальным давле­ниям. И поэтому в недрах Земли непрерывно происходит процесс разуп­лотнения вещества с увеличением его объема.

Противники гипотезы указывают на то, что на Земле преобладает меридиональная ориентация срединно-океанических хребтов. Следовательно, в рифтовых трещинах океанская кора нарастает в широтном направ­лении быстрее, чем в меридиональном. Поэтому расширение Земли должно происходить с разной скоростью в разных направлениях. Но в этом случае Земля потеряет свою сферическую форму. С другой стороны, на Земле широко развиты складчатые деформации и надвиги. Согласно контракционной гипотезе, они возникают и обстановке сжатия.

 

Дрейф материков

 

Ученые давно обратили внимание на совпадение очертаний противоположных берегов Атлантического океана. Одним из первых это отметал в начале XVII в. английский философ Френсис Бэкон.

В XVIII в. немецкий теолог - комментатор Библии Т. Лилиенталь утверждал, что до Великого потопа существовал единый материк. Это подтверждается подобием очертаний противоположных берегов многих континентов, отделенных друг от друга морскими просторами. После потопа единый материк раздробился.

В середине XIX в. итальянский ученый Антонио Снидер (Пеллегрини) высказал идею, что в прошлом Северная Америка составляла единое це­лое с Европой. Он основывался на сходстве ископаемых растений в пластах каменного угля Северной Америки и Европы.

В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Лотар Вегенер обнародовал гипотезу горизонтального дрейфа материков. Он считал, что поверхность Земли первоначально была покрыта сплошным тонким гранитным слоем. В палеозойскую эру весь гранитный слой собрался в единый праматсрик Пангея (греч. «пан» - всеобщий, «ге» - земля). К концу каменноугольного периода этот суперконтинент начал раскалываться. А с юрского периода отдельные его крупные глыбы - континенты стали отплывать друг от друга.

На гипсографической кривой земного шара (см. рис. 1) поверхность континентов и океанского дна представляется в качестве различных сту­пеней в рельефе Земли. Это привело Вегенера к выводу об отсутствии гранитного слоя в составе океанской коры. Породы гранитного слоя име­ют меньшую плотность, чем породы базальтового слоя. Опираясь на ги­потезу изостазии, А. Вегенер предположил, что континенты, словно айс­берги, «плавают» на подстилающей их твердо-вязкой базальтовой «посте­ли» и сдвигаются на запал и к экватору. Причиной этого могло явиться воздействие приливных сил, связанных с притяжением Солнца и Луны и действующих на земной поверхности с востока на запад, и центробежных сил, вызванных вращением Земли и направленных от полюсов к экватору.

После отделения Америки от Европы и Африки в промежутке между ними возник Атлантический океан. В результате перемещения Антарктиды к югу, Австралия к юго-востоку, а Индостана к северо-востоку между ними образовался Индийский океан. Согласно гипотезе Вегенера, Атлан­тический и Индийский океаны являются вторичными, а Тихий океан рас­сматривается как остаток первичного океана, площадь которого последо­вательно уменьшалась в результате надвигания на него со всех сторон ма­териков.

По А. Вегенеру, материки Южного полушария первоначально входили в состав Гондваны. Русский геолог B.C. Васильев (1925 г.) и южноафри­канский геолог Алекс Дю Тойт (1937 г.) допускали существование в докембрийское время не одного праматерика «Пангеи», а двух самостоя­тельных суперматериков. Один из них - «Лавразия» располагался в Се­верном полушарии, другой - «Гондвана» - в Южном. Начиная с позднего палеозоя, они были разделены широтным морским бассейном, которому еще Э. Зюсс дал имя «Тетис».

В 1910 г. американский ученый Ф. Тейлор высказал идею, что Альпийско-Гималайский складчатый пояс образовался вследствие столкнове­ния континентов. А. Вегенер использовал эту идею. Он считал, что пе­редние края дрейфующих «гранитных» материков испытывали на своем пути сопротивление нижнего «базальтового» слоя. Это приводило к смя­тию «гранитного слоя» в складки. Таким образом, например, образова­лись Кордильеры и Анды вдоль переднего края Северной и Южной Аме­рики. Гималаи возникли вследствие надвигания Индостана с юга на Азию. Ново-Гвинейские горы сформировались на переднем крае Австра­лии при се продвижении на восток. Некоторые островные дуги - Алеут­ская, Курильская, Японская, Индонезийская и др. - рассматриваются Вегенером как отставшие обломки материков.

Гипотеза дрейфа материков была популярна среди геологов в 20-е -30-е гг. После гибели Вегенера в 1930 г. во время экспедиции в Гренлан­дии она била предана забвению.

 

Тектоника плит

 

Одним из центров оппозиции гипотезе дрейфа материков в первой трети XX в. являлись США. Но в 60-е гг. именно в США возродились идеи неомобилизма. Научный мир стал на новой фактографической осно­ве широко обсуждать гипотезу движения литосферных плит. Неомобилизм выступил под названием «глобальная тектоника», или «тектоника плит».

Что же послужило основанием для возрождения идей мобилизма? Прежде всего, это открытие пластичной астеносферы в верхней мантии, а также открытия в области геологии океанов.

На океанском дне с помощью эхолотов и сейсмических волн были выявлены глубоководные желоба, срединно-океанические хребты и секущие их продольные центральные рифтовые расселины. По обе стороны от срединно-океанических хребтов были обнаружены параллельные им по­лосовые магнитные аномалии (рис. 36).

 

 

Рис 36. Полосовые магнитные аномалии под хребтом Рейкьянес

 

Результаты палеомагнитных исследований, глубоководного бурения, непосредственных наблюдений в океанах с подводных спускаемых аппа­ратов позволили разработать ряд новых гипотез. Это - гипотезы раздви­гания океанского дна, дрейфа литосфер и их плит, погружения их в ман­тию в области глубоководных желобов и др. В совокупности они состави­ли концепцию «глобальной тектоники», или «тектоники плит».

В 1961-1962 гг. геолог Принстонского университета (США) Гарри Хесс выдвинул оригинальную идею, возродившую интерес к мобилизму. В небольшом сочинении «Эволюция бассейнов океанов» Г. Хесс доказы­вал, что в рифтовых трещинах срединно-океанических хребтов образуется новая литосфера. Сюда из астеносферы периодически проникают базаль­товые лавы. На это указывают, в частности, высокий тепловой поток и вулканизм, приуроченные к осевым зонам срединных хребтов. Изливаясь через рифтовые трещины, базальтовые лавы остывают и образуют по обе стороны от срединно-океанических хребтов новый слой океанской коры.

В самой рифтовой трещине каждая новая порция лавы, остывая и твердея, раздвигает в противоположные стороны примыкающие плиты литосферы. Благодаря этому вновь образованная за пределами рифта оке­анская кора отодвигается от срединно-океанических хребтов, подобно ог­ромному конвейеру. Подобное раздвигание жестких литосферных плит в области срединно-океанических хребтов называется «спредингом» (англ. «spreading» - растягивание, расширение).

Гипотезу А. Вегенера критиковали за то, что она предполагала скольжение твердого гранитного слоя по твердому и более плотному базальтовому слою. В новой концепции это противоречие устранено. В 1965 г. ка­надский ученый Дж. Тюзо Уилсон предположил, что несколько гигант­ских жестких плит литосферы плавают по поверхности размягченной ас­теносферы.

Идеи Г. Хесса получили широкое признание. Этому содействовала выдвинутая в 1963 г. геофизиками из Кембриджского университета Фре­дом Вайном и Драммондом Мэтъюзом гипотеза соответствия полосовых магнитных аномалий (см. рис. 36) раздвигам океанского дна. Эти анома­лии имеют переменную полярность, что принимается за свидетельство импульсивного раздвижения коры от оси срединных хребтов. С помощью полосовых магнитных аномалий вычислены скорости разрастания океан­ского дна для последних 4,5-5 млн. лет. Эти данные экстраполировали на отрезок геологического времени в 200 млн. лет.

Крупные плиты литосферы - это Тихоокеанская, Евроазиатская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Индо-Австралийская, Антарктическая. В некоторые литосферные плиты «впаяны» материки. Сторонники концепции тектоники плит утверждают, что в течение последних 80 млн лет сформировалось почти 2/3 поверхности океан­ского дна.

Подсчитано, что в зонах спрединга вдоль осей срединно-океанических хребтов ежегодно рождается около 2,6 км поверхности новой океанской литосферы. Это должно было бы вызвать расширение Земли. Но неомобилисты считают, что плита молодой океанской литосферы, двигаясь от срединно-океанических хребтов в сторону глубоководных желобов, по­гружается там в мантию под углом 45° на глубину до 700 км. Этот про­цесс называется «субдукцией» (англ. «subduction» - подныривание).

Там, где сближаются краевые части двух континентов, входящих в со­став литосферных плит, происходит их сталкивание, наползание друг на друга и наращивание континентальной литосферы. Неомобилисты утвер­ждают, что это является причиной образования молодых складчатых гор.

Столкновением континентальных масс в области океана Тетис, разделившего Лавразию и Гондвану, объясняется возникновение Альпийско-Гималайского складчатого пояса. В частности, образование Гималаев свя­зывают со столкновением отколовшейся от Африки и движущейся на се­веро-восток Индостанской плиты с Азиатской плитой. Индостанская пли­та погрузилась под Азиатскую. Благодаря этому здесь возникла область сдвоенной толщины литосферы. Происхождение молодой горно-складчатой цепи Перуанских Анд, а также Каскадных и Скалистых гор представляется следствием одностороннего давления с запада океанской коры на Южно-Американский материк.

Границами плит являются рифты срединно-океанических хребтов, глубинные разломы, глубоководные желоба и молодые складчатые горы по окраинам континентов. Океанские края расходящихся плит разбиты многочисленными трещинами, ориентированными в направлении движе­ния. Эти зоны дробления называются «трансформными разломами».

На границах мобильных литосферных плит наблюдается сгущение очагов землетрясений. Это принимается за свидетельство того, что здесь накапливаются напряжения и происходит смещение одной плиты относи­тельно другой.

В начале 60-х гг. были получены новые данные о палеомагнетизме и магнитных свойствах пород океанского дна. В частности, образцы пород, взятые из одновозрастных отложений одного и того же континента, ука­зывали сходное направление на древний магнитный полюс. А образцы разного возраста - давали значительное расхождение. Оно было тем больше, чем большим был возраст исследуемых отложений. Ученые ус­тановили изменение со временем положения Северного полюса, начиная с позднего докембрия. Они сместили материки таким образом, чтобы магнитные полюсы, определенные для позднепалеозойской эпохи по раз­ным континентам, совпали. В результате материки вплотную приблизи­лись друг к другу и образовали контуры Пангеи - гипотетической суши Вегенера.

Дрейф литосферных плит подкрепляется рядом наблюдений. Так, измерения методами космической геодезии на разных материках подтвер­ждают перемещение литосферных плит со скоростью до десятков санти­метров в год. За миллионы лет даже такое медленное постоянное продви­жение в одном направлении может иметь заметные конечные результаты. На географической карте мира, составленной через 50 млн. лет, Австралия может располагаться намного севернее своего нынешнего положения, Атлантический и Индийский океаны разрастутся. Средиземное море со­жмется. А Калифорния, оторвавшись от Американского материка, отплы­вет на северо-запад.

Концепция тектоники плит увязала многие глобальные геологические факты и благодаря этому обрела широкое признание среди геологов. Од­нако, описывая лишь кинематически процессы, происходящие в верхних оболочках Земли, она не называет достоверно движущие силы этого про­цесса.

 

Парадигма XXI века

 

Наиболее популярная в научном мире гипотеза называется «пара­дигмой» (греч. «парадеигма» - пример, образец). За 200-летнюю историю Геологии в ней сменилось немало глобальных концепций - парадигм сво­его времени. Таковой, например, во второй половине ХIХ-начале XX в. была контракционная гипотеза, согласно которой Земля по мере ее охла­ждения, «коробясь», уменьшалась в объеме. «Эпохальной» называют геосинклинальную гипотезу, более ста лет успешно служившую Геологии. С 30-х гг. XX в. господствовала концепция «фиксизма», Признавая верти­кальные движения земной коры ведущими, «фиксисты» утверждают, что взаимное расположение материков сохранялось неизменным (фиксиро­ванным) в течение всей геологической истории Земли. Океаны образова­лись на месте участков континентов, опустившихся вдоль глубинных раз­ломов. Так, Эдуард Зюсс в своем классическом труде «Лик Земли» писал, что современный Атлантический океан возник в результате опускания ог­ромного участка Гондваны. Другое крупное опускание земной коры при­вело, по Зюссу, к образованию Индийского океана.

Последние три десятилетия парадигмой современной Геологии явля­лась концепция тектоники литосферных плит. Но и у нее было немало критиков.

В 1986 г. японский ученый Акихо Миясуро писал в книге «Развитие идей и методов в Геологии» следующее: «В начале 1970-х годов новые революционные представления в геологии и геофизике, основанные на тектонике плит, породили в умах некоторых людей иллюзии, что почти все крупные проблемы эгид наук уже решены или находятся на пороге своего решения. Однако это было не так. За десятилетие, прошедшее по­сле появления новых теорий... система геологических взглядов, основан­ная на тектонике плит, постепенно потеряла свою первоначальную про­стоту и стала все более и более усложняться».

Строгих оппонентов имеет гипотеза тектоники плит и среди россий­ских геологов. Например, ленинградский ученый Я.А. Драновский отме­тил в 1987 г., что спустя четверть столетия многие теоретические поло­жения неомобилизма так и не получили сколько-нибудь серьезного подтверждения. По его мнению, гипотеза тектоники плит, «несмотря на ог­ромное число публикаций в ее поддержку, все еще не выглядит вполне доказанной и подтвержденной геологическими фактами».

Ныне в Геологии утверждается мнение, что на смену гипотезе текто­ники плит должна придти новая, более общая теория Земли. По мнению академика В.Е. Хаина, «момент очередной смены парадигм уже наступил или, во всяком случае, наступает» («Природа», 1/1995, с. 44). В.Е. Хаин имеет в виду оригинальный вариант новой геодинамической модели Зем­ли, предложенный С. Маруяма, М. Кумадзава и С. Каваками. Они изложили его в статьях «К новой парадигме динамики Земли» и «Глобальная текто­ника», опубликованных в 1994 г. в 100-м томе журнала Японского геоло­гического общества.

Японские ученые выделяют в развитии Земли три этапа: 1) рост ядра, 2) начало процессов плюмтектоники, 3) начало процессов плитотектоники.

1.       Рост ядра.

Земля возникла в результате аккреционного (лат. «аккрецио» - прира­щение) захвата частиц протопланетного газово-пылевого облака. В опре­деленный момент она достигла размеров, достаточных для удерживания первичной атмосферы, образованной газами, выделившимися из земных недр. Соударения мелких тел и частиц обусловили выделение гравитаци­онной энергии и разогрев Земли.

Разогревание недр привело к образованию магматического океана и концентрации в центре планеты расплавленного железного ядра. Железо вытесняло в мантию менее плотный протопланетный (хондритовый) ма­териал.

Под влиянием охлаждения и возрастания давления осаждались железо-никелевые кристаллы, сформировавшие внутреннее ядро. Процесс раз­растания твердого, железо-никелевого внутреннего ядра за счет жидкого внешнего назван «тектоникой роста».

2.      Начало процессов плюмтектоники.

На самой ранней стадии эволюции Земли в магматическом океане преобладала турбулентная (лат. «турбулентус» - беспорядочный) конвекция. Постепенно она стала более упорядоченной. Появились колонны восходящего (от ядра) разогретого вещества и нисходящего (к ядру) ох­лажденного вещества. Началось проявление плюмтектоники (англ. «plume» - струйка), или «тектоники мантийных струй». Областью прояв­ления плюмтектоники является нижняя мантия. Таким образом, начиная с рубежа 4,6 млрд. лет назад, развитие Земли шло от тектоники роста ядра к плюмтектонике в нижней мантии.

Первоначально (примерно до 4 млрд. лет назад) из-за отсутствия литосферы плюмтектоника господствовала во всем объеме земного шара от границы ядра до поверхности Земли. С замедлением процесса аккреции и роста массы Земли излучение ею тепла в космическое пространство стало превышать аккреционный разогрев. Начавшееся вследствие этого охлаж­дение магматического океана привело к образованию двух оболочек. Верхняя - базальтовая оболочка дала начало литосфере. Нижняя оболочка (на глубине 400-700 км), обогащенная магнием и железом и состоящая из минералов оливина и пироксена, соответствует верхней мантии.

3. Начало процессов плитотектоники.

Эволюция Земли шла от тектоники роста ядра к плюмтектонике в нижней мантии и через нее - к господству тектоники плит в земной коре и верхней мантии.

Действие механизма плитотектоники началось, возможно, уже в нача­ле архея 3,9 млрд. лет назад, когда появилась литосфера. В архее молодые литосферные плиты были более тонкими и менее жесткими, чем совре­менные. Они быстрее погружались в мантию, но проникали на относи­тельно небольшую глубину.

Механизм тектоники плит объясняется японскими учеными следую­щим образом.

Холодные литосферные плиты погружаются в зонах субдукции снача­ла до границы верхней и нижней мантии (670 км). Здесь они в течение 100-400 млн. лет находятся в состоянии неподвижности. В определенный момент в результате катастрофически быстрого сжатия вещества под дей­ствием гравитационных сил наступает гравитационный коллапс (лат. «коллапсус» -упавший). Следствием его является дальнейшее погружение литосферных плит - уже до границы мантии и ядра. Здесь холодные литосферные плиты охлаждают внешнее ядро. Возникающий при этом нис­ходящий вихрь уносит железо и никель во внутреннее ядро. Последнее за счет этого разрастается, На границе ядро - мантия возникает компенсаци­онное восходящее течение. Оно порождает «плюм» - струю, поднимаю­щуюся до границы нижней и верхней мантии. Здесь горячий плюм, так же как и холодный плюм, испытывает задержку, а затем прорывается вверх.

По представлениям авторов концепции, в настоящее время в нижней мантии на определенном расстоянии друг от друга движутся навстречу один крупный нисходящий холодный суперплюмом (под Центральной Азией) и два восходящих суперплюма (под южной частью Тихого океана и Африкой). Циркуляция холодных и горячих «струй» (плюмов) в мантии индуцирует на поверхности Земли процессы плито-тектоники.

Такова предложенная японскими учеными новая концепция эволюции Земли. Примет ли ее научное сообщество в качестве парадигмы Геологии

XXI века? В.Е. Хаин оценивает ее так: «не слезет, однако, заключать, что японская модель вполне совершенна и не нуждается в дальнейшей доработке, а в будущем не претерпит существенных изменений, подобно тому, как это произошло с тектоникой плит. Уже сейчас можно указать на некоторые ее недоработки и пробелы. Главным из них представляется то обстоятельство, что Земля в рассмотренной модели трактуется, но суще­ству, как замкнутая система, в то время как в действительности она явля­ется открытой, непрерывно взаимодействующей с окружающим космо­сом» («Природа», 1/1995, с. 51).

Академик Ю.М. Пушаровский утверждает: «новая гипотеза вряд ли
станет новой парадигмой. Ее схема динамики и кинематики слишком уп­рощена, и это в первую очередь относится к процессам в мантии. Свести
их только к плюмтектонике - это то же самое, что центром всего сделать
плейттектонику» (Там же, с. 42).

История геологии знает немало примеров, когда однажды отвергнутые идеи и гипотезы возвращались через определенное время и находили все­общее признание. Например, проведенное в последние голы изучение ранних этапов формирования Луны и древнейших событий геологической истории Земли дало основание предполагать горячее состояние земной коры на ранних этапах ее существования. Именно этот вариант начальной стадии эволюции Земли используют и японские исследователи в своей концепции. Это возвращает нас к идеям И.Канта. После установления возможного столкновения 65 млн. лет назад Земли с астероидом, в резуль­тате которого вымерли динозавры, получили новое обоснование отверг­нутые ранее идеи катастрофизма.