Геологический торт

Вопрос о возрасте Земли — один из тех, ответ на который определяет мировоззрение. Именно поэтому он тысячелетиями волнует людей, а каждая попытка применить новый способ для получения ответа вызывает активное сопротивление консервативной части общества. Мы решили рассказать о том, как менялись эти представления — кто, когда и какими методами пытался высчитать возраст Земли. Сегодня мы предлагаем вам первую часть этого материала.

И до нашей эры, и в эпоху Средневековья не прекращались попытки каким-либо образом вычислить или измерить возраст Земли. Исходные посылки, на которых они основывались, зависели от господствовавших воззрений. Геродот опирался на скорость расширения дельты Нила, а христианские епископы ссылались на Библию. Так, эрудит, знаток семитских языков, архиепископ графства Арма в Северной Ирландии Джеймс Ашер во второй половине XVII века тщательно изучил генеалогии, календари и даты солнечных и лунных затмений и вычислил, что Земля была сотворена в девять часов утра 26 октября 4004 года до нашей эры. До Ашера были и многие другие, аналогичные по сути, но не столь точные расчеты.

Исследователям, которые обращали внимание на чрезвычайно медленные, по человеческим меркам, скорости протекания геологических процессов, и в первую очередь процессов осадконакопления, было тесно в рамках библейских шести тысяч лет. Попытки рассчитать возраст Земли на научной основе начались в XVII веке с «наведения порядка» в горных породах и слоях. Принципы, по которым этот порядок создавался, заложили основы и современной науки о слоях — стратиграфии — и методов определения относительного возраста геологических объектов.

Сложите по порядку

Уроженец Дании Нильс Стенсон, более известный под именем Николай Стено, во второй половине XVII века сформулировал закон, согласно которому последовательность залегания слоев отражает порядок их формирования: то, что лежит выше, образовалось после того, как образовалось то, что лежит ниже. Важное дополнение: этот закон верен, если мы имеем дело с так называемым ненарушенным залеганием, то есть с ситуацией, когда с момента своего формирования геологические тела не смещались под действием каких-либо сил. А это условие соблюдается далеко не всегда.

Для иллюстрации этого закона и ограничений, накладываемых на его использование, часто рекомендуют представить себе слоеный торт. Если он только что вышел из-под руки кондитера, то нам легко понять, в какой последовательности были изготовлены и уложены коржи и прослойки. И если мы знаем время, необходимое для приготовления каждого элемента, то можем определить, сколько времени заняло изготовление всего торта. Но если торт не добрался до праздничного стола, а был уронен нерадивым курьером где-нибудь на оживленном перекрестке, где по нему проехали машины и прошли десятки людей, то восстановить изначальное количество слоев и их последовательность уже совсем нелегко. Этот пример позволяет понять, какой сложности задачи зачастую приходится решать специалистам-стратиграфам.

Но представьте себе, насколько легче станет задача по реконструкции «пострадавшего» торта, если вы будете знать, что кондитер в каждый слой добавил определенную начинку и ни одну начинку не использовал дважды. По мнению жившего в XIX веке швейцарца Аманса Гресли, именно так действовала природа. Геологические слои промаркированы наличием в них остатков определенных живых организмов, и, сопоставляя эти остатки, можно выделить одновозрастные слои. Подход, предложенный Гресли, лег в основу биостратиграфического метода определения возраста горных пород. Для этого метода неважно, сколько раз слой был сдвинут, изогнут или перевернут, лишь бы органические остатки, первоначально содержавшиеся в этом слое, остались в состоянии, позволяющем их идентифицировать.

Но органические остатки могут сослужить геологам и еще одну службу. Английский землемер-самоучка, а позже горный инженер Уильям Смит еще раньше Гресли заметил, что в одних и тех же слоях обнаруживаются остатки одних и тех же организмов, и догадался, что по этому признаку слои можно прослеживать на больших расстояниях. Это наблюдение позволило составлять геологические карты, причем первая такая карта Англии была составлена самим Смитом, который исходил всю страну пешком и сумел, по оценке Чарльза Лайеля, «привести в стройную систему весь сложный ряд британских горных пород». Благодаря работе Смита стало известно общее количество слоев, формирующих наблюдаемую часть острова Британия, и можно было попытаться подсчитать, сколько же лет могло потребоваться для их отложения.

Но чтобы произвести такой подсчет, пришлось сформулировать еще один тезис, известный сегодня как принцип актуализма. Сделал это упомянутый английский естествоиспытатель Лайель, за что и вошел в историю как основоположник современной геологии. Принцип актуализма постулирует, что если в настоящее время какое-то явление имеет определенное следствие, то и раньше при таких же условиях это явление вызывало такое же следствие. Например, сегодня прямыми измерениями установлено, что скорость накопления осадков в заливаемых поймах рек Тигр и Евфрат составляет 0,1 сантиметра в год. Поскольку скорость осаждения взвешенных частиц из потока воды определяется законами гидродинамики, то нам следует считать, что и на заре истории Земли в аналогичных поймах скорость осаждения составляла те же 0,1 сантиметра в год. 

После того как был сформулирован принцип актуализма, геологи оказались оснащены достаточным аппаратом для того, чтобы оценить, сколько же времени затратила природа на формирование тех слоев, которые мы наблюдаем. Эту оценку произвел сам Чарльз Лайель. Полученное им значение в сотни миллионов лет выглядело ошеломляюще большим по сравнению с шестью тысячами лет, упомянутыми в Библии.  

Однако Лайель был не первым ученым, существенно раздвинувшим, по сравнению с библейскими рамками, временные границы существования Земли. Французский геолог и дипломат Бенуа де Майе, обнаружив, что в слоях, слагающих вершины гор, обнаруживаются остатки морских организмов, предположил, что изначально вся Земля была покрыта морем. В его распоряжении были наблюдения о скорости отступления моря в некоторых портах, в том числе Акре, Карфагене и Александрии. Опираясь на эту скорость (около 8 сантиметров в год) и на высоту гор, де Майе рассчитал время, необходимое на осушение Земли до ее современного состояния, и получил значение около 2,4 миллиарда лет. И хотя мы знаем сегодня, что исходные посылки де Майе были неверны, а попадание в правильный, с позиций современной науки, порядок значений возраста Земли объясняется случайностью, его результат имел большое психологическое значение. К большим цифрам необходимо привыкнуть.

Закон Стено, закон Гексли и принцип актуализма — вот три кита современных стратиграфии и относительной геохронологии. На этих фундаментальных принципах основаны практически все современные методы и приемы составления геологических карт, реконструкции последовательности формирования горных пород в том или ином месте и сопоставления этой последовательности для разных мест и даже для разных континентов. Совместными усилиями была реконструирована общая для всей Земли последовательность накопления слоев и установлена характерная (геологи и палеонтологи говорят «руководящая») фауна, та самая «начинка» из органических остатков, которая уникальна для слоев, сформировавшихся в определенные периоды истории Земли, и более уже никогда не повторившаяся. (Подробнее про биостратиграфический метод рассказано в первой части нашей статьи «Человек приходит как хозяин»).

Результатом этих усилий стало создание во второй половине XIX века геохронологической шкалы — сводной таблицы, отражающей последовательность образования отложений, наблюдаемых на Земле. Необходимо подчеркнуть, что геохронологическая шкала основана на принципах именно относительной геохронологии и оперирует понятиями «раньше», «позже» и «одновременно». И хотя геохронологическая шкала постоянно уточняется, сам факт ее создания стал важным шагом в развитии геологии.

Однако наведение порядка, или стратиграфический подход, — только один из возможных способов определения возраста Земли. Например, Эдмунд Галлей пытался рассчитать длительность существования нашей планеты по скорости вымывания солей из горных пород и накопления их в Мировом океане. Но наибольшее влияние на мнение, даже на мировоззрение ученых произвели расчеты внутренних энергетических ресурсов Земли, произведенные Уильямом Томпсоном — лордом Кельвином.

Хватит ли «подземного жара»?

Кельвин не был первым. За двести лет до него идею о внутренней эволюции Земли высказал Рене Декарт. Но в идее Декарта было много общих рассуждений и мало геологических наблюдений. Шотландский натуралист Джон Хаттон в середине XVIII века именно геологическими наблюдениями обосновал идею процессов, инициируемых тепловой энергией Земли («подземным жаром»). Эти идеи впоследствии послужили отправной точкой для подсчета возраста Земли по скорости ее остывания. Первые оценки возраста Земли, основанные на энергетическом балансе, были сделаны также в середине XVIII века французским натуралистом Жорж-Луи Бюффоном, который измерял скорость остывания чугунных шаров и пришел к выводу, что Земля должна была образоваться 74,8 тысячи лет назад. Как пишет Хеллман Хал в замечательной книге «Великие противостояния в науке. Десять самых захватывающих диспутов»: «Важнее, чем само число <…> и даже важнее, чем противоречивый характер таких результатов, было предположение, что природа рациональна и раскроет свои секреты тем, кто научится читать и понимать ее язык».

По сравнению с подходом Бюффона рассуждения Кельвина были революционными. Кельвин был уверен, что можно выяснить максимально возможный возраст Земли, пользуясь тремя ограничителями: запасами солнечного тепла, историей остывания Земли и потерями энергии в результате приливного трения в теле Земли. Он рассуждал так: Солнце интенсивно излучает энергию, и нет источника, чтобы ее пополнять, значит, время существования Солнца ограничено запасами его энергии, а раз источником энергии для процессов формирования земных слоев служит энергия, получаемая от Солнца, то длительность существования Земли никак не может быть больше возможной длительности жизни Солнца. Далее Кельвин считал, что источником энергии Солнца является сила гравитационного сжатия и что, по его расчетам, этой энергии могло хватить максимум на несколько сотен миллионов лет.

Независимо от Кельвина, примерно в то же время к близким выводам пришел и немецкий физик Герман Гельмгольц. Гельмгольц утверждал, что если бы Солнце горело так же, как горит уголь, то прогорело бы всего за полторы тысячи лет, но если тепло Солнца вырабатывается вследствие гравитационного сжатия, то гореть оно может аж полтора миллиона лет.

Кельвин не ограничился одной только оценкой максимально возможной длительности горения Солнца. Логично предположив, что если Земля непрерывно остывает, то чем глубже мы спускаемся под ее поверхность, тем там должно быть теплее, он собрал данные о температуре в шахтах разной глубины. В результате Кельвин вычислил, что в среднем температура Земли увеличивается на 1 градус по шкале Фаренгейта на каждые 100 футов глубины (что соответствует изменению температуры на 1 градус Цельсия на каждые 17 метров). Зная, что горячие тела сначала остывают очень быстро, после чего скорость их остывания снижается по экспоненте, Кельвин оценил период, за который Земля могла остыть до своего сегодняшнего состояния, если изначально она имела ту же температуру, что и Солнце. Полученные оценки лежали в интервале от 20 миллионов до 400 миллионов лет. Такой большой разброс связан с неточностью исходных данных и показывает, с какой осторожностью великий физик подходил к расчетам.

Кельвин использовал и третью возможность оценить максимально возможный возраст Земли. Его исходной посылкой стало замедление скорости вращения Земли вследствие приливного трения. Кельвин рассчитал меридианы, на которых в прошлом должны были наблюдаться полные солнечные затмения, если бы скорость вращения Земли была постоянной, а потом сравнил вычисленные меридианы с данными астрономических наблюдений и установил величину снижения скорости вращения Земли. Поскольку приливные эффекты проявляются в текучем веществе, Кельвин определил время, за которое Земля должна была затвердеть, и получил значение в 100 миллионов лет. Этот результат и был объявлен им в 1868 году в Глазго на заседании английского Геологического общества.

Как пишет Уильям Керри в книге «В поисках закономерностей развития Земли»: «Когда ученый знает ответ, веря, что он правильный, то ему кажется, что этот ответ является результатом, вытекающим из фактов». Так случилось и с расчетами Кельвина. Авторитет великого английского физика был столь высок, что большинство геологов верили его результатам и искали — и находили(!) — ошибки в своих собственных теориях. Например, Арчибальд Гейки, бывший в то время директором Геологической службы Шотландии, попытался увязать результаты оценок возраста Земли, полученных стратиграфическими методами, и результаты расчетов Кельвина, отказавшись от принципа актуализма. В 1871 году, обращаясь к геологическому обществу Шотландии, Гейки заявил, что скорость денудации (разрушения горных пород) в настоящее время ниже, чем была в прошлом, поэтому Земле вполне может быть 100 миллионов лет. Спустя 20 лет Гейки отказался и от идеи о сокращении скорости денудации и от ограничений на возраст Земли, наложенных расчетами Кельвина.

К концу XIX века магия чисел Кельвина ослабела, и все больше геологов стали считать, что возраст Земли превышает 100 и даже 500 миллионов лет, но не могли ни указать, в чем именно ошибся Кельвин, ни выдвинуть столь же убедительную теорию. Помощь пришла неожиданно и со стороны физиков, в том числе и учеников Кельвина. Об этом мы расскажем во второй части нашей статьи, а пока предлагаем посмотреть на историю определения возраста Земли, изображенную в виде инфографики.

Надежда Гусева

Продолжение следует