Геологічний торт

Питання про вік Землі - одне з тих, відповідь на яке визначає світогляд. Саме тому він тисячоліттями хвилює людей, а кожна спроба застосувати новий спосіб для отримання відповіді викликає активний опір консервативній частині суспільства. Ми вирішили розповісти про те, як змінювалися ці уявлення - хто, коли і якими методами намагався вирахувати вік Землі. Сьогодні ми пропонуємо вам першу частину цього матеріалу.

І до нашої ери, і в епоху Середньовіччя не припинялися спроби яким-небудь чином вирахувати або виміряти вік Землі. Вихідні посилки, на яких вони ґрунтувалися, залежали від панівних поглядів. Геродот спирався на швидкість розширення дельти Нілу, а християнські єпископи посилалися на Біблію. Так, ерудит, знавець семітських мов, архієпископ графства Арма в Північній Ірландії Джеймс Ашер у другій половині XVII століття ретельно вивчив генеалогії, календарі і дати сонячних і місячних затемнень і вирахував, що Земля була створена о дев'ятій годині ранку 26 жовтня 4004 року до нашої ери. До Ашера були і багато інших, аналогічних по суті, але не настільки точні розрахунки.

Дослідникам, які звертали увагу на надзвичайно повільні, за людськими мірками, швидкості протікання геологічних процесів, і насамперед процесів осадконакопичення, було тісно в рамках біблійних шести тисяч років. Спроби розрахувати вік Землі на науковій основі почалися в XVII столітті з «наведення порядку» в гірських породах і шарах. Принципи, за якими цей порядок створювався, заклали основи і сучасної науки про шари - стратиграфії - і методів визначення відносного віку геологічних об'єктів.

Складіть за порядком

Уродженець Данії Нільс Стенсон, більш відомий під ім'ям Микола Стено, у другій половині XVII століття сформулював закон, згідно з яким послідовність залягання шарів відображає порядок їх формування: те, що лежить вище, утворилося після того, як утворилося те, що лежить нижче. Важливе доповнення: цей закон вірний, якщо ми маємо справу з так званим ненарушеним заляганням, тобто з ситуацією, коли з моменту свого формування геологічні тіла не зміщувалися під дією будь-яких сил. А ця умова дотримується далеко не завжди.

Для ілюстрації цього закону та обмежень, що накладаються на його використання, часто рекомендують уявити собі шар торт. Якщо він щойно вийшов з-під руки кондитера, то нам легко зрозуміти, в якій послідовності були виготовлені і покладені коржі і прошарки. І якщо ми знаємо час, необхідний для приготування кожного елемента, то можемо визначити, скільки часу зайняло виготовлення всього торта. Але якщо торт не дістався до святкового столу, а був уронений недбайливим кур'єром де-небудь на жвавому перехресті, де по ньому проїхали машини і пройшли десятки людей, то відновити початкову кількість шарів і їх послідовність вже зовсім нелегко. Цей приклад дозволяє зрозуміти, якої складності завдання часто доводиться вирішувати фахівцям-стратиграфам.

Але уявіть собі, наскільки легшим стане завдання з реконструкції «постраждалого» торта, якщо ви будете знати, що кондитер в кожен шар додав певну начинку і жодну начинку не використовував двічі. Швейцарця Аманса Ґреслі, який жив у XIX столітті, саме так діяла природа. Геологічні шари промарковані наявністю в них залишків певних живих організмів, і, зіставляючи ці залишки, можна виділити одноозрастні шари. Підхід, запропонований Греслі, ліг в основу біостратиграфічного методу визначення віку гірських порід. Для цього методу неважливо, скільки разів шар був зрушений, вигнутий або перевернутий, аби органічні залишки, що спочатку містилися в цьому шарі, залишилися в змозі, що дозволяє їх ідентифікувати.

Але органічні залишки можуть співслужити геологам і ще одну службу. Англійський землемер-самоучка, а пізніше гірський інженер Вільям Сміт ще раніше Греслі зауважив, що в одних і тих же шарах виявляються залишки одних і тих же організмів, і здогадався, що за цією ознакою шари можна простежувати на великих відстанях. Це спостереження дозволило складати геологічні карти, причому перша така карта Англії була складена самим Смітом, який виходив всю країну пішки і зумів, за оцінкою Чарльза Лайеля, «привести в струнку систему весь складний ряд британських гірських порід». Завдяки роботі Сміта стало відомо загальну кількість шарів, що формують спостережувану частину острова Британія, і можна було спробувати підрахувати, скільки ж років могло знадобитися для їх відкладення.

Але щоб провести такий підрахунок, довелося сформулювати ще одну тезу, відому сьогодні як принцип актуалізму. Зробив це згаданий англійський природознавець Лайєль, за що і увійшов в історію як основоположник сучасної геології. Принцип актуалізму постулює, що якщо в даний час якесь явище має певний наслідок, то і раніше за таких же умов це явище викликало такий же наслідок. Наприклад, сьогодні прямими вимірами встановлено, що швидкість накопичення опадів у заливаних заплавах річок Тигр і Євфрат становить 0,1 сантиметра на рік. Оскільки швидкість осадження зважених частинок з потоку води визначається законами гідродинаміки, то нам слід вважати, що і на зорі історії Землі в аналогічних заплавах швидкість облоги становила ті ж 0,1 сантиметри на рік.

Після того як був сформульований принцип актуалізму, геологи виявилися оснащені достатнім апаратом для того, щоб оцінити, скільки ж часу витратила природа на формування тих шарів, які ми спостерігаємо. Цю оцінку зробив сам Чарльз Лайель. Отримане ним значення в сотні мільйонів років виглядало приголомшливо великим порівняно з шістьма тисячами років, згаданими в Біблії.

Але Лайєль був не першим науковцем, який значно розсунув, порівняно з біблійними рамками, тимчасові межі існування Землі. Французький геолог і дипломат Бенуа де Майє, виявивши, що в шарах, що складають вершини гір, виявляються залишки морських організмів, припустив, що спочатку вся Земля була покрита морем. У його розпорядженні були спостереження про швидкість відступу моря в деяких портах, у тому числі Акрі, Карфагені та Александрії. Спираючись на цю швидкість (близько 8 сантиметрів на рік) і на висоту гір, де Майє розрахував час, необхідний на осушення Землі до її сучасного стану, і отримав значення близько 2,4 мільярда років. І хоча ми знаємо сьогодні, що вихідні посилки де Майє були невірні, а потрапляння в правильний, з позицій сучасної науки, порядок значень віку Землі пояснюється випадковістю, його результат мав велике психологічне значення. До великих цифр необхідно звикнути.

Закон Стено, закон Гекслі і принцип актуалізму - ось три кити сучасних стратиграфії і відносної геохронології. На цих фундаментальних принципах засновані практично всі сучасні методи і прийоми складання геологічних карт, реконструкції послідовності формування гірських порід в тому чи іншому місці і зіставлення цієї послідовності для різних місць і навіть для різних континентів. Спільними зусиллями була реконструйована спільна для всієї Землі послідовність накопичення шарів і встановлена характерна (геологи і палеонтологи кажуть «керівна») фауна, та сама «начинка» з органічних залишків, яка унікальна для шарів, що сформувалися в певні періоди історії Землі, і більше вже ніколи не повторилася. (Детальніше про біостратиграфічний метод описано в першій частині нашої статті «Людина приходить як господар».)

Результатом цих зусиль стало створення в другій половині XIX століття геохронологічної шкали - зведеної таблиці, що відображає послідовність утворення відкладень, що спостерігаються на Землі. Необхідно підкреслити, що геохронологічна шкала заснована на принципах саме відносної геохронології і оперує поняттями «раніше», «пізніше» і «одночасно». І хоча геохронологічна шкала постійно уточнюється, сам факт її створення став важливим кроком у розвитку геології.

Однак наведення порядку, або стратиграфічний підхід, - тільки один з можливих способів визначення віку Землі. Наприклад, Едмунд Галлей намагався розрахувати тривалість існування нашої планети за швидкістю вимивання солей з гірських порід і накопичення їх у Світовому океані. Але найбільший вплив на думку, навіть на світогляд вчених зробили розрахунки внутрішніх енергетичних ресурсів Землі, вироблені Вільямом Томпсоном - лордом Кельвіном.

Перша геологічна карта Британії, опублікована Вільямом Смітом у 1815 році

Wikimedia Commons