Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты

Определение времени: количественные методы датирования

Радиоактивность и изотопы: история и применение в геологии

Само излучение, открытое Рентгеном и названное впоследствии рентгеновским (Х-лучами), исследователи наблюдали уже в 1880-х гг., но явление радиоактивности открыл в 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (1852–1908). Беккерель положил образец соли урана на фотографическую пластину (изолированную от воздействия солнечного света и других источников излучения), и на ней постепенно проявились очертания уранового образца. Беккерель задался вопросом: как такое возможно? Единственным разумным объяснением было то, что образец испускает «невидимые лучи»[186]. В том же году ученый опубликовал результаты своей работы[187]. Беккерель умер в относительно молодом возрасте – ему было 55 лет, – вероятно, из-за работы с радиоактивным материалом, который вызывал многочисленные ожоги на его руках, и воздействия радиации.

В 1898 г. супруги Пьер Кюри (1859–1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867–1934), французские физики, заинтересовались работой Беккереля и продолжили его исследования. Супруги Кюри (под руководством Марии) занимались исследованием тория и выяснили, что он испускает такие же «урановые лучи», как те, что обнаружил Беккерель. Мария назвала этот процесс радиоактивностью – так впервые был введен этот термин[188]. Историки науки отдают должное Марии Кюри за осознание того факта, что источником излучения является ядро атома, а не совокупность его электронов. Эта концепция стала основой для развития физики[189]. Кюри открыли два новых элемента: полоний и радий.

В 1903 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Марии Кюри, Пьеру Кюри и Анри Беккерелю. Нобелевский комитет присудил награду супругам Кюри «в знак высокой оценки их выдающихся совместных работ по исследованию явлений излучения, открытых профессором Анри Беккерелем»[190][191]. В 1911 г. Мария Кюри получила вторую Нобелевскую премию – по химии – за работу с полонием и радием, которую она продолжила после трагической гибели мужа в 1906 г.: Пьер Кюри, поскользнувшись, попал под колеса экипажа и скончался в возрасте 46 лет в результате смертельного перелома черепа.

Понятие об изотопах было введено в 1913 г. радиохимиком Фредериком Содди (1877–1956), который на основе своих исследований изотопов свинца, иридия и тория понял, что атомы, имеющие одинаковую химическую природу и атомный объем, могут иметь разные атомные массы[192]. В 1921 г. Содди была присуждена Нобелевская премия, но награду он смог получить только в следующем, 1922 г.[193]. Еще ранее, в 1899 г., другой лауреат Нобелевской премии (1908), Эрнест Резерфорд (1871–1937), обнаружил, что торий выделяет газ, позже получивший название радон, и этот процесс сопровождается излучением двух типов: α и β. Два года спустя Резерфорд и Содди экспериментально обнаружили, что торий (в образце, оставленном в лаборатории на рождественские каникулы) в результате β-распада превратился в другую форму, которая, как выяснилось, представляет собой совершенно иной химический элемент: радий. В 1902 г. ученые опубликовали статью в двух частях «Причина и природа радиоактивности» о трансмутации – изменениях – элементов[194]. В 1904 г. Резерфорд опубликовал книгу под названием «Радиоактивность» (Radio-Activity), где писал следующее:

Наиболее примечательным свойством радиоактивных тел является их способность самопроизвольно и непрерывно излучать энергию с постоянной интенсивностью без всякого, насколько известно, воздействия на них внешних причин… Явление кажется еще более удивительным, если считать, что радиоактивные тела, должно быть, постоянно излучают энергию с момента их образования в земной коре[195].

Среди изотопов водорода протий (водород-1) – самая стабильная и наиболее распространенная форма, состоит из одного протона и одного электрона и составляет более 99 % всего водорода на Земле. Протий существует в виде газа или соединений с другими элементами или другими изотопами водорода. Дейтерий (водород-2) состоит из одного протона, одного нейтрона и одного электрона. Связи в атоме дейтерия более сильные, чем в протии, и он более тяжелый. При взаимодействии дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода, которая применяется в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов в реакциях распада урана, а также в некоторых методах обработки медицинских изображений. Тритий (водород-3) – нестабильный, радиоактивный изотоп водорода состоит из одного протона, двух нейтронов и одного электрона. Период полураспада трития с образованием газа гелия-3 (³He) составляет 12,43 года. Тритий представляет особый интерес для геологии, поскольку он имеет относительно короткий период жизни и его можно использовать для оценки возраста подземных вод и влияния поверхностных вод на подземные. Это один из многих методов применения радиоактивных изотопов в науках о Земле.

Материнские изотопы – это исходные изотопы горной породы или минерала, которые претерпевают распад. Дочерние изотопы – это изотопы, в которые превращаются материнские изотопы в результате распада с особой скоростью, называемой периодом полураспада (см. таблицу 4.1). Период полураспада – эквивалент константы распада для радиоактивного изотопа. Периоды полураспада разных изотопов варьируют в широком диапазоне: от относительно короткого, как в случае трития, до очень большого, как в случае урана. Следовательно, использование изотопов различается в соответствии с диапазоном времени, который охватывает их период полураспада. Благодаря этим свойствам изотопы превращаются в полезный инструмент датирования отложений, минералов или горных пород различного возраста, даже исчисляемого миллиардами лет.

Подземные воды наряду с поверхностными являются одним из важнейших источников воды для живых организмов. Они представляют собой часть гидросферы и взаимосвязаны с остальными оболочками Земли. Возраст подземных вод различен и зависит от того, насколько быстро пополняются их запасы за счет воды, просачивающейся с поверхности, или связи с озерами, ручьями и реками. Знание возраста подземных вод помогает определить, легко ли восполняются запасы и можно ли их использовать в качестве постоянного источника питьевой воды. Гидрологи обычно по присутствию трития определяют возраст и источник подземных вод. Подземные воды, возраст которых находится в диапазоне 60–100 лет, гидрологи считают «молодыми», что следует из короткого периода полураспада трития. Тритий – удобный изотоп, потому что, хотя он относительно редко встречается в природе (он образуется в низких концентрациях в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой), его содержание довольно просто определить. Содержание трития измеряется в тритиевых единицах (ТЕ): 1 ТЕ равна отношению 1 атома трития к 10¹⁸ атомов водорода. До 1950 г. концентрации трития в подземных водах были низкими (менее 0,8 ТЕ)[196]. Большая часть современного трития образовалась в результате испытаний термоядерного оружия в атмосфере в период с середины 1950-х до середины 1960-х гг. Пик выбросов пришелся на 1963 г.: в этот период концентрация трития достигала 1,3×10⁹ ТЕ. Тритий в высоких концентрациях смешивался с облаками и в результате выпадения атмосферных осадков поступал в океаны, а также в поверхностные и подземные воды. В период, когда проводился максимум испытаний бомб, станции во многих странах Северного полушария фиксировали концентрации трития в осадках на уровне 5000 ТЕ[197]. Количество трития в подземных водах служит индикатором давности его происхождения и того, происходило ли пополнение запасов подземных вод за счет воды с поверхности[198]. Возраст подземных вод полезно знать для размещения водозаборных скважин и колодцев. Если возраст резервуара подземных вод составляет десятки тысяч лет, вода в нем древняя и не будет возобновляться из других источников. Такое хранилище нельзя рассматривать в качестве устойчивого источника питьевой воды, потому что резервуар будет быстро исчерпан и не сохранится.

Таблица 4.1. Радиоактивные элементы: материнские и дочерние изотопы, диапазон возраста и датируемые материалы

Со временем исчерпание и истощение антропогенного (связанного с деятельностью человека) трития в поверхностных и подземных водах приведет к тому, что он станет менее полезным индикатором возраста воды. Другими радиоактивными элементами, используемыми для датирования подземных вод, осадков, археологического материала и других материалов, содержащих углерод, являются углерод-14 и изотопы кислорода. Более 99 % всех атомов углерода на Земле стабильны, и их ядра содержат 6 нейтронов (углерод-12); они не подвергаются радиоактивному распаду. Другие изотопы углерода имеют разное число нейтронов. Один из наиболее хорошо известных изотопов – углерод-14, ядро которого состоит из такого же количества протонов, что и ядро углерода-6, но имеет 8 нейтронов, поэтому углерод-14 тяжелее и является слаборадиоактивным. Этот изотоп углерода нестабилен и подвергается радиоактивному распаду, период полураспада составляет 5730 лет. Данные о содержании углерода-14 позволяют геологам точно определять возраст многих горных пород и минералов.

Другие изотопы, например урана, действуют как еще одни «часы в камне». Процесс соответствует описанному выше – происходит распад материнских изотопов с образованием дочерних, – но периоды полураспада намного больше. Например, датирование кристаллов циркона с помощью количественных методов дало несколько оценок самого древнего возраста на планете.

Современная шкала геологического времени

Стивен Джей Гулд в своей книге «Чудесная жизнь: сланцы Бёрджесс и природа истории» (Wonderful Life: The Burgess Shale and the Nature of History), опубликованной в 1989 г., рассказывает, что, пытаясь научить своих студентов запоминать периоды шкалы геологического времени, он перепробовал мнемонические техники, игры, словесные ассоциации – любые средства для запоминания подразделений времени, – но ничего особенно не помогало. Гулд пишет, что не беспокоился бы о неудачах какой-то части студентов, если бы периоды представляли собой случайные интервалы шкалы, но они таковыми не являются:

В конце концов Гулд сообщил своим студентам, что им придется воспользоваться старинным способом: запоминать наизусть эти необходимые подразделения шкалы геологического времени. Как оказалось, такой способ также наиболее эффективен для понимания и усвоения информации о резких изменениях условий окружающей среды, которые оказывали влияние на живые организмы и стали причиной вымираний и повторного заселения.

Масштабы геологического времени трудно осознать любому. Джон Макфи, журналист из The New Yorker, который восхвалял геологию Соединенных Штатов во всей ее красоте и множестве форм, писал в 1981 г. в первой из своих четырех книг о геологии «Бассейны и хребты» (Basin and Range): «Человеческий разум, возможно, недостаточно развит для того, чтобы осознать геологическую историю. Вероятно, он лишь способен ее оценить»[200].

В упрощенном варианте шкалы геологического времени (см. цветную вклейку 4.1) показана биография Земли с рождения до настоящего времени. Время представлено от древнего докембрийского суперэона, 4,55 млрд лет назад (округлено до 4,6 млрд, в нижней части шкалы до молодой кайнозойской эры и наших дней в верхней части шкалы.

Подразделениями геологического времени (от более крупных единиц к более мелким) являются эоны, эры, периоды, эпохи и века. Специалисты по стратиграфии уточняли интервалы шкалы геологического времени, выделяя более мелкие единицы – эпохи и века, – по мере того, как становилось все больше известно о биографии Земли. Шкала времени представлена вертикально – от древнейших веков в нижней части до самых молодых на вершине – в соответствии с принципом суперпозиции (см. главу 1). Разделы внутри шкалы времени связаны с основными геологическими событиями и формируют основу для понимания прошлого и настоящего Земли. Этот рисунок заставляет по-новому посмотреть на продолжительность человеческой жизни и служит напоминанием о том, что люди представляют собой всего лишь одну из многих разнообразных форм жизни в истории нашей планеты. Диаграмма не пропорциональна: докембрий – время до фанерозойского эона – сжат таким образом, чтобы рисунок уместился на одной странице. Кроме того, на рисунке не показаны древние отделы докембрийского суперэона и гадейский эон.

Эти подразделения не случайны. Геологи и специалисты по стратиграфии десятки лет постоянно занимались установлением границ между эонами, эрами, периодами и эпохами. Подразделения шкалы геологического времени должны иметь точные начало и конец, а также достаточно крупные, четкие и отличимые следы физического присутствия в геологической летописи, чтобы их можно было распознать. Для того чтобы формацию учли, она должна иметь особый «тип» (характерный) разреза горной породы или обнажения, со статусом границы и точки глобального стратотипического разреза (GSSP), называемого также «золотым гвоздем». В качестве альтернативы комплекс горных пород может иметь обозначенную временную границу, которая лучше всего характеризует конкретный рубеж геологического времени и определена Международной комиссией по стратиграфии, основанной в 1961 г. Международная комиссия по стратиграфии принимает решение о фактическом местоположении объекта, который служит эталонным образцом реальной стратиграфической границы, с указанием широты и долготы. Этот объект обозначается «золотым гвоздем», и данные о нем публикуются в печати. В 2003 г. Международная комиссия по стратиграфии утвердила нижнюю временную границу туронского века, а в 2013 г. в Колорадо, недалеко от Пуэбло, была обозначена «золотым гвоздем» новая фактическая геологическая граница, которая определяет рубеж внутри верхней эпохи мелового периода мезозойской эры и служит отметкой начала туронского века[201].

Человечество оказало настолько сильное влияние на облик Земли и его изменения, что некоторые геологи и стратиграфы, специалисты по определению подразделений геологического времени в Международной комиссии по стратиграфии, обсуждают, не следует ли официально выделить новую эпоху под названием антропоцен – «эпоха людей». Пауль Крутцен (1933–2021), нидерландский химик, специалист по химии атмосферы и лауреат Нобелевской премии, и Юджин Стормер (1934–2012), профессор биологии Мичиганского университета, в 2000 г. предложили выделить антропоцен в качестве нового подразделения времени[202]. Выделение новой эпохи, если такое решение примут, будет означать окончание голоцена и признание влияния людей. Споры ведутся в основном о том, когда установить ее начало.

Для стратиграфов и геологов выбор начала эпохи антропоцена и окончания эпохи голоцена зависит от геологической летописи. Некоторые осадки и горные породы содержат свидетельства человеческой деятельности. Испытания ядерного оружия – это лишь один пример человеческого воздействия, записи о котором хранятся в пластах и создают геологическую историю. Во время испытаний в атмосферу выбрасывался тритий, который попадал из воздуха в воду и осадки. Осадки со временем превращаются в горные породы (литифицируются) и обозначают начало ядерного века. Другим возможным маркером времени служат первые годы XIX в. – начало промышленной революции и сжигания угля в огромных масштабах по всей Европе. Пластик в окружающей среде может служить еще одним очевидным индикатором начала антропоцена. Несколько лет назад на Гавайях обнаружили скалы, состоящие из скопления пластика, продуктов извержения вулкана, песка и раковин[203]. В 2019 г. Международная комиссия по стратиграфии не решила вопрос о выделении антропоцена в ранг самостоятельного подразделения времени. Тем не менее рабочая группа по антропоцену, входящая в состав подкомиссии по стратиграфии четвертичного периода (одного из подразделений Международной комиссии по стратиграфии), проголосовала за признание этой эпохи и запланировала в 2021 г. представить вопрос об официальном признании антропоцена Международной комиссией по стратиграфии[204].

По мере накопления все большего количества данных о горных породах и их обнажениях стала очевидной необходимость использования стандартных цветов и символов. Международная комиссия по стратиграфии определила стандартные цвета для шкалы геологического времени для Европы. Американские геологи пользуются отличающейся цветовой схемой для обозначения конкретных подразделений времени. Международная комиссия по стратиграфии обозначает породы, относящиеся к силурийскому и девонскому периодам, бирюзовым и желто-коричневым цветом соответственно. Американские геологи используют для обозначения силурийских пород пурпурный цвет и синий – для девонских. Геологические карты и шкала геологического времени составляют единое целое.

Исторический идеал в сфере применения цвета на временной шкале и, позднее, на геологических картах был основан на спектре цветов «красный – пурпурный – фиолетовый – синий – зеленый – желтый», когда самые древние породы обозначались красным цветом, а самые молодые – желтым. Джон Уэсли Пауэлл, директор Геологической службы США, следовал этой основной закономерности распределения цветов. Международная система лучше приспособлена для применения при обозначении горных пород, относящихся к мезозойской эре и четвертичному периоду, но не столь отчетливо выделяет более древние породы палеозойской системы, такие как в Аппалачах[205]. Появление двух систем цветового кодирования шкалы геологического времени и геологических карт – это отдельная история, которая связана с историей геологии.

В 1876 г., сразу после всемирной выставки в Филадельфии, группа геологов встретилась в Буффало, штат Нью-Йорк, для обсуждения вопроса об учредительном комитете по организации Международного геологического конгресса. Американская ассоциация содействия развитию науки ставила только одну задачу – определить «уместность» такой группы, тогда как члены комитета в любом случае продвинулись еще дальше, создав его. Эти действия вызвали тяжелые чувства у некоторых членов Ассоциации и геологов, которые видели необходимость в проведении конгресса[206].

В 1878 г. в Париже прошел 1-й Международный геологический конгресс (МГК), с участием американского учредительного комитета[207]. В повестку были включены следующие темы: унификация названий и символов, принятие решений о границах между подразделениями, обозначение разломов и линейных объектов на картах, наилучшие способы применения данных о фауне и флоре при принятии решений о границах, а также использование минералогии, химии и структуры горных пород для определения их происхождения и возраста[208]. Во время этой первой встречи была заложена основа для создания руководящих документов, но решения по конкретным постановлениям были отложены до Второго геологического конгресса, который состоялся в Болонье в 1881 г.

Пауэлл стал вторым директором Геологической службы США в марте того же года, незадолго до проведения первой сессии МГК. Не дожидаясь принятых в сентябре решений европейских геологов, Пауэлл в одной из первых служебных записок утвердил указания по созданию геологических карт США. Так появилась на свет американская система цветовых обозначений.

В 1881 г. на Втором геологическом конгрессе были согласованы и официально приняты классификации названий горных пород и геологического возраста, а также общая цветовая схема, основанная на подразделениях времени, – международная система цветовых обозначений. Также были сформулированы правила наименования биологических видов. В 1885 г. на третьей сессии конгресса в Берлине были приняты уточнения и усовершенствования различных систем, в том числе системы цвета на геологических картах.

Американский учредительный комитет, назначенный для содействия в организации МГК, в первые годы своего существования собирался семь раз и отправлял делегации на каждый конгресс. После шестой встречи комитета Пауэлл выступил с возражениями против значительной части результатов работы Международного геологического конгресса. Персифор Фрейзер, секретарь комитета, отмечал:

Фрейзер продолжает:

Это было язвительное осуждение действий Пауэлла. Двумя годами позже, в 1890-м, небольшая группа внутри Американской ассоциации содействия развитию науки приняла решение о роспуске американского учредительного комитета МГК, к большому разочарованию его членов[211]. Сессия МГК в 1891 г. проводилась в Вашингтоне, но раскол в среде американских геологов сохранился. Его последствия наблюдаются до наших дней в том, как используются цвета и символы на геологических картах: американские геологи, в отличие от их коллег во всем остальном мире, по-другому обозначают формации и возраст горных пород.

Нанесение шкалы геологического времени на карту

Геологические карты содержат цвета подразделений шкалы геологического времени. Это карты подстилающих пород и поверхностных геологических комплексов, на которых горные породы и группы сходных пород показаны цветом и обозначены символами, идентичными цвету и символам шкалы геологического времени. Поэтому они представляют собой важный элемент для определения геологической истории региона, и к тому же визуально яркий. Геологическая съемка выполняется геологами в полевых условиях, а также с помощью анализа информации со спутников и других данных, полученных с использованием методов дистанционного зондирования. Геологические карты и шкала геологического времени тесно связаны не только за счет идентификации горных пород и их комплексов, но и потому, что горные породы на карте показаны в формате шкалы геологического времени как часть легенды карты. Чем больше геологи узнают о горных породах и их комплексах в природе, тем более точно определяется геологическое время.

Большая часть информации, составляющей основу шкалы геологического времени, получена путем идентификации комплексов горных пород и формаций в природе – благодаря работе полевых геологов. Эти данные служат для усовершенствования и подтверждения временной шкалы. Первая геологическая карта Англии, Уэльса и Южной Шотландии, созданная в эпоху современной геологии, – это карта Смита от 1815 г. (см. главу 1). Карта Смита была большой – 188 на 267 см – и напечатана в масштабе 1:316800 (5 миль в 1 дюйме). Для создания карты в задуманном Смитом масштабе потребовалось пятнадцать гравюр на меди (см. главу 1, цветную вклейку 1.2). Потом карту вручную раскрашивали акварелью, чтобы представить различные типы горных пород. Из 380 оригинальных карт сохранилось около 100. Одно из первых изданий карты оказалось в архиве Британского геологического общества и было открыто повторно лишь в 2015 г. – как раз к 200-летней годовщине публикации. На легенде к карте Смита геологические комплексы представлены в возрастном порядке: от молодых пород наверху к древним внизу, в соответствии с принципами Вернера и его концепцией первой шкалы геологического времени.

Первая геологическая карта, созданная в Соединенных Штатах в эпоху современной геологии, была составлена в 1809 г. шотландским геологом Уильямом Маклюром, переехавшим жить в США (см. цветную вклейку 4.2)[212]. Более старая французская карта, на которой показаны слои мергеля и глины от острова Кейп-Бретон до Мексиканского залива, была создана еще до карты Маклюра, в 1752 г. Однако неясно, была ли она когда-нибудь проверена в полевых условиях или является результатом попытки полевого картографирования; возможно, картограф во Франции создал эту карту на основе докладов французских офицеров[213]. Как бы то ни было, Маклюр провел тщательную геологическую съемку в поле перед созданием карты. Однако, недовольный тем, как на его карте были показаны горы, в 1817 г. он заказал вторую карту[214]. На основе вернеровской классификации «первозданные» породы отмечены «коричневой сиеной» (соответствуют Аппалачам); переходные формации обозначены «карминным цветом» (узкая полоса формаций, которые, как выявил Маклюр, залегают под наклоном к западу от примитивных пород); вторичные формации – горизонтально залегающие горные породы Аллеганского плато – показаны «светло-голубым» (к западу от переходных формаций), а аллювиальные отложения проиллюстрированы «желтым» (к востоку от первозданных пород, соответствуют осадкам береговой прибрежной равнины). Горные районы обозначены на карте штрихами, отражающими направление уклона и рельеф. И все же стратиграфическая колонка на карте представляет породы не в геологической последовательности от древних пород у основания до молодых на вершине, а наоборот – от древних на вершине к молодым у основания. Поэтому карту нельзя в строгом соответствии соотнести с геологическим временем.

Первые рекогносцировочные геологические карты запада США датируются периодом 1860–1870-х гг. Карты, охватывающие всю территорию Соединенных Штатов, существуют с 1855 г.; после Гражданской войны качество геологических карт значительно улучшилось благодаря цветной литографии.

Геолог Джордж Стоуз и картограф Олоф Юнгстедт, оба из Геологической службы США, в 1932 г. составили детализированную цветную геологическую карту США в масштабе 1:2500000, которая стала основой для геологических работ и анализа на протяжении следующих сорока лет; последний раз карта переиздавалась в 1960 г.[215]. Позже геологическая карта Кинга и Бейкмана, созданная в 1974 г. для смежных штатов США (единого массива из 48 штатов) на двух листах в масштабе 1:2500000 (см. цветную вклейку 4.3), заменила работу Стоуза—Юнгстедта[216].

Наряду с геологическими картами, демонстрирующими пласты на плоскости с высоты птичьего полета, существуют поперечные срезы, на которых геологическое строение показано в третьем измерении: вертикально. Большинство геологов считают, что рассматривать Землю в третьем измерении, то есть видеть глубину, – очевидно просто, и очень огорчаются, когда их студенты не могут представить мир в вертикальном сечении. К счастью, студенты и остальные могут развить этот навык благодаря практике. Кювье и Броньяр представили первый геологический разрез в своем докладе о строении Парижского бассейна (см. цветную вклейку 4.4)[217].

Поперечные сечения дают геологам возможность раскрыть историю Земли, увидеть, что происходило с пластами на протяжении длинных промежутков времени, выяснить, образовывались ли складки или разломы, а также исследовать соотношения между комплексами горных пород. На большинстве геологических карт представлен как вид сверху, так и один или более геологический разрез. Геологические комплексы расположены в стратиграфической последовательности: самые молодые горные породы – на вершине, а древнейшие – в нижней части колонки. Стороны света всегда расположены так, что север находится в верхней части листа, где обозначены стрелка-указатель севера, магнитное склонение и масштаб. Местоположение вертикального сечения обозначено на виде сверху линией с буквами, обычно A-A’ для одного, или первого, геологического разреза, а сам геологический разрез показан под основной картой и обозначен теми же буквами в качестве ориентиров. Особенности, которые могут быть не видны на поверхности, становятся видимыми на вертикальном сечении. Большой каньон в Аризоне представляет собой один из примеров крупного вертикального обнажения горных пород. Еще один пример – обнажение осадочных пород протяженностью 3,35 км, находящееся в резервации индейцев кроу в национальной зоне отдыха Бигхорн-Каньон на юге штата Монтана (рис. 4.1)[218].

Естественные обнажения такой протяженности встречаются редко. Данные, используемые для создания геологических разрезов, обычно получают путем проецирования известной информации о поверхности на подземное строение, при помощи бурения скважин или дистанционного зондирования, как это делают при разведке нефти. При использовании данных, полученных из буровых скважин, могут делаться обоснованные предположения относительно геологического строения участка между точками отбора. Построенный геологический разрез позволяет получить информацию о местоположении и уровне грунтовых вод, минеральных ресурсах, характере разломов и других угроз, а также о геологической истории местности.

Рис. 4.1. Обнаженные скалы, национальная зона отдыха Бигхорн-Каньон, штаты Монтана и Вайоминг, 2004 (Brian W. Schaller, 2004)

Еще один способ «заглянуть вглубь», используемый геологами, – это пространственные диаграммы, или трехмерные геологические модели, в которых геологическое строение поверхности показано на верхней стороне куба, а глубинное строение – на вертикальных сторонах куба. Эти компьютерные модели позволяют исследовать геологические объекты, которые труднодоступны с поверхности. Пространственные диаграммы часто используют в процессе преподавания и в иллюстративных целях: их можно нарисовать от руки, или сгенерировать трехмерное изображение с помощью компьютерных моделей. Некоторые изображения очень сложные: геологи используют их для оценки экономических ресурсов, выявления шлейфов загрязняющих веществ в подземных водах и изучения свойств разломов.

Геологическая история: новое отношение к геологическому времени

Понимание геологического времени представляет собой основу для осмысления всех остальных концепций геологии. Столь обширная временная шкала позволяет геологам систематизировать информацию, полученную о горных породах и объектах в процессе полевых исследований, и представить ее в виде убедительной биографии Земли. Геологи воспринимают геологическое время в миллиардах лет, с рождения Земли до наших дней. Стивен Джей Гулд в своей книге «Стрела времени, цикл времени» (Time’s Arrow, Time’s Cycle), опубликованной в 1987 г., говорит, что «наша жизнь встроена в течение времени», а геологическая история – это «величайший вклад геологии в развитие человеческой мысли»[219]. Гулд разбирает два сложившихся представления о времени. Согласно первой точке зрения, время представляет собой стрелу, направленную от событий в прошлом к событиям в настоящем, и поэтому уникально и невоспроизводимо. Во втором случае, в отличие от линейной функции, время обладает циклическими, повторяющимися свойствами. Гулд рассматривает эти два представления как два конечных результата «великой дихотомии» в развитии человеческой мысли и утверждает, что для понимания геологической истории необходимы оба. Геологическая история для многих геологов служит научной и философской опорой.

В следующих трех главах мы рассмотрим дополнительные основные догматы, касающиеся Земли: тектонику плит (главы 5 и 6) и изменения живых организмов в процессе эволюции (глава 7). В этих главах рассказывается об ученых, которые сформулировали эти идеи и работали над ними, а также о самих концепциях, с множеством примеров и историй.