О разрушении горных пород и директоре Королевского ботанического сада

 

Во второй половине XVIII столетия директор Королевского ботанического сада, французский естествоиспытатель Жорж Бюффон попытался определить возраст Земли. Бюффон пред­полагал, что Земля первоначально была раскаленным шаром, оторвавшимся от Солнца при столкновении его с большой кометой, и поставил такой опыт. Он добела раскалил в куз­нечном горне каменные пушечные ядра и записывал, за сколько времени они успевали полностью охладиться на воздухе. Земля, рассуждал Бюффон, представляет собой ог­ромный каменный шар, и если она была некогда раскален­ной, то и остывать должна во столько раз медленнее, во сколько раз она больше пушечного ядра. Расчеты Бюффона

показали, что время, необходимое для полного остывания земного шара, составило бы 75 тыс. лет.

Эта цифра, в 15 раз состарившая Землю по сравнению с традиционными библейскими представлениями, вызвала недовольство в церковных кругах. Но Жорж Луи Леклерк, граф де Бюффон — известный ботаник и зоолог, автор зна­менитой 36-томной «Естественной истории» — мог не опа­саться нападок духовенства. Значительно серьезнее для него была критика со стороны ученых, которые тоже не могли принять новую датировку: ведь если говорить строго, то мы и сегодня достоверно не знаем, остывает ли Земля или, наоборот, разогревается.

Смелые вычисления Бюффона стали достоянием научных архивов. И только почти полстолетия спустя.в 1833 г., искания возобновились.

Во французском городе Лиможе высится старинный собор, сложенный из гранитных глыб. От времени стены его стали понемногу разрушаться и к началу прошлого века покры­лись тонкой рыхлой корочкой. Естествоиспытатель Антуан-Сезар Беккерель (дед знаменитого физика) измерил толщину разложившегося слоя гранита и сравнил ее с толщиной такой же корочки на скалах, откуда был взят камень для постройки собора. Зная по историческим документам, в ка­ком году был построен собор, Беккерель вычислил скорость разрушения гранита. Если эта скорость была постоянной, то по ней можно было судить и о том, сколько лет потре­бовалось для образования коры выветривания на окрестных скалах, не тронутых человеком.

Простой и наглядный метод определения продолжитель­ности разрушения скал заинтересовал геологов и заставил подумать, нельзя ли попытаться подобным образом выяснить возраст и других геологических событий. Подходящее для эксперимента место было найдено в окрестностях Женевского озера.

Еще сравнительно недавно значительная часть европей­ского материка была покрыта ледниками. Один из ледников, двигаясь, отполировал поверхность известняковых холмов в Савойе. Со временем ледник отступил, и под действием солнца и дождей известняк стал постепенно разрушаться или, как говорят геологи, выветриваться.

Проходили тысячелетия. Территория нынешней Савойи была захвачена римлянами. Завоеватели стали возводить крепости и устроили в известняковой горе каменоломни. За 18 столетий, минувших со времени римского нашествия, стены у входа в каменоломни успели покрыться слоем вы­ветривания, толщина которого достигла 3 мм. Сравнив тол­щину этой корочки, образовавшейся за 1800 лет, с 35-санти­метровой корой выветривания, покрывающей поверхность отполированных ледником холмов, можно предположить, что оледенение покинуло здешние края около 210 тыс. лет назад. За этими первыми попытками определить истинный воз­раст геологических событий последовали более точные опыты.

В 1870 г. Фридрих Пфафф, профессор университета в Эрлангене (Швейцария), взвесил на аптекарских весах и положил на пень в своем саду две отполированные пластинки. Одна из них была изготовлена из известняка, другая из кристаллической горной породы — сиенита. Два года проле­жали пластинки под открытым небом. Поверхность известня­ковой плитки сделалась матовой. Потускнела и сиенитовая дощечка. Тогда Пфафф снова взвесил обе пластинки и уста­новил, что они стали легче. Вычислив, сколько каждый образец ежегодно терял в массе, исследователь рассчитал, что известняковые скалы должны разрушаться атмосферными явлениями на 1 м за 72 тыс. лет, а сиенитовые почти в 10 раз медленнее — за 731 тыс. лет.

Такие же опыты были проведены и с другими горными породами: песчаниками, гранитами, базальтами и сланцами. Определять возраст геологических событий по скорости раз­рушения горных пород оказалось сравнительно несложно. Применение чувствительной лабораторной техники позволило добиться значительной точности результатов, особенно в тех случаях, когда исследовались отложения последней ледни­ковой эпохи.

Но сторонники этого метода отдавали себе отчет в том, насколько сложно получить эталоны скорости разрушения для всего многообразия горных пород, слагающих земную кору. Даже если бы на протяжении целого столетия все геологи мира только и занимались тем, что определяли скорость выветривания пород различного состава, они все равно не смогли бы учесть громадного разнообразия пластов Земли.

К тому же в различных климатических условиях вы­ветривание протекает с неодинаковой скоростью: одна и та же порода будет по-разному разрушаться в тропиках и в За­полярье. Быстрота выветривания зависит от температуры, влажности воздуха, количества осадков и числа солнечных дней. Значит, для каждой природной зоны нужно вычислять особые графики, составлять специальные шкалы. А можно ли быть уверенным, что климатические условия оставались неизменными с того момента, когда обнажился интересую­щий нас слой?

Кроме того, по интенсивности разрушения можно уста­новить возраст лишь тех пластов, которые непосредственно выходят на земную поверхность и изо дня в день подвержены действию ветра и атмосферных осадков. Определить же воз­раст пород, скрытых под чехлом более молодых отложе­ний, этим методом невозможно.

Но может быть, наблюдая за скоростью разрушения гор­ных пород, можно попытаться решить другую задачу — уста­новить продолжительность геологических процессов в слож­ных природных условиях?

На границе Соединенных Штатов Америки и Канады, между озерами Эри и Онтарио, протекает 40-километровая река Ниагара (что по-индейски значит «Гремящая вода»). Ее всемирно известный водопад, разделенный Козьим остро­вом на два могучих потока, стал одним из первых объектов исследования. Некоторое время назад воды Ниагары обру­шивались непосредственно в озеро Онтарио. Но постепенно водопад размывал ложе реки и, врезаясь в толщу осадочных отложений, медленно отодвигался по направлению к озеру Эри. Сейчас он находится на расстоянии около 11 км от устья Ниагары. Подсчитав скорость, с которой перемещается уступ водопада (в конце прошлого века она составляла немногим более 27 см в год), можно заключить, что он про­делал свой путь приблизительно за 40 тыс. лет.

Результаты подобных расчетов казались достаточно убеди­тельными. Но они давали только приблизительную оценку длительности события. Действительно, взглянув на геологи­ческую карту бассейна Ниагары, нетрудно убедиться, что по мере своего продвижения к истокам реки водопад последо­вательно размывал различные породы, которые в этих местах залегают наклонно, погружаясь под дно озера Эри. Сначала размывались преимущественно песчаники, затем — сланцы, после них — известняки. Можно ли быть уверенным, что скорость размыва всегда была постоянной? Да и насколько постоянна она в наше время? Повторные измерения, про­веденные в середине XX столетия, подтвердили эти сомне­ния. Выяснилось, что водопад стал отступать со скоростью около 1 м в год, хотя размываются те же самые известняки, что и несколько десятилетий назад. Почему это произошло? Надолго ли сохранится нынешняя скорость размыва? Не подлежит сомнению, что при подобных натурных экспери­ментах надо учитывать очень многие факторы, большинство из которых, к сожалению, нам совершенно неизвестны.

Тем не менее такие эксперименты приходится проводить и в наше время, когда при почти полном отсутствии информа­ции необходимо все-таки дать прогноз, как будут разви­ваться геологические события. Особенно часто такая задача встает в инженерно-геологических исследованиях: при проек­тировании природоохранных мероприятий, строительстве портов, водохранилищ и защитных дамб. Используя методы фотограмметрии (съемки под различными углами с несколь­ких точек), удается зафиксировать ничтожные изменения, происходящие с геологическими объектами на протяжении заданного отрезка времени, и высказать предположения о направлении их развития в будущем. Если же наблюдения нельзя осуществить в естественных условиях, то создают уменьшенную модель природной обстановки в лаборатории. Выводы не всегда будут достаточно надежными, но нередко это единственно возможный путь решения задачи.

Кроме оценки возраста по выветриванию пород нужно было найти какой-то иной способ, который бы позволил не только установить момент, когда испытуемый образец был отторгнут от материнской породы или когда началось разру­шение горного массива, но и определить непосредственно время образования самого пласта или складчатого соору­жения. Оставив попытку узнать возраст Земли по скорости ее остывания и по продолжительности выветривания пород, естествоиспытатели вновь вернулись к проблеме абсолют­ной геохронологии, сформулировав вопрос иначе: наша пла­нета, по-видимому, образовалась раньше, чем на ней заро­дилась жизнь; нельзя ли хотя бы приблизительно опреде­лить время, прошедшее с тех пор, когда на Земле стало возможным существование живой материи?

Эту задачу взялся решить в конце XIX века английский физик, крупнейший специалист по термодинамике Уильям Томсон (лорд Кельвин). Исходя из распространенной в то время гипотезы о первоначально раскаленной Земле, он предположил, что жизнь могла появиться только после ох­лаждения поверхности планеты до температуры менее 100° С. Подобно Бюффону, Томсон представил модель Земли в виде однородного раскаленного шара. Время остывания рассчи­тывалось им с того момента, когда шар находился в состоя­нии красного каления. Вычисления, выполненные на надеж­ной математической основе, показали, что в зависимости от ряда привходящих условий однородное шарообразное тело, имеющее размеры нашей планеты, могло остыть до темпера­туры, пригодной для существования организмов, от 24 до 100 млн. лет назад. Стало быть, Земля еще старше, но насколько?

Выяснение этого вопроса имело очень большое значение для геологии, располагавшей детальной относительной гео­хронологической шкалой, но совершенно лишенной возмож­ности судить о реальной продолжительности геологических эпох и периодов.

 

ПЛАСТЫ РАССКАЗЫВАЮТ