Контрольная работа по "Геологии"

Много ли это? Ничтожно мало: расчеты показывают, что происходящее при этом изменение тяготения  Солнца приведет к увеличению времени  оборота Земли вокруг светила - т.е. удлинению земного года - всего  на 1 секунду за 15 миллионов лет, что, разумеется, нельзя установить никакими измерениями. Таким образом, проблема практически неиссякаемого источника  энергии для Солнца была решена, и теперь уже ничто не препятствовало принятию геологической оценки возраста Земли - "не менее нескольких сот  миллионов лет". 

Однако открытие радиоактивности имело и еще  одно следствие: это явление само по себе позволило создать новый  метод определения возраста планеты, несравненно более точный, чем  все предыдущие. Суть его заключается  в следующем. Известно, что атом урана  нестабилен: он испускает энергию, потоки частиц, и со временем превращается в атом свинца - устойчивого элемента, не подверженного дальнейшим превращениям. Природа этого типа реакций такова, что скорость ядерного распада абсолютно  постоянна, и никакие внешние  факторы (температура, давление) на нее  не влияют. Значит, если экспериментально определить темп этих изменений за короткий промежуток времени, то его  можно совершенно точно предсказать  и для более длительного промежутка. Так вот, было установлено, что в  любой порции урана (точнее - изотопа 238U) половина составляющих его атомов превратится в свинец за 4,5 млрд лет; соответственно, через 9 млрд лет урана останется 1/2 от 1/2, то есть четверть, и т.д. Срок в 4,5 млрд лет называют периодом полураспада 238U. 

Пусть мы имеем горную породу, содержащую соединения урана. Если она остается нераздробленной, то все атомы свинца (в которые  постоянно превращаются атомы урана) остаются внутри породы, и в результате уран все более "загрязняется" свинцом. Поскольку, как мы помним, внешние  факторы не влияют на скорость этого  процесса, степень "загрязнения" будет зависеть только от времени, в  течении которого порода оставалась монолитной. Последнее обстоятельство весьма важно: таким способом можно устанавливать время образования изверженных пород, но не осадочных - те всегда разрушены, и уран/свинцовое соотношение в них необратимо нарушено миграцией этих элементов в окружающую среду. 

Определять возраст  изверженных пород уран-свинцовым  методом (впоследствии появились калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и некоторые  другие [02]) начали в 1907 году, и очень  скоро обнаружили граниты с возрастом 1 млрд лет. По мере дальнейших поисков этот "максимальный известный возраст" быстро увеличивался, пока не достиг 3,5 млрд лет, после чего, несмотря на все усилия, почти не прирастал; древнейшие же из известных минералов были недавно найдены в Австралии - 4,2 млрд лет (известный Сибирский "рекорд" - 4,5 млрд лет - не подтвердился повторными анализами). Значит, Земля никак не моложе 4,2 млрд лет; но, может быть, она еще старше, и породы с возрастом 7 или, скажем, 20 млрд лет просто пока не найдены? Судя по всему, нет - и вот почему. Дело в том, что возраст всех изученных на этот предмет метеоритов составляет 4,5-4,6 млрд лет; возраст всех горных пород, собранных в девяти районах Луны американскими экспедициями "Аполлон" и советскими автоматическими станциями "Луна", также варьирует от 4 до 4,5 млрд лет. Все это свидетельствует о том, что цифра "4,6 млрд лет" верно отражает реальный возраст не только Земли, но и всей Солнечной системы. 

Итак, физики преподнесли  геологам поистине царский  подарок: стало возможным  достаточно точно  определить время  существования Земли  и протяженности  различных периодов ее истории (палеозоя, мезозоя, и т.д.). Как  же отнеслись к  этому геологи? Спокойно, если не сказать - равнодушно: дело в том, что  к собственно геологическим  проблемам все  это, как ни странно, имеет весьма косвенное отношение.

Есть два фундаментальных  принципа (фактически - это аксиомы, принимаемые без доказательства), которыми пользуются геологи при  изучении истории. Во-первых, это принцип  Стено, или закон напластования: если один слой (пласт) горных пород лежит на другом, то верхний слой образовался позднее, чем нижний. Во-вторых - принцип Гексли, или закон фаунистических и флористических ассоциаций: слои, содержащие ископаемые остатки одних и тех же видов животных и растений, образовались в одно и то же время. Первый принцип позволяет установить хронологический порядок образования горных пород в одном месте, второй - синхронизировать между собой пласты, залегающие в разных местах

Принципы эти, казалось бы, предельно просты, однако при  их практическом применении нас подстерегает целый ряд ловушек. Так, исходная последовательность слоев в результате тектонических движений зачастую сминается  в более или менее горизонтальные складки. Если в дальнейшем вышележащая  половинка складки (с "правильной" последовательностью) окажется полностью  уничтоженной эрозией, то установить, что в нашем распоряжении осталось лишь искаженное, запрокинутое залегание  слоев, будет весьма непросто (см. рисунок 1, б). Еще большие проблемы возникают с законом фаунистических ассоциаций. Синхронные, но пространственно удаленные фауны всегда будут отличаться друг от друга; в частности - они будут иметь в своем составе разную долю реликтов, унаследованных от предшествующих эпох. Представьте-ка себе, что вам предложено "вслепую" сопоставить выборки из современных фаун млекопитающих Европы и Австралии (со всеми ее сумчатыми и однопроходными); много ли у вас будет оснований для заключения об их синхронности? Сведение множества региональных последовательностей фаун и флор в единую глобальную шкалу - одна из основных задач специального раздела геологии, стратиграфии (от латинского "стратум" - слой).  

Трудности, возникающие  на этом пути, велики - но вполне преодолимы. Последовательное применение принципов Стено и Гексли (плюс накопление огромного эмпирического материала) позволило геологам уже в самом начале XIX века разделить все отложения на первичные, вторичные, третичные и четвертичные; это деление полностью соответствует современному делению осадочных толщ на палеозойские, мезозойские и кайнозойские (объединяющие два последних подразделения). А к 30-м годам прошлого века в составе этих отложений были выделены и почти все принятые ныне системы (юрская, меловая, каменоугольная и пр.); последняя из них - пермская - была выделена Р.Мурчинсоном в 1841 году.  

Так была создана  всеобъемлющая шкала относительного времени - геохронологическая шкала - к которой может быть однозначно "привязана" любая содержащая ископаемые осадочная порода. Шкала эта оказалась столь совершенной, что двадцатый век не внес в нее сколь-нибудь существенных корректив, за исключением чисто формального изменения ранга некоторых ее подразделений (в пятидесятые годы единый третичный период был разделен на два - палеогеновый и неогеновый, а ордовик, считавшийся частью силура, получил ранг самостоятелного периода) [03], и лишь снабдил ее подразделения абсолютными датировками. Основная проблема, которую с той поры пришлось решать геологам - это создание такой же шкалы для наиболее древних пород, которые считались "немыми" - т.е. лишенными сколь-нибудь сложных (и, соответственно, диагностичных) ископаемых остатков (рисунок 2, а также форзац).  

Геохронологическая  шкала. (Для того, чтобы запомнить последовательность периодов, составляющих фанерозой - кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь, триас, юра, мел, палеоген, неоген, антропоген - студенты испокон веков пользуются мнемонической фразой не вполне педагогичного свойства: "Каждый отдельный студент должен купить поллитра. Ты, Юрик, мал - подожди немного, а то...").  

Самыми крупными подразделениями геохронологической шкалы являются эоны; хорошо известные  вам палеозой, мезозой и кайнозой - это эры, на которые подразделяется последний из эонов - фанерозой (от греческого "фанерос" - видимый, явный, и "зоэ" - жизнь), начавшийся 0,54 млрд лет назад. Эоны, предшествующие фанерозою, - протерозой (0,54-2,5 млрд лет) и архей (2,5-4,5 млрд лет) - часто объединяют под названием криптозой ("криптос" - по гречески скрытый), или докембрий (кембрий - самый первый период фанерозоя). Фундаментальное разделение геохронологической шкалы на фанерозой и докембрий основано на наличии или отсутствии в соответствующих осадочных породах ископаемых остатков организмов, имевших твердый скелет. Первая половина архея, катархей - время, из которого осадочные породы не известны по причине отсутствия тогда гидросферы. Последний отрезок докембрия, венд - время появления бесскелетных многоклеточных животных (рисунок 2).  

С каждой из единиц, составляющих существующую последовательность осадочных пород, можно однозначное  соотнести определенное подразделение  временной шкалы - и наоборот; так, все отложения, образовавшиеся на Земле  на протяжении юрского периода, образуют юрскую систему, или просто юру. Системы объединяются в группы (юра входит в состав мезозоя), и делятся на отделы (нижняя, средняя и верхняя юра), ярусы (верхняя юра - на келловей, оксфорд, кимеридж и титон) и, далее, на зоны ("Cardioceras cordatum"); временным же эквивалентом группы эвляется эра, отдела - эпоха, яруса - век, зоны - время (см. рисунок 3). Названия подразделений геохронологической шкалы обычно происходят от той местности, откуда были впервые описаны "эталонные" для этого времени осадочные породы (пермский период, оксфордский век); исключение составляет низшая единица шкалы, всегда называемая по так называемому "руководящему ископаемому", характерному для этого момента геологической истории (время Cardioceras cordatum).  
 

Итак, например, пермский период следует определить как время, когда на Земле образовывались горные породы такого же типа, что ныне выходят  на поверхность в окрестностях уральского города Пермь. Имея дело с геохронологической шкалой, необходимо всегда помнить, что  первичен здесь именно определенный тип геологических тел, а время  производно, вторично. (Тот же самый  принцип используется и в археологии: мезолит или бронзовый век - это  время, когда люди делали орудия и  украшения определенного типа.) Именно по этой причине геохронология спокойно обходилась и без датировок ее подразделений в миллионах лет, ставших привычными лишь в последние  три-четыре десятилетия. Вообще роль абсолютных (радиоизотопных) датировок очень  велика для стратиграфии докембрийских  толщ, где отсутствуют достаточно сложные ископаемые; радиоуглеродный  метод [04] широко применяется для  датировки новейших отложений, возрастом  менее 40 тысяч лет. В остальном  же эти методы играют в стратиграфии сугубо подчиненную роль, и мы в  дальнейшем будем в основном обозначать время в терминах не абсолютной, а относительной шкалы.  

Однажды академику  А.Л.Яншину задали вопрос - в чем состоит  разница между абсолютной и относительной  геохронологиями? Тот, согласно преданию, ответил: "Главная разница в том, что относительная геохронология точна, а абсолютная - нет". Дело в том, что радиоизотопные методы дают нам датировку с точностью до 1-2 %, которая, на первый взгляд, кажется вполне приемлемой. Не забудем, однако, о том, что на отрезках времени в сотни миллионов лет (которыми оперирует геология), эта погрешность измерения тоже будет исчисляться миллионами лет. Пусть мы определили абсолютный возраст некой осадочной толщи как 154±2 млн лет; в течение этих двух миллионов лет могли накопиться многие сотни метров (или даже километры) осадков. Палеонтологи же способны распознать в этой толще однообразных пород слой толщиной всего в несколько метров, руководствуясь известным им "адресом" - верхняя юра, оксфордский ярус, зона Cardioceras cordatum, ибо только в это "мгновение" геологической истории жил на Земле головоногий моллюск Cardioceras cordatum. Распознать же столь ничтожный отрезок времени методами абсолютных датировок нельзя ни в каком приближении.  

Здесь опять напрашивается  аналогия с археологией. Предположим, мы обнаружили древеегипетский саркофаг. Можно отколупнуть от него щепку и, путем немалых усилий, установить, что дерево из которого он был изготовлен, срублено 4500±300 лет назад. Археолог же поглядит на орнамент саркофага и без колебаний скажет: "Среднее царство, XIII династия... конец, но не самый". Ну, и какая из датировок, на ваш взгляд, более содержательна?

1-а (дополнительная). Несколько слов о методологии  науки. Принцип актуализма, "Бритва  Оккама" и презумпции. Проверка  теории: верификации и фальсификации.  

Принцип актуализма (термин этот был введен в 1830 году Ч.Лайелем) заключается в том, что при  любых реконструкциях событий прошлого мы исходим из того, что в те времена  должны были действовать такие же законы природы, что и ныне; сам  Лайель кратко формулировал его как "Настоящее есть ключ к прошлому". И пускай, к примеру, в докембрии  существовали экосистемы, не имеющие  современных аналогов - но камень-то, надо думать, и тогда падал на землю с ускорением 9,8 м/сек2, вода замерзала при нуле градусов Цельсия, а молекула хлорофилла исправно поглощала кванты света... А, собственно говоря, почему? Вопрос этот вовсе не так уж прост.  

Непосредственно в  прошлое заглянуть невозможно, машина времени - это несбыточная мечта  человечества. Любые наши суждения о прошлом есть лишь более или  менее вероятные предположения, основанные на интерпретации фактов и событий современности. Динозавры (столь полюбившиеся широкой публике  после "Юрского парка") - это, вообще-то говоря, лишь куски песчаника, напоминающие своей формой кости современных  рептилий; все же остальное - чистые домыслы. Понятное дело, что цена домыслам режиссера С.Спилберга и академика от палеонтологии Л.П.Татаринова несколько разная, однако экспериментально проверить нельзя ни первые, ни вторые - ни сегодня, ни в будущем. Поэтому для начала нам следует решить для себя принципиальный вопрос: познаваемо ли прошлое вообще? При этом необходимо признать, что на логическом уровне проблема неразрешима, то есть это вопрос не разума, а веры.  

Если ответ будет "нет", то мы можем дальше по собственному усмотрению населять прошлое атлантами  и лемурийцами, разумными спрутами и крылатыми огнедышащими драконами, а можем, наоборот, отрицать существование всего, что не упомянуто - черным по белому - в Ветхом Завете. Пожалуйста; мы теперь находимся в сфере мифологии, можно ни в чем себе не отказывать. Отправившись по этому пути, мы с неизбежностью должны придти к отрицанию существования Хеопса, Ивана Грозного, а то и товарища Сталина - чем они в этом смысле лучше динозавров?  

Если же мы примем, что прошлое принципиально познаваемо (а подавляющее большинство людей  решают для себя этот вопрос именно так), и останемся при этом на позициях рационального мышления (то есть будем  полагаться не на "откровения свыше", а на свои собственные наблюдения и умозаключения), то упомянутый выше кусок песчаника немедленно превратится  в бедренную кость тиранозавра. Структура ее поверхности позволит нам сделать выводы о местах прикрепления мышц, и соответственно, о типе походки, скорости передвижения и возможных способах охоты; внутренняя структура кости - о характере кровоснабжения, и соответственно, о возможной теплокровности этих существ. Ископаемая древесина с годичными кольцами позволит заключить, что климат в этом месте тогда был сезонным, а ископаемый коралловый риф - что температура окружающей его морской воды превышала 20 градусов. Все эти выводы будут основаны на аналогиях - на том, как ведут себя кости позвоночных, древесина и коралловые рифы в наши дни. Но вправе ли мы исходить из такой предпосылки? Не только вправе - мы обязаны поступать именно так, и вот почему.