Читать книгу Концепции современного естествознания. Часть 2. Биология и геология - Аркадий Исаакович Липкин - Страница 1

Науки о Земле в широком смысле представляют сегодня науку о различных геосферах, к которым традиционно относят неорганические лито-, гидро- и атмосферы, но к ним логично добавить и биосферу, о которой речь пойдет в следующей главе (куда включен и параграф по экологии, в котором обсуждается введенное В.И. Вернадским понятие ноосферы, которая сегодня выступает как техносфера). Данная глава посвящена геологии (букв. наука о Земле) – науке о Земле в узком смысле, науке о неорганических геосферах, науке о строении Земли и ее эволюции.

Науки о Земле имеют ряд принципиальных отличий от физики, химии и синергетики, представленных в Части 1. Последние имеют четкую структуру «ядра раздела науки» (ЯРН), задающую свои «первичные идеальные объекты» (ПИО), которые и составляют основание соответствующих наук и их разделов (сх. 3.1; 9.1; 10.2), их специфику определяют «первичные идеальные объекты». Эти естественные науки, образцом для которых служит физика, формируются экспериментом со структурой <Приготовление |Явление |Измернение> (сх. 1.1). Для них характерно выявление эмпирических закономерностей (на ранних этапах развития) и построение «ядра раздела науки» в зрелом состоянии.

Специфику наук о Земле определяют не ПИО, а «предмет исследования», который формируется в рамках так называемой «естественной истории», суть которой состоит в описании, выделяющем предметные области, развитии самого языка описания. Так основные первичные понятия геологии, например, «горная порода», формируются внутри некоторой профессиональной области, где обучают распознавать породы, путем сравнения с образцами. Такое распознавание образов имеет много общих черт с измерением, суть которого, как было сказано в первой части, состоит в сравнении с эталоном. По мере роста числа этих образов возникает проблема их классификации, для решения которой возникают теории классификации. Таким образом, в естественной истории мы имеем дело с другими, чем в первой части, базовыми понятиями: они не даются с помощью определений (явных или неявных) и не являются «очевидными» для всех, они существуют как образцы в рамках определенной профессиональной деятельности и умение их распознавать передается как профессиональный навык.

Круг исходных (первичных) объектов и явлений в геологии формируется, во-первых, из описания руд, минералов, горных пород, формировавшихся в горнорудном деле с глубокой древности. Из этого потока естественно-исторического описания в XVIII в. рождается геогнозия, которая использует первоначально язык, выработанный в технике поиска полезных ископаемых и металлургии. «Геогнозия… определялась А.Г. Вернером (1750–1817) как «наука, изучающая твердое тело Земли как в целом, так и в виде различных сообществ минералов и горных пород, из которых она состоит, а также их происхождение и соотношение друг с другом» [Хаин, с. 40] (выделено – А.Л). Первыми объектами описания этой науки, центральным понятием которой стало заимствованное из горного дела понятие «горная порода», стали разрезы горных массивов. Описания этих разрезов в виде описания расположения в них слоев различных горных пород (различные глины, пески, граниты и т.п.) и минералов фиксировались в виде стратиграфических схем. Вторым важным объектом описания стал общий рельеф местности (горы, равнины, моря и т.п.). Успехи физики и химии первых десятилетий XIX в. дали новые возможности в описании минералов. «Крупнейшие химики стали ведущими минерологами этого периода. В результате их активной деятельности был определен точный химический состав порядка 450 минералов, большая часть которых ранее не была известна» [Хаин, с. 66]. В результате образуется следующая последовательность понятий: химические элементы земной коры образуют природные химические соединения – минералы, а те, в свою очередь, путем химического или чаще механического соединения – горные породы. В геогнозии разрабатываются «принципы первого расчленения слоистой осадочной оболочки Земли», составившие «фундамент геологической науки» [Хаин, с. 46]

Второй круг явлений составляют извержения вулканов и землетрясения, вопросы об образовании гор, изменении русел рек, речных отложениях, происхождении окаменелых остатков морской фауны в горах. Этот круг вопросов рассматривался уже в античной натурфилософии.

Взаимодействие этих двух потоков порождает в XVIII в. две картины натурфилософского типа о происхождении слоев пород: нептунистскую и плутонистскую. Первая, не без влияния общепринятой библейской картины Всемирного потопа, утверждала, что «материал, из которого состоят слои, образовался в результате кристаллизации из водного раствора» [Хаин, с. 42]. Плутонистская концепция, исходя из наблюдений вулканической деятельности, утверждала магматическое происхождение различных пород [Хаин, с. 43]. Смещению этих рассуждений от натурфилософии к естественной истории способствовало взаимодействие с палеонтологией – в начале XIX в. стало практиковаться сопоставление слоев пород и окаменелых остатков живых организмов, которые в них находились. Результатом этого взаимодействия с исторической биологией (Ж. Кювье) стало «создание стратиграфической (геохронологической) шкалы», [Хаин, с. 47–49]. Разработанный в XIX в. биостратиграфический метод, основанный на анализе сохранившихся остатков фауны, позволил расшифровать историю Земли за последние 500— 600 млн. лет (во второй половине XX в., благодаря систематическому применению методам радиометрического датирования горных пород, удалось перейти от относительной геохронологии к абсолютной и уточнить раннюю историю Земли и ее возраст (порядка 4,5 млрд. лет)).

В результате появились значительно более богатые описания пород в пространстве и времени, что дало толчок к более сложному описанию процессов образования гор, а затем и других ландшафтов. Постепенно сформировался более широкий круг геологических явлений (поведение ледников, изменение уровня мирового океана и др.), которые пытались объяснить.

Важной вехой в переходе от естественно-исторического описания к естественно-научному объяснению явлений стал спор катастрофистов и эволюционистов по поводу характера течения геологических процессов. Первые утверждали прерывистость (пунктуализм) этого процесса, вторые – непрерывность (градуализм). Во главе этих направлений оказались великие биологи Ж. Кювье и Ж.-Б. Ламарк, разрабатывавшие соответствующие концепции эволюции в биологии. В 1830 г. в Парижской Академии наук произошел публичный спор между Ж. Кювье и Ж. Сент-Илером (Ламарка уже не было в живых), который продолжался шесть недель и был прекращен академией. В этот раз победа была присуждена Кювье, но в истории науки точка не была поставлена, и главным стала не победа какой-либо стороны, а выплеснувшееся с обеих сторон море аргументации. Один из современников этой дискуссии писал по ее поводу: «Замечательные выводы, полученные из неожиданных фактов; счастливое сочетание данных минералогии и зоологии; доказательство последовательных революций в физической истории Земли, о котором раньше не имели ни малейшего представления, – все это, вместе взятое, не только позволило в новом свете увидеть довольно неясный до этого предмет, но придало новые силы и открыло новые возможности…» [Хаин, с. 59]. Естественнонаучное объяснение состояло в построении физических, а также химических моделей геологических явлений.

В результате этого наступает новый естественнонаучный этап в развитии наук о Земле, ознаменованный появлением геофизики, становящейся центральной наукой о Земле. Ситуация с геофизикой напоминает ситуацию с физической химией, описанную в п. 10.2: геофизика представляет собой совокупность объектов и явлений, для которых строятся модели («вторичные идеальные объекты» (ВИО)), с помощью ПИО, взятых из физики, главным образом из разделов механики сплошных сред (в первую очередь гидродинамики сильно вязких жидкостей, включающей термодинамические процессы) и (в меньшей степени) из химии. Но в отличие от физической химии, первичным источником этих объектов и явлений является не естественная наука, а естественная история, которая не исчезает с появлением геофизики.

Основным источником информации о внутренней структуре Земли (измерительным инструментом) служит исследование прохождения сейсмических (разновидность акустических) волн, изменения направления и скорости их распространения при прохождении через толщу Земли. Очень важным при этом является свойство поперечных волн (волн, в которых направление колебания перпендикулярно направлению распространения) – сильная зависимость от степени текучести вещества (они не могут распространяться в жидкости). В глубинах Земли в условиях высоких температур и давлений горные породы переходят из твердого в вязкое (типа смолы) или жидкое состояния и об этих изменениях фазового состояния можно судить по изменению поведения поперечных акустических волн. Так было выяснено, что под океанами и материками залегают кристаллические породы, названная литосферой (каменная оболочка, от греч. lithos камень sphaire шар), а под ней встречаются области, названные астеносферой (мягкая оболочка), где вязкость достаточно резко падает и вещество начинает вести себя как жидкость (Daly, 1951).

По современным представлениям (на основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных), в составе Земли преобладают (как по массе, так и по числу атомов) железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90 % массы Земли (соответственно 34,6 %, 29,5 %, 15,2 %, 12,7 %) [Люстих].

Значительный объем новой информации, особенно о строении атмосферы, был получен в результате исследований глобальных геофизических процессов во время максимальной солнечной активности, проводившихся в рамках Международного геофизического года (1957–58) учеными 67 стран.

На основе измерений с помощью спутников была изучена структура магнитосферы, а также выявлено наличие радиационных поясов вокруг Земли. В конце 1970-х гг. с помощью геодезических спутников (GEOS-3) удалось достичь существенного прогресса в изучении геоида (точной формы Земли). Наряду со спутниковой геодезией широкое развитие получила спутниковая метеорология, что значительно повысило точность метеорологических прогнозов. С 1968 ведется международная программа глубоководного бурения в Мировом океане, что позволило существенно продвинуться в понимании тектонического строения Земли (непосредственному исследованию посредством глубинного бурения доступны сегодня только внешние 12–14 км. (максимальная глубина, достигнутая бурением, составляет немногим более 14 км (скважина Вредефорд в Южной Африке); российская сверхглубокая скважина СГ-3 на Кольском п-ве достигла глубины 12 км), но иногда в эти скважины попадаются «гости» из более глубоких слоев Земли (геосфер)). Большую информацию о недрах дают обломки сверхглубинных пород (ксенолиты) выведенных на поверхность лавой вулканов.

С началом применения мощных компьютеров появилась возможность резкого ускорения и уточнения получаемой геофизической информации. С их помощью с 1980— 90-х гг. развивается геофизическая томография, с помощью которой построены сейсмические разрезы нижней и верхней мантии (рис. 12.1).

Большое значение приобрели данные экспериментальной минералогии, после того как с помощью алмазных наковален удалось добиться получения давлений, отвечаемых предполагаемым, на различных глубинах в мантии, вплоть до ее границы с ядром.

Для изучения максимальных глубин океана стали использоваться обитаемые глубоководные аппараты. В 1960 швейцарец Ж. Пиккар и американец Д. Уолш в батискафе «Триест» достигли дна Марианского желоба – самого глубокого места Мирового океана (11022 м). С 1980— 90-х гг. подводные аппараты с человеком на борту широко используются для выполнения геологических, гидрологических и биологических наблюдений в глубинах океана.

Запуски межпланетных космических аппаратов к Меркурию, Марсу, Венере, а также к более отдаленным планетам позволили также углубить знания о строении и эволюции Земли на основе сравнительного изучения планет (сравнительная планетология). Полученные данные вместе со сведениями о структуре земной коры и глубинных недр планеты послужили основой для разработки моделей развития Земли.

Итак, естественная история Земли выявила особый предмет исследования для основных естественных наук – физики и химии, а применение современных физических и химических инструментов исследования в сочетании с построением физических моделей, породили геофизику (включившую в себя значительную часть геохимии), ставшую ведущей естественной наукой о Земле, использующую первичные идеальные объекты физики (главным образом гидродинамики вязких сред) и химии, что породило два связанных направления: теорию внутреннего строения планеты и теорию тектоники литосферных плит.