Рис. 5.1 Гранитные интрузии в долине реки Тилт, которые помогли подтвердить плутонистскую точку зрения Джеймса Хаттона. (A) Обнажение выше моста Дэйл-ан-Эс в его современном состоянии (вид на северо-восток, вверх по долине): видны белые жилы гранитов, прорывающие темные докембрийские сланцы Хайленда (Северо-Шотландского нагорья). Фото Британской геологической службы. (B) На иллюстрации Джона Клерка из посмертного издания книги Хаттона показаны дайки, прорывающие более древние породы. Источник: Wikimedia Сommons
Рис. 5.2 Трон Артура – жерло потухшего вулкана каменноугольного периода, которое возвышается над южной частью Эдинбурга. Уступы на переднем плане – Утесы Солсбери, вулканические силлы[21], возникшие в результате внедрения магмы вдоль напластования вмещающих каменноугольных осадочных пород. Хаттон жил в доме у подножия Утесов Солсбери (справа на снимке) и часто бродил по окрестностям со своей собакой Мисси. Снимок сделан недалеко от Эдинбургского замка, который располагается на другом жерле того же вулкана. Источник: Wikimedia Сommons
Однако Хаттону требовалось нечто еще более убедительное: потоки лавы, внедренные в сформировавшиеся в воде слоистые отложения. Когда исследователь бродил по холмам к югу от Эдинбурга со своей собакой Мисси, он понял, что возвышающаяся над городом гора Трон Артура – жерло древнего вулкана (рис. 5.2), а Утесы Солсбери в северной части горы – уступ древних вулканических пород. Наконец, на юго-западных склонах этих утесов он нашел то, что предвидел: интрузии базальтовой лавы, которая расплавила слоистые осадочные породы и в ходе этого процесса даже деформировала их (рис. 5.3). Это знаменитое место получило название Разрез Хаттона, и его регулярно посещают студенты, изучающие геологию. В 1786 г. Хаттон нашел подобный пример в области Галлоуэй, а в 1787-м – еще один на острове Арран.
Рис. 5.3 Разрез Хаттона на Утесах Солсбери. (A) На обнажении в его современном состоянии можно увидеть прокаленные и деформированные осадочные слои (внизу) с окружающими их магматическими породами (вверху). (B) Крупный план правой стороны этого обнажения, показывающий изогнутые осадочные слои, окруженные внедрившимися магматическими породами. Фото автора
Хаттон и его друзья-химики, в том числе Джозеф Блэк и сэр Джеймс Холл, также гораздо лучше, нежели другие ученые того времени, представляли себе химию горных пород, Хаттон знал, как выглядят минералы, образующиеся в результате химического осаждения из воды (например, соль), и мог видеть, что магмы не образуются в воде. Когда в 1768 г. Хаттон переехал в Эдинбург, он работал с Блэком, который разделял его любовь к химии – важнейшему инструменту для понимания воздействия на горные породы высокой температуры. Блэк ввел понятие скрытой теплоты и осознал важность давления при нагревании веществ. Например, вода под давлением остается жидкой, даже если ее нагреть до температуры, которая обычно превращает воду в пар. Эти идеи, касающиеся роли тепла и давления, станут ключевыми для теории Хаттона, объясняющей, как погребенные осадочные отложения превращаются в горные породы. В 1792 г. Холл провел эксперимент: он расплавил кусок базальта при температуре в диапазоне от 800 до 1200 ℃; затем при медленном охлаждении расплав снова перекристаллизовался в базальт. Это был один из первых экспериментов в геологии, и он показал, как должны выглядеть расплавленные горные породы в природе.
Динамичная Земля
Читая сообщения о горячих источниках и вулканах (хотя и ни разу не побывав на них), Хаттон убедился, что Земля в ее центре горячая и расплавленная; источник тепла он называл «великой тепловой машиной Земли». По его словам, «вулкан создан не для того, чтобы ужасать суеверные умы и ввергать их в приступы благоговения и набожности. Его следует рассматривать как вентиляционное отверстие печи». О правоте геолога свидетельствовали и угольные пласты, пропекшиеся под действием прорвавшей их лавы. Он считал, что эта «тепловая машина» ответственна за поднятие и создание гор, которые затем превращались в осадочный материал, смываемый в море. Эти процессы происходили в бесконечном цикле поднятия, эрозии, образования отложений и нового поднятия. Идеи Хаттона стали частью представления о динамичной Земле, которая была невероятно старой – и в то же время постоянно перестраивающейся и трансформирующейся, – а вовсе не молодой и практически не менявшейся с момента своего сотворения 6000 лет назад, согласно Библии.
Хаттон изложил свои идеи в статьях 1788 г., а затем в переработанном двухтомнике «Теория Земли» 1795 г. Однако концепцию геолога приняли не сразу – отчасти потому, что его тексты были очень трудны для чтения и понимания, и когда ученый умер в 1797 г., его теория все еще не получила широкого признания. Впрочем, в 1802 г. его ученик Джон Плейфер опубликовал книгу «Иллюстрации к Хаттоновой теории Земли» (Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth), которая была более доходчивой и стала популярной среди читателей (к тому же в ней были иллюстрации Джона Клерка, друга Хаттона, которые помогали понять, что имел в виду ученый).
Потребовалось еще одно поколение, чтобы революционные научные идеи получили признание в геологическом сообществе. Это произошло благодаря молодому человеку по имени Чарльз Лайель (рис. 5.4), который родился в 1797 г. – год смерти Хаттона. Изначально он изучал юриспруденцию, чтобы стать адвокатом, но вскоре она ему наскучила, и в качестве хобби он занялся молодой наукой геологией. Он много путешествовал по Европе, наблюдал разнообразные геологические явления и изучал их с униформистской позиции Хаттона. Итогом стало появление главного труда Лайеля, «Основные начала геологии» (Principles of Geology), который вышел в трех томах с 1830 по 1833 г.
Рис. 5.4 Чарльз Лайель в последние годы жизни, после того как он был посвящен в рыцари и стал одной из самых уважаемых фигур в науке благодаря своим книгам об униформистском подходе к геологии. Источник: Wikimedia Сommons
Эта книга написана как краткое юридическое обоснование (которое, о чем вам скажет любой юрист, никогда не бывает кратким). Собрав все наблюдения из путешествий и выводы из прочитанных работ, Лайель использовал свои навыки юриста, чтобы выдвинуть решающие аргументы в пользу униформистского взгляда на геологические процессы. Как любой хороший юрист, он применил методы дискредитации своих противников-катастрофистов, одновременно излагая неопровержимые доказательства собственной правоты. Он подтвердил идеи Хаттона, касающиеся «великой тепловой машины Земли», сославшись на многочисленные сообщения об извержениях вулканов и о горячих источниках, особенно на юге Италии. Последние авторитетные катастрофисты и нептунисты сдались через несколько лет, и геология стала той наукой, какой мы ее знаем.
06. Камень, который горит. Промышленная революцияУголь
Зовут Полли Паркер, мой род из Уорсли,
Работают в шахте отец мой и мать,
В семье семь детей, и поэтому в шахте
Мне тоже приходится спину ломать.
Вам можно жалеть мой удел безотрадный,
Труд в поте лица, только мне все равно.
Я песню пою и не падаю духом,
Пусть угольщицей мне прожить суждено.
Опасности всюду меня окружают,
Когда надо мной лишь канат или цепь –
Потоки ворвутся, пожар запылает,
Завалит породой, разрушится крепь.
Но как вы бы жили без нашей работы,
Пришлось бы жестоко вам всем голодать.
Мы благо приносим, и, право, не стоит
Вам бедную угольщицу презирать.
Схоронены целыми днями в тоннелях
Без теплого солнца, и темень кругом,
А ночью срываемся часто с постели:
Вода появилась, бежим босиком.
Черны наши лица, одежда в лохмотьях,
Зато мы добры, и свободен наш род,
Пускай мы всего лишь добытчики угля,
Но наши сердца больше, чем у господ.
Кусок угля
В Китае люди добывали уголь еще за 4 тысячелетия до н. э.: здесь он в основном использовался для каминов и печей. Но примерно в 1000 г. до н. э. китайцы уже использовали уголь для выплавки меди. Марко Поло после своего путешествия на восток с 1271 по 1295 г. рассказывал, как китайцы использовали «черные камни… которые горят, как бревна». Он поражался изобилию угля: его было так много, что люди могли мыться горячей водой три раза в неделю.
Однако уголь использовался в Европе с древних времен, а к Средним векам, когда жил Марко Поло, про него просто забыли. Около 300 г. до н. э. греческий философ Теофраст описывал его в своем геологическом трактате «О камнях»:
Среди камней, что выкапывают ради пользы, те, что зовутся антраксы [уголь], состоят из земли, но, будучи подожженными, загораются, как древесный уголь. Эти камни есть в Лигурии… и в Элиде, где люди идут в Олимпию горной дорогой; там их используют кузнецы.
Установлено наличие угля в погребальных кострах на английских стоянках бронзового века (три тысячелетия до новой эры). К 200 г. н. э. римляне вели добычу на большинстве угольных месторождений Англии, Шотландии и Уэльса. Уголь использовался не только в печах для плавки металлов, но и для очагов, для центрального отопления вилл и нагрева воды в римских банях – например таких, которыми знаменит английский город Бат[22].
Промышленная революция
В Средние века и примерно до 1700 г. уголь оставался второстепенным топливом, поскольку его было трудно добывать, в то время как древесина и другие горючие материалы имелись в избытке. Все изменилось, когда в конце XVIII в. началась промышленная революция. Хотя широко использовались водяные колеса и другие источники энергии, рек для снабжения крупных заводов стало недостаточно, и к 1830 г. в Англии закончились подходящие речные участки. Поэтому изобретение паровой машины в конце XVIII в. обеспечило практичный источник большого количества энергии, которая шла на работу фабрик или приводила в движение корабли и паровозы. Для небольших паровых машин можно было использовать дрова, однако крупным машинам требовался более дешевый и более концентрированный энергоресурс. Уголь стал первым великим топливом промышленной революции и дал человечеству возможность вступить в индустриальную эпоху (рис. 6.1).