Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

Глава 4 КОНЦЕПЦИИ НАУК О ЗЕМЛЕ

Основная цель данной главы состоит в обеспечение понимания концептуального устройства современных наук о Земле. В результате изучения данной главы студент будет:

знать:

•истории развития геологических направлений;

•основные концепты наук о Земле;

•прошлое, настоящее и будущее геосфер и Земли в целом;

уметь:

•объяснять в основных чертах динамику процессов, происходящих на Земле;

•интерпретировать содержание менее развитой теории с позиций более развитой концепции;

•выявлять основания наук о Земле;

владеть:

•навыками анализа концептуального содержания наук о Земле;

•умением выявлять проблемные аспекты различных воззрений;

•способностью учета междисциплинарных связей наук о Земле с физикой, химией и биологией.

Ключевые термины: геологическое время, геологическое направление, ядро, мантия, литосфера, астеносфера, педосфера, гидросфера, атмосфера Земли, тектоника литографических плит.

4.1. Геологическое время

Новую главу мы посвящаем наукам о Земле. Эта планета Солнечной системы является нашей обителью. Естественно, что она вызывает пристальный интерес ученых. Согласно номенклатуре научных специальностей, принятой в нашей стране, науки о Земле включают 36 групп отдельных наук. Естественно, в рамках данной книги эти групп наук, в частности геология, геофизика, геохимия, география, не могут быть рассмотрены в деталях. Мы уделим основное внимание геологии (от греч. ge — земля, logos — учение), которая составляет сердцевину наук о Земле. Наша задача состоит в рассмотрении всех геооболочек Земли, а именно ядра Земли, ее мантии, астеносферы, литосферы, гидросферы, атмосферы, магнитосферы. При этом значительное внимание будет уделено экологическим аспектам наук о Земле.

В любой науке о природе или обществе приходится различать прошлое, настоящее и будущее. К прошлому относятся процессы, которые

162

уже закончились. Настоящее — это продолжающиеся процессы. Будущее — это процессы, которые еще не начались. Прошлое, настоящее и будущее называются модусами времени. Само время является совокупностью длительностей, а они, как известно, измеряются часами. Но как измерить длительности процессов, которые состоялись более 4 млрд лет тому назад? Непростой вопрос, на который ищут ответ геологи на всем протяжении развития излюбленной ими науки. В этой связи весьма актуальный подход реализовал в далеком 1669 г. датский геолог Н. Стенон.

Концепция Стенона

Согласно его концепции, в серии нормально залегающих пластов вышележащий пласт моложе нижележащего, а секущие их трещины и минеральные жилы еще моложе. Главная идея Стенона такова: слоистая структура пород поверхности Земли представляет собой пространственное отображение геологических длительностей. Другая его идея состояла в том, что геологические объекты, имеющие одинаковое строение и являющиеся следствием одной и той же причины, одновозрастны.

В развитие идей Стенона современные геологи упорно ведут поиск характерных органических форм или же совокупностей органических остатков, встречающиеся во многих разрезах. Если этот поиск заканчивается успехом, то соответствующие разрезы считаются одновозрастными. Определяющими формами окаменелостей являются для кембрийского периода трилобиты (вымерший класс морских членистоногих), для ордовикского периода — граптолиты (колонии из многочисленных мелких особей, подобных кораллам), для девонского периода — аммониты (подкласс головоногих моллюсков).

Два рассмотренных метода называют стратиграфическим (от лат. stratum — настил, слой и греч. grafo — пишу, черчу, рисую) и биостратиграфическим. Они позволяют определить относительный возраст пород, какая старше и какая моложе. Но невозможно определить насколько именно лет одна порода моложе или старше другой. Иначе говоря, указанные методы позволяют определить относительный, но не абсолютный возраст тех или иных геологических объектов. Очевидно, однако, что и абсолютный возраст представляет для геологов значительный интерес. Когда говорят, что возраст Земли равен 4,54 млрд лет, то речь идет об ее абсолютном возрасте.

Так называемая абсолютная геохронология является детищем не геологии, а физики. Она основана на использовании закона радиоактивного распада, согласно которому количество любого радиоактивного изотопа уменьшается со временем по экспоненциальному закону:

где N0 — количество атомов в начальный момент времени, N — количество атомов по прошествии времени t, — постоянная распада. Физический смысл определяется следующим образом. Принимают, что N0 больше N ровно в два раза. В таком случае t называется периодом полураспада. Из формулы (4.1) следует, что

163

Если в формуле (4.1) заменить на ее выражение через T1/2, то для t получается выражение

Это означает, что, подсчитав число атомов материнского (N) и дочернего изотопа (D N0 – N), можно определить абсолютный возраст t по формуле

В табл. 4.1 приведены некоторые изотопы, используемые в ядерной хронологии.

Исследователи имеют возможность подобрать изотоп с большим или меньшим периодом полураспада. Но, разумеется, от них потребуется в работе необходимая тщательность. В частности необходимо как можно более точное изучение истории объекта, миграции химических элементов, из которых он состоит. Если этого не сделать, то радиоизотопные часы будут либо отставать, либо спешить. Как бы то ни было, определение абсолютного возраста пород оказывается возможным. Впрочем, этот метод не всесилен.

Порой ошибочно полагают, что радиоизотопное датирование разрешило все проблемы, связанные с определением длительностей геологических объектов, в частности, оно отменяет необходимость стратиграфического времени. Дело в том, что физическое время не выражает подлинной специфики геологического времени. Геологу необходимо увязать временные характеристики с особенностями типичных геологических объектов. В этой связи он расчленяет отложения, выделяет в них отдельные толщи, слои, пачки, выясняет одновозрастные породы и их последовательность. Эта работа является успешной лишь в случае определения относительного геологического времени. Оно оказывается количественной характеристикой геологических эонов, их составляющих эр и периодов, входящих в состав эр.

Самыми большими процессуальными единицами геологии являются эоны (катархей — 4570—3800 млн лет тому назад; архей — 3800—2500 млн

164

лет; протерозой — 2500—542 млн лет), фанерозой — 542 млн лет тому назад до нашего времени). Устройство ближайшего по времени к нам фанерозойского эона иллюстрируется табл. 4.2.

Для несведущего в геологии человека указанные в табл. 4.2 абсолютные возраста периодов не выражают какой-либо закономерности. Для геолога она есть и, что крайне важно, задается соотношением эонов, эр и периодов. Таким образом, геологическое и физическое время дополняют друг друга. Что касается геохронологической шкалы, которую мы не стали приводить целиком из-за ее громоздкости, то она является своеобразной таблицей Менделеева для геологии.

Выводы

•Для количественной характеристики геологических процессов разработано понятие геологического (относительного) времени, которое дополняется физическим временем.

•Физическое время определяется методом радиоизотопной датировки.

•При определении геологического времени, а оно является относительным, руководствуются спецификой геологических процессов.

•Геологическое и физическое время дополняют друг друга.

•Геохронологическая шкала выражает своеобразие геологических процессов.

4.2. История геологических направлений

Во всякой науке наблюдается известный плюрализм. Геология в этом смысле не является исключением. Причем в ней очень ярко проявилась еще одна немаловажная тенденция, характерная для процесса развития науч-

165

ного знания. Обычно господствующие научные направления образуют пары противоположностей. Как правило, дело обстоит не так, что есть всего лишь одна образцовая (парадигмальная) позиция. Господствующее направление непременно имеет мощного соперника. В истории геологии соперничающие направления представлены тремя парами конкурирующих направлений: нептунизм и плутонизм, униформизм и катастрофизм, фиксизм и мобилизм. Об их соотношении дает отчетливое представление содержание табл. 4.3.

Во избежание недоразумений отметим, что в табл. 4.3. приведены имена лишь тех геологов, труды которых имели решающее значение в становлении соответствующего геологического направления. Каждое направление имело многочисленных сторонников, многие из которых были выдающимися учеными. Причем неправомерно утверждать, что одно из геологических направлений одержало окончательную победу.

Разумеется, три рассматриваемые пары геологических направлений не равнозначны. Спор нептунистов и плутонистов в основном имеет исторический характер. С современной точки зрения, нептунисты абсолютизировали значение гидросферы. Плутонисты же, напротив, абсолютизировали значение мантии, «подогреваемой» горячим ядром Земли.

Обратимся теперь к противостоянию униформистов (от лат. uniformis — единообразный) и катастрофистов (от греч. kata — вниз и strephein — поворот). Их спор имеет не только сугубо геологическое, но и философское значение. Ч. Лайель настаивал на том, что геологические силы при переходе от прошлого к настоящему не меняют своей природы и, следовательно, настоящее есть ключ к прошлому. Таково содержание принципа актуализма.

166

В связи с формулировкой принципа актуализма возникает резонный вопрос. Если настоящее следует за прошлым, то правомерно ли считать, что именно оно является ключом к пониманию прошлого. Приведенная выше формулировка принципа актуализма явно нуждается в уточнении.

На наш взгляд, решающее значение имеет следующее обстоятельство. Ключом к объяснению геологических явлений служит теория, причем прежде всего самая развитая теория. Именно теория позволяет дать истолкование и настоящего, и прошлого, и будущего. Геологическое прошлое может быть познано постольку, поскольку ученые без устали совершенствуют геологическое знание. Ключом к познанию прошлого оказывается не настоящее, а интерпретационный ряд теорий. На место лайелевского принципа актуализма мы ставим принцип актуальности зрелого знания. Именно он является ключом к пониманию как плавных эволюционных изменений в истории Земли, так и бурных потрясений, которые привлекли столь пристальное внимание катастрофистов. Униформисты абсолютизируют непрерывность геологических явлений, катастрофисты — их прерывность. При ближайшем рассмотрении выясняется, что каждая сторона не учитывает должным образом достижения оппонентов.

Актуальный вывод

Таким образом, с учетом геологических направлений, прогресс знания выглядит следующим образом: (нептунизм — плутонизм) (униформизм — катастрофизм) (фиксизм — мобилизм).

Добавим к этому, что в современных дискуссиях мобилисты выступают в основном от имени теории движения и столкновения континентальных плит. Фиксисты же опираются на теорию геосинклиналей (складчатых областей).

Представление о развитии геологических направлений проясняет вопрос о начале научной геологии. Обычно возникновение науки связывают с именем выдающегося ученого. Его концептуальные нововведения оказываются настолько актуальными, что именно от него отсчитывают начало той или иной науки. Господствующая точка зрения состоит в том, что становление геологии как науки произошло в первой трети XIX в. В этот период создаются первые геологические сообщества, в разгаре находится спор между нептунистами и плутонистами, широко пропагандируются идеи геологического катастрофизма. Но с именем какого геолога резонно связать начало геологической науки? Пожалуй, этим ученым является Ч. Лайель, автор трехтомной монографии «Принципы геологии, являющиеся попыткой объяснить прошлые изменения поверхности Земли путем соотношения с причинами, ныне действующими» (1830—1833). Автор принципа актуализма предложил такую научную перспективу, которая явно возвышалась над концептами нептунизма, плутонизма и катастрофизма. Вот почему Лайеля можно назвать Ньютоном геологии.

Выводы

•Плюрализм геологического знания получает отчетливое выражение в противостоянии различных геологических направлений.

•Развитое геологическое знание есть ключ к менее развитому.

167

• Геологическое знание достигло уровня, признанного научным, в первой трети XIX в., особенно благодаря работам Ч. Лайеля.

4.3. Своеобразие геологии

Каждая естественная наука своеобразна. Но определить указанное своеобразие порой довольно сложно. Ведь все естественные науки, от астрономии до биологии, базируются на физике. Поэтому создается впечатление, что они являются физическими науками. Физикализм состоит в сведении астрономии, геологии, химии и биологии к физике. На наш взгляд, эта позиция ошибочна. Обратимся в этой связи к природе геологии.

Геология в качестве особой отрасли науки состоит из многих теорий. Все они определенным образом взаимосвязаны друг с другом. Обращает на себя внимание, например, соотношение микро- и макрогеологии. В микрогеологию обычно включают кристаллографию, минералогию и геохимию. Во всех этих трех геологических науках ярко представлен динамический подход. Это означает, что при необходимости дается тщательное описание микромеханизма происходящих процессов. Именно этого нет в макрогеологии, включающей в частности стратиграфию, тектонику и геоисторию. В отличие от микрогеологии макрогеология является не столько динамической, сколько феноменологической теорией. Исследователи стремятся преодолеть указанную разобщенность двух групп геологических наук, но пока это не удается сделать. Метод, который призван обеспечить переход от микро- к макрогеологии, видимо, должен сводиться к некоторой статистике. На эту мысль наводит соотношение микро- и макрофизики.

Значительное внимание уделяется в геологии также соотношению общей и специальной геологии. Обычно общая геология понимается как совокупность первоначальных основных сведений о геологии. Есть исследователи, которые считают, что сложность состава и строения Земли вообще исключает возможность построения общей теории. На наш взгляд, общая геология состоятельна, но лишь в случае, если проводится конкретизация общих положений. Общее не заменяет специфическое. Вопрос о природе специфического остается в силе.

При характеристике своеобразия геологических явлений необходимо учитывать связь геологии с другими естественными науками. Об этой связи свидетельствуют такие дисциплины, как физическая геология, геохимия и биостратиграфия. Интернаучные связи геологии интерпретируются по-разному. Часто полагают, что физика, химия, а также биология входят непосредственно в состав геологии. Эта позиция представляется нам глубоко ошибочной, ибо, по определению, геологическое является именно геологическим, а не чем-то иным. Против физикализма и химизма в геологии энергично выступал М. Б. Кедров. Впрочем, вопрос о взаимосвязи физики, химии и геологии у него не был разъяснен.

Интердисциплинарные связи геологии с физикой

На наш взгляд, интердисциплинарные связи реализуются посредством операции символизации. Понятия физики считаются символами геологических концептов. Пониманию специфики геологических наук способствует выделение специфических

168

объектов, например стратонов в стратиграфии. Стратон — это совокупность горных пород, занимающая определенное положение в последовательности геологических тел и характеризующаяся каким-либо признаком или комплексом признаков. Нет таких физических законов, которые бы имели дело непосредственно со стратонами.

На наш взгляд, при определении специфики геологии следует обращать пристальное внимание на устройство Земли. Как известно, восхождение от центра Земли к ее периферии связано с пересечением следующих геооболочек (геосфер):

1)ядро (внутреннее и внешнее);

2)мантия (нижняя, средняя и верхняя);

3)астеносфера;

4)литосфера (включая ее верхний слой — кору);

5)гидросфера;

6)атмосфера;

7)магнитосфера.

Каждая из геосфер в отсутствие физических и химических процессов не могла бы существовать. Но ни физики, ни химики не развивают науку непосредственно о какой-либо геооболочке. Чтобы выявить ее особенности, необходимо пройти путями геологии. Иного пути нет. Как раз это обстоятельство выражает своеобразие геологии.

Всвоей собственной системе отсчета геология выступает в качестве науки-акцептора, которая с благодарностью принимает дары от наук-доно- ров. В качестве наук-доноров выступают все негеологические науки, причем не только естественные науки. Так, интересные интертеоретические отношения объединяют геологию с историологией (наукой об истории). Как в геологии, так и в историологии первостепенное внимание играет концепт времени.

Всистемах отсчета негеологических наук геология выступает в качестве науки-донора. Так, например, экономистов интересуют успехи геологии

всвязи с открытием полезных ископаемых. Сами эти ископаемые рассматриваются экономистами в качестве символов экономических концептов.

Вопрос о своеобразии геологии не вызывал бы особых споров при назывании принципа, отличающегося от физического принципа наименьшего действия. Но, насколько нам известно, такой принцип отсутствует. Не свидетельствует ли это обстоятельство о тождественности геологии и физики. На наш взгляд, принцип у физики и геологии действительно один и тот же, а именно принцип наименьшего действия. Это обстоятельство указывает на родственность двух дисциплин, но не на их тождественность. Действительно, этот принцип реализуется по-разному в случае, если рассматривается, например, строение атома в физике и строение литосферы в геологии. Таким образом, принцип наименьшего действия, с одной стороны,

вфизике, с другой стороны, в геологии — это не одно и то же.

Вслед за принципом геологии специфичны и геологические законы. Если связь переменных характеризует своеобразие геологического объекта, стратона или геологической оболочки, то налицо геологический, а не физический закон.

Сколько же существует геологических законов? Неужели лишь считанные единицы? Наш ответ на поставленный вопрос такой: в геологии число

169

законов не поддается подсчету, их, как говорится, пруд пруди. Почему? Потому что любое научное исследование не обходится без законов. В противном случае оно не является научной работой. Приведем на этот счет элементарный пример.

Вгидрологии существует соотношение М. И. Львовича:

ЕР + R, (4.5)

где Е — масса испарившейся над океаном воды, Р — масса атмосферных осадков, R — масса воды, обеспеченной речным стоком.

Выражение (4.5) является законом гидрологии. Он уточняется современными учеными, в частности учитывается поступление внутрипланетарной воды и потеря воды при фотолизе. Как бы ни уточнялась модель круговорота воды, ее осмысление осуществляется непременно посредством некоторого закона. Аналогичная ситуация с любым геологическим явлением.

К сожалению, многие исследователи стремятся свести ту или иную геологическую науку к считанному числу законов. Как правило, это им не удается. В результате они начинают сомневаться в научном характере геологии. Для этих сомнений нет действительной базы. Геология не нуждается в оправдании. Она функционирует как совокупность законов, которые постоянно совершенствуются.

Выводы

•Геология является дисциплиной, родственной физике. Но отсюда не следует, что она тождественна ей.

•Геология имеет дело с уникальными объектами, в частности со стратонами

игеологическими оболочками, специфика которых получает свое концептуальное выражение именно в ней.

•Геологическое знание является результатом творчества определенного научного сообщества, а именно геологического. Творцами научной геологии являются геологи, только они.

4.4. История эволюции Земли

Для геолога исключительное значение имеет история эволюция Земли. Руководствуясь ею, он придает всему геологическому знанию связность. Согласно современным данным, возраст Земли составляет 4,54 млрд лет. Считается, что он определен с точностью до 50 млн лет. Конкреции (минереральные агрегаты радиально-лучистого строения), характерные для некоторых пород земного вещества, встречаются в метеоритах, возраст которых, определенный радиоизотопным методом, составляет 4,56 млрд лет. По популярной теории, Земля образовалась несколько позднее указанных метеоритов. Это «несколько» составляет порядка 20 млн лет.

Воссоздать историю эволюции Земли в последовательных фазах, разумеется, сложно. Тем не менее это вполне возможно. История Земли длительное время изучалась академиком РАН В. Е. Хаиным. Ниже мы предлагаем читателю резюме его главных выводов. Причем для удобства читателя они представлены в табл. 4.4.

170