1.3. Краткий обзор развития геологических наук. Вклад в теорию геологии м.В. Ломоносова, а.П. Карпинского, в.И. Вернадского, в.А. Обручева, а.Е. Ферсмана

Геологическая наука со времени своего зарождения претерпела длительную эволюцию. Об ее истокахговорят находки медных изделий, появившихся в Египте и Передней Азии вIVтысячелетии до н.э. Горные выработки древних людей проходились иногда с исключительной целесообразностью показывающей, что рудокопы разбирались не только в рудах, но и в породах их содержащих, а также об особенностях их залегания. Вместе с добычей руд возникла необходимость их распознавания, изучения рудных минералов, что обусловило появление впоследствии минералогии (от лат.minera– руда,logos– учение).

Уже в глубокой древности появились зачатки знаний о Земле. Древние мыслители в своих представлениях об окружающем мире шли от очевидного к фантазии. Дошедшие до нас сведения о трудах ученых древности имеют в основном лишь историческое значение, так как в них здравые мысли переплетаются с вымыслом и легендами. Однако и здесь мы встречаем научные идеи, основывающиеся на фактах.

Так, вавилоняне изображали Землю в виде круглой горы, окруженной морем, на которое, как опрокинутая чаша, опирается твердое небо. Древние греки представляли Землю в виде слегка выпуклого диска, обтекаемого со всех сторон рекой – Океаном. Над Океаном находится медный небосвод. По нему движется Солнце, поднимающееся ежедневно из вод Океана на востоке и погружающееся в них на западе. Представления о Земле у разных народов складывалось, по-видимому, под влиянием непосредственного впечатления от вида горизонта.

Первые попытки научного объяснения строения Земли и геологических процессов относятся к VI–IV вв. до н.э. Знаменитый древнегреческий ученый Пифагор (около 580 – 500 гг. до н.э.) пришел к выводу о шарообразности Земли. Научное доказательство такого утверждения впервые привел древнегреческий философ Аристотель (384 – 322 гг. до н.э.). Он говорил, что если бы Земля не имела форму шара, то тень, которую она отбрасывает на Луну при ее затмении, не была бы ограничена дугой окружности. Древнегреческий ученый Эрастофен Киренский (276 – 194 гг. до н.э.) впервые сравнительно точно определил средний радиус земного шара.

В античные времена высказывались различные идеи, объясняющие строение Земли. Древнегреческий философ Анаксагор (около 500 – 428 гг. до н.э.) разработал геоцентрическую (греч. «гео» - земля) концепцию, согласно которой Земля считалась центром мироздания, вокруг которого вращаются Солнце, звезды и планеты. Аристарх Самосский (конец IV – первая половина III в. до н.э.), которого называют Коперником древнего мира, выдвинул гелиоцентрическую (греч. «гелиос» - солнце) гипотезу строения Солнечной системы. Он высказал идею о вращении Земли вокруг Солнца и собственной оси. Во II в. н.э. Птолемей Клавдий – автор первой карты известного в то время мира – развил геоцентическую систему мира, которая господствовала в Европе вплоть до середины XVI в.

К античному времени относятся первые попытки выяснения причин изменения лика Земли. Так, Ксенофан (около 570 – 470 гг. до н.э.) считал, что изменения поверхности Земли происходят, прежде всего, в результате движения ее недр. Аристотель писал, что море «приходит туда, где была суша; суша вернется туда, где теперь мы видим море», Образование гор он связывал с землетрясениями. Большую роль в изменении рельефа Земли Аристотель и другие ученые отводили воде.

В Vв. до н.э. древнегреческий географ Геродот дал описание всей известной тогда части Земли. Спустя пять веков после него такую же сводку о Земле сделал римский географ Страбон (63 – 24 гг до н.э.).

В произведениях Геродота и Страбона содержится ряд сведений о вулканах, размывающей работе рек, колебаниях моря и др. Страбон обратил внимание, в частности, на тот факт, что во многих пунктах современной суши, удаленных от берегов морей, имеется большое количество раковин морских животных. Он сделал справедливый вывод о том, что в прошлом эти места были покрыты морем. Для объяснения данного явления Страбон допускал, что одни участки земной поверхности могут подниматься относительно других под действием напора подземных газов. Он подразделял колебания поверхности Земли на очень медленные, охватывающие огромные пространства, и быстрые, но локальные, при землетрясениях. В знаменитом своем труде «География» Страбон приводит сведения о землетрясениях, месторождениях полезных ископаемых, различных минералах.

В древние времена были поставлены многие проблемы, ставшие впоследствии предметом изучения геологии. Однако прогрессивные идеи, высказанные античными учеными, не получили развития в Европе и были забыты.

В VIII – XIII вв. геологические знания накапливались в Средней Азии, странах арабского Востока, где развивались идеи античного мир, изучалась природа Земли, геологические явления, минералы и руды. На рубеже I–II тысячелетий великий таджикский врач и философ Абу-Али-Ибн-Сина, известный под именем Авиценны, составил научную классификацию минералов, подразделив их на четыре класса: камни, горючие ископаемые, соли и металлы. Эта классификация просуществовала до начала XIX столетия. Знаменитый ученый из Хорезма Аль-Бируни (972 – 1048) в труде «Собрание сведений для познания драгоценностей» привел многочисленные данные об известных в то время минералах и их месторождениях в Средней Азии, Китае, Индии и других районах. Аль-Бируни выдвинул идею о гелиоцентрической системе мира и шарообразности Земли; определил длину окружности земного шара.

В Европе геологические знания продолжали долгое время оставаться в зачаточном состоянии. Однако новые сведения об устройстве поверхности Земли накапливались в процессе многочисленных путешествий, предпринимавшихся европейцами в поисках новых источников сырья и рынков сбыта.

В 1490 г. Мартин Бехайм создал первую модель Земли – земной глобус, но был осмеян за нехристианскую гипотезу. В 1492 г. Христофор Колумб открывает Америку. Васко да Гама в 1497 г. огибает мыс Доброй Надежды и открывает морской путь в Индию. А в 1519 – 1522 гг. Фернан Магеллан совершает первое путешествие вокруг Земли. Оно венчает все достижения эпохи великих путешествий, раз и навсегда устанавливает факт шарообразности Земли. Об этой эпохе позднее немецкий писатель Стефан Цвейг напишет следующее: «В один прекрасный день все, до сих пор определенное, оказалось под вопросом, все вчерашнее – устаревшим на тысячу лет и изжившим себя; птолемеевские карты Земли, непререкаемая святыня для двадцати поколений, после Колумба и Магеллана, стали посмешищем для детей».

В эпоху возрождения заново были высказаны некоторые идеи ученых античного периода. В конце XV в. великий итальянский ученый Леонардо да Винчи (1452 – 1519), обобщив наблюдения в процессе строительства каналов и крепостей, пришел к выводу, что любая часть земли, которая обнажается при размыве реками, уже была земной поверхностью, видимой Солнцу. Леонардо да Винчи утверждал, что остатки морских раковин, содержащихся в высоких горных хребтах, принадлежат животным, оставленным здесь морем в те далекие времена, когда оно простиралось за пределы своих современных границ. Он высказывал интересное суждение: «Суша нашего полушария поднялась настолько, насколько она облегчилась от воды, ушедшей от нее по лощине Кальпе и Абила».

Подобные представления о существовании в изменениях земного лика закона равновесия три с половиной века спустя получили название принципа изостазии (греч. «исос» - равный, «статос» - состояние).

Исключительно большое значение для дальнейшего развития геологии имели результаты исследований датского натуралиста Николауса Стено (1638 – 1687) во Флоренции. Он отметил, что осадочные породы образуют слои, характеризующиеся определенной последовательностью напластования и различной протяженностью, и высказал следующие положения: каждый слой Земли образовался в результате осаждения в воде; слой заключающий обломки другого слоя, образуется после него; всякий слой отложился после того, на котором он залегает, и ранее того, который его покрывает; слой имеет определенную протяженность. Н. Стено объяснил нарушение залегания горизонтальных слоев и образование гор действием «огня и воды», тектоническими движениями. Им высказана идея о том, что геологическая история намного продолжительнее библейских 6000 лет.

Несмотря на отмеченные достижения, большинство ученых XV – XVII вв. в области геологии по-прежнему увлекались умозрительными рассуждениями. Первые попытки создать научную геологию приходятся на середину XVIII в. и связаны с именами трех крупнейших ученых того времени – М.В. Ломоносова в России, А.Г. Вернера в Саксонии и Д. Геттона в Шотландии.

М.В. Ломоносов (1711 – 1765) в своих сочинениях «Слово о рождении металлов от трясения Земли», «О слоях земных», «Первые основы металлургии или рудных дел» и др. выдвинул гениальные идеи о формировании рельефа Земли, о поднятиях и опусканиях земной поверхности, смещениях берегов, появлении и исчезновении гор, островов и материков. Он рассматривал историю Земли как длительный исторический процесс и указывал: «… напрасно многие думают, что всё как мы видим, с начала творцом создано; будто не токмо горы, долы и воды, но и разные роды минералов произошли со всем светом; и поэтому-де не надобно исследовать причин, для чего они внутренними свойствами и положением мест разнятся. Таковые рассуждения весьма вредны приращению всех наук, следовательно, и натуральному знанию шара земного, а особливо искусству рудного дела».

М.В. Ломоносов впервые правильно определил роль двух факторов, действующих на Земле: сил внешних (ветер, вода, лед) – извне рожденных, и сил внутренних, связанных степлотой земного шара, – изнутри рожденных. Оценивая работу внешних и внутренних геологических факторов, создающих и изменяющих формы земной поверхности, М.В. Ломоносов на первое место ставит внутренние силы Земли, которым обязаны своим происхождением не только высокие горы, но и целые материки и глубины морских пучин.

Пытаясь объяснить законы природы и определить продолжительность геологических процессов, М.В. Ломоносов одним из первых сформулировал важнейший принцип современной геологии – принцип актуализма.Согласно этому принципу на основании наблюдений над современными процессами можно судить о ходе тех же процессов в далеком геологическом прошлом. М.В. Ломоносов определил продолжительность геологической истории в несколько сотен тысяч лет.

Джеймс Геттон (1726 – 1797) разработал концепцию «темного времени», согласно которой существует геологическое время, не совпадающее с возрастом человеческой цивилизации и не имеющее отношение к библейскому сотворению мира. Для накопления достаточного количества осадочных пород потребовались сотни тысяч лет, следовательно, Земле несколько миллионов лет, и определить точную дату ее создания определить невозможно. Основным аргументом Геттона было то, что наблюдаемые им результаты геологических сдвигов и изменений не могли произойти за столь короткое время и процессы, происходящие в прошлом, происходят и в настоящем, медленно и постоянно. Принцип актуализма Геттон сформулировал фразой: «Настоящее – ключ к будущему».

В конце XVIII в. на весь мир прогремел знаменитый спор представителей противоборствующих научных течений – «нептунистов» (Нептун – бог морей у римлян) и «плутонистов» (Плутон – бог подземного царства у древних греков). Нептунисты считали, что в основе всех изменений Земли лежит действие внешних сил (вода, ветер, лед, море), все горные породы, слагающие земную кору, образовались на дне водяных бассейнов. Сторонники плутонического направления основное значение придавали действию внутренней энергии (вулканизм, землетрясения) и с ней связывали преобразование лика Земли и возникновение горных пород.

Вдохновителем «нептунистов» был немецкий ученый, профессор Фрейбергской горной академии Абраам Готтлиб Вернер (1749 – 1817). Его влияние на развитие геологических наук огромно. Он разработал описательную систему минералов, создал по материалам Саксонии одну из первых стратиграфических шкал.

Главой «плутонистов» был шотландский естествоиспытатель Джеймс Геттон. Он предположил, что внутренняя часть Земли раскаленная, и что эта раскаленная лава стала двигателем, вызвавшим формирование новых гор. Земля подвергается эрозии под действием ветра и воды и осаждается пластами на дно моря, затем раскаленная лава сливает отстоявшиеся слои в камни и поднимает их виде новых участков суши. Эта теория получила название плутонизма.

Наиболее жесткий удар по «нептунизму» был нанесен Л. Бухом и А. Гумбольдтом. Главным «яблоком раздора» между нептунистами и плутонистами являлся базальт – типичная вулканическая порода. А.Г. Вернер относил ее морским осадкам. Леопольд Бух (1774 – 1853) после посещения Везувия, Альп и Канарских островов, а также Александр Гумбольдт во время своего путешествия по Америке убедились в мощности и грандиозности вулканических явлений. В результате Спор о базальте сыграл решающую роль в крушении нептунической теории. Сегодня спор между «нептинистами» и «плутонистами» нам кажется чрезвычайно наивным.

Одним из крупнейших достижений геологической мысли конца XVIII – начала XIX вв. была разработка шкалы геологического времени. Работы Н. Стено послужили основой для построения А.Г. Вернером первой шкалы последовательностей осадочных образований (сам метод Н. Стено впоследствии получил название «принципа последовательности напластования»). В 1799 г. английский землемер Вильям Смит (1769 – 1839) при прокладке каналов в Южной Англии обратил внимание на то, что пласты горных пород, далеко территориально отстоящие друг от друга, содержат одинаковые окаменелости. Он предположил, что слои, содержащие один и тот же комплекс окаменелостей, могут рассматриваться как одновозрастные. Так возникла идея сопоставления осадочных толщ без непосредственного прослеживания их по протяженности – только на основе сравнения заключенных в них окаменелостей.

Во Франции к подобным выводам пришел палеонтолог Жорж Кювье (1769 – 1832), проводивший в 1808 г. геологические исследования в окрестностях Парижа. Метод В. Смита и Ж. Кювье получил впоследствии название «принцип фаунистической последовательности». Вместе с принципом последовательности напластования пород он сыграл решающую роль в быстром развитии геологических знаний. Возникла самостоятельная наука о последовательности залегания и относительном геологическом возрасте горных пород – стратиграфия (лат. «стратум» - слой, «графо» - пишу). Метод изучения ископаемых остатков фауны для расчленения толщ осадочных пород позволил Ж. Кювье создать новую науку – палеонтологию (греч. «палейос» - древний, «онтос» - существо, «логос» - учение).

Палеонтологический и стратиграфический методы дали возможность определять относительное положение слое в разрезе, устанавливать, какие из них являются древними или молодыми по отношению друг к другу. На этой основе был создан метод геологического картирования. Первая рукописная геологическая карта была составлена во второй половине XVIII Д. Лебедевым и М. Ивановым для Восточного Забайкалья.

В последовательных слоях осадочных толщ содержатся различные по составу комплексы окаменелостей. Причины этого одним из первых попытался объяснить Ж. Кювье. Он считал, что вся история Земли подразделяется на ряд спокойных эпох, в которых существовал свой особый органический мир. Но каждая такая эпоха заканчивалась внезапной геологической катастрофой, частично уничтожавшей присущий эпохе органический мир. Последователи Кювье назывались «катастрофистами».

Представлениям «катастрофистов» противостояла концепция эволюционистов. Огромная заслуга в развитии эволюционных идей в геологии принадлежит английскому ученому Чарльзу Лайелю (1797 -1875). Он окончательно закрепил идеи, высказанные его предшественниками (Леонардо да Винчи, М.В. Ломоносов, А.Г. Вернер, Д. Геттон и др.) о постепенном преобразовании поверхности Земли в течение длительного периода. В труде «основные начала геологии, или новейшие изменения Земли и ее обитателей» Ч. Лайель показал, что геологическая история характеризуется большой длительностью, а эпохи не так резко отличаются друг от друга. Ч. Дайель научно обосновал метод актуализма. Он показал на многочисленных примерах, что все события геологического прошлого можно легко объяснить обычными природными явлениями, действующими в современную эпоху.

Трудами Ч. Лайеля геология окончательно оформляется в самостоятельную и важнейшую отрасль естествознания. Но сам Лайель допускал существенную ошибку, исходя из того, что геологические процессы прошлого времени ни качественно ни количественно не отличались от современных и происходили в силу тех же причин. Учение Ч. Лайеля получило название «униформизма» (от лат. «униформис» - однообразный). Несмотря на отмеченные недостатки, концепция Ч. Лайеля сыграла огромную прогрессивную роль. Она послужила основной предпосылкой дарвинизма.

Чарльз Дарвин (1809 -1882), называвший себя учеником Ч. Лайеля, в труде «Происхождение видов путем естественного отбора …» впервые убедительно доказал, что все живое на Земле – растения, животные и сам человек – появилось в процессе длительного непрерывного и направленного эволюционного развития организмов от простого к сложному, от низшего к высшему, в тесной связи с изменениями геологической среды.

Поворотным пунктом в развитии общегеологической теории явилась разработанная в 1830-1852 гг. французским ученым Эли де Бомоном (1798 – 1874) контракционная теория, согласно которой складчатые горные системы образуются в результате сжатия земной коры под влиянием уменьшения общего объема Земли в процессе ее медленного охлаждения. В противоположность ему представители плутонизма, в частности Л. Бух и А. Гумбольдт, связывали образование горных хребтов с вертикальными движениями магмы с глубин к поверхности Земли. По их мнению, это происходило в эпохи вулканических катастроф, которые перемежались с эпохами покоя, не несущими с собой никаких существенных изменений земной поверхности.

В середине XIX в. Д. Пратт и Дж. Эри положили начало использованию в геологии геофизических данных. Основываясь на измерениях силы тяжести, Дж. Эри развил в 1855 г. гипотезу изостазии, выдвинутую Леонардо да Винчи, согласно которой земная кора почти повсюду находится в гравитационном равновесии. Блоки земной коры имеют приблизительно одинаковую среднюю плотность и как бы плавают на более тяжелом подкоровом веществе. Вследствие этого в зависимости от вертикальных размеров блоков они погружаются на разную глубину: самые толстые блоки земной коры глубоко погружены и вместе с тем выше других выступают над уровнем моря.

В 1892 г. американский геолог Даттон указал, что в процессе размывания приподнятых блоков земной коры происходит уменьшение их веса. Вследствие этого нарушается изостатическое равновесие, и данные блоки земной коры всплывают. В то же время соседние пониженные блоки земной коры, куда сносился размываемый материал, под тяжестью дополнительной нагрузки испытывают погружение.

Одним из наиболее значительных завоеваний теоретической геологии в XIX в. было создание учения о геосинклиналях и платформах.

Американский ученый Дж. Холл в 1859 г. отметил, что в горно-складчатых областях мощность осадочных толщ значительно больше, чем в областях с горизонтальным залеганием пород. Он объяснил образование осадочных толщ большой мощности прогибанием земной коры под тяжестью накапливающихся осадков, сносимых с возвышенностей. Другой американский ученый Дж.Дана, развивший в 1873 г. теорию геосинклиналей (греч. «ге» - земля, «син» - вместе, «клино» - наклоняю), понимал под ними удлиненные прогибы, возникшие в результате блокового сжатия земной коры. Последующее сжатие ведет к смятию слоев и выжиманию их в виде горных возвышенностей.

Основоположником учения о платформах (фр. «плат» - плоский, «форм» - форма) является академик А.П. Карпинский. На примере Русской платформы он установил, что горные сооружения наращивают платформу, причленяясь к ее окраинам.

В конце XIX в австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831 – 1914) в трехтомном труде «Лик Земли», основываясь на достижения геологической науки и практики того времени, дал картину строения и развития земной с позиций контракционной гипотезы. Для территории Европы выделены разновозрастные эпохи складчатости: каледонская, герцинская и альпийская.

В XIX в. происходит дифференциация геологических знаний и формирование многочисленных самостоятельных геологических наук. Этому содействовало широкое применение физико-химических методов исследования, применение микроскопа для исследования горных пород, универсального столика Е.С. Федорова для точных измерений оптических свойств минералов, бурения скважин для и изучения земной коры и т.д.

Большой фактический материал появляется благодаря усиленным поискам и разведке полезных ископаемых, которые требовались во все возрастающих масштабах в связи с бурным развитием промышленности и строительства. Это обусловило дальнейшее развитие геологической науки. Значительный вклад был сделан русскими учеными, которые стали подходить к объяснению различных геологических процессов с материалистической точки зрения

В 1882 г. в Петербурге был создан Геологический комитет — руководящий центр по изучению геологии России в дореволюционное время, которым руководил А.П. Карпинский, Ф.Н. Чернышев, К.И. Богданович и др. С деятельностью комитета связан существенный сдвиг и изучении региональной геологии, развитии геологической картографии..

Среди русских ученых, внесших большой вклад в развитие геологии, в первую очередь следует назвать А.П. Карпинского, которого по праву считают отцом русской геологии. Им написано около 500 научных работ по различным вопросам геологии, палеонтологии, тектоники, стратиграфии, петрографии и другим разделам.

И.В. Мушкетов положил начало сейсмотектоническим исследованиям. В.А. Обручев разработал многие важные вопросы: геологии рудных месторождений, неотектоники, четвертичных отложений, геоморфологии и географии. Он считается крупным исследователем Сибири и Центральной Азии. А.П. Павлов является основоположником учения о четвертичных отложениях, видным палеонтологом и основателем московской школы геологов. Е.С. Федоров — известный кристаллограф, создатель кристаллохимического анализа и теодолитного гониометра для измерения гранных углов кристаллов. Труды В.И. Вернадского по геохимии, биогеохимии и радиогеологии всемирно известны.

Имена А.Е. Ферсмана, В.О. Ковалевского, А.Д. Архангельского, В.М. Севергина, Н.И. Кокшарова, П.В. Еремеева, Ф.Ю. Левинсона-Лессинга, А.Н. Заварицкого и многих других вошли в историю как имена основоположников современной геологии.

А.Е. Ферсман	А.Д. Архангельский	В.М. Севергин

В ХХ в. геология, как и всё естествознание в целом, развивается гораздо быстрее, чем раньше. За первыми широкими теоретическими обобщениями следуют новые, часто во многом их исправляющие или опровергающие. Крупным событием этого времени было открытие (1899 – 1903) французскими учеными П. Кюри и М. Склодовской-Кюри радиоактивного распада элементов, сопровождающегося самопроизвольным выделением тепла. Оно позволило разработать методику определения абсолютного возраста горных пород, а следовательно, и продолжительности многих геологических процессов.

На основе метода абсолютной геохронологии получила развитие геология докембрия. С радиоактивным распадом в недрах Земли стали связывать наличие тепловой энергии планеты, а также активизацию тектонических движений и вулканизм. Что привело к коренному пересмотру контракционной гипотезы, а представления р первоначальном огненно-жидком состоянии Земли были заменены идеями о ее образовании из скоплений холодных твердых частиц, которые нашли окончательное выражение в космогенической гипотезе О.Ю. Шмидта.

Усовершенствуется также методика изучения веществ, состава горных пород (масс-спектрометрический, рентгеноструктурный и другие виды анализа) и строение земной коры.

Важное значение имело создание сейсмографа (греч. «сейсмос» - трясение, «графо» - пишу) – прибора для фиксации упругих сейсмических волн, излучаемых от очагов естественных землетрясений. Внедрение сейсмического метода позволило установить неоднородность земного вещества на различных глубинах и подразделить Землю на ряд оболочек – земную кору, мантию, ядро. Совершенные масс-спектрометры создали основу для развития геохимии изотопов и получения данных в геохронометрии для решения вопросов истории земной коры, океанов, атмосферы, органического вещества.