История развития геологии

История развития геологии, как и большинства других наук, во многом еще ждет своих исследователей. «Развитие научной мысли - писал В.И. Вернадский - находится в теснейшей и неразрывной связи с народным бытом и общественными установлениями - ее развитие идет в сложной гуще исторической жизни и, и лишь долгим усилием научной работы и исторического творчества могут быть в хаосе прошлого отысканы основания, которые поддерживают современные научные настроения, те корни, которые дадут ростки в будущем развитии научных исканий» [[3]].

Вся история развития нашей цивилизации с древнейших времен и до наших дней самым тесным образом связана с историей освоения природных ресурсов. Она связана настолько тесно, что мы порой не замечаем этих связей, и уж тем более не придаем им существенного значения. А между тем освоение природных ресурсов во многом определяло и определяет все, что мы называем прогрессом, не зависимо от того, положительную или отрицательную роль они играют в нашей жизни. Точнее, каково соотношение между плюсами и минусами этих связей, и какую перспективу они нам готовят.

Лишь в самое последнее время, когда человек стал зримо ощущать негативные последствия результатов технического развития внешнего тела цивилизации, эта тема стала на повестку дня.

Истоки геологического знания уходят в глубокую древность. Практическое использование минеральных ресурсов, начиная с каменного века, заставляло накапливать эмпирический опыт поколений. Каменные орудия делались не из любого камня. Первые жилища связаны с камнем: пещеры, сначала естественные, а затем и искусственные, вырубленные с помощью других, более твердых камней. Сначала люди искали нужный камень, затем самородки золота и дальше в бронзовый век они осваивали все более сложные полезные ископаемые.

В гробницах египетских фараонов, построенных 2-3 тыс. лет до н.э. находят изделия не только из золота, но и украшения с драгоценными камнями. Сами гробницы построены из гранита, песчаника, диорита. Здания древних городов Индии складывались из обожженного кирпича. А гончарное ремесло возникло еще раньше. Все памятники древнейших цивилизаций связаны с камнем. Камень служил человеку и двигал вперед его культуру.

С древнейших времен данные, накапливаемые при использовании минеральных ресурсов, влияли не только на материальную, но и на духовную жизнь человека, через легенды и мифы религией и философией. Что можно сделать из камней люди знали из своего практического опыта. Но из чего произошли сами камни? И почему они разные?

Так древнегреческий философ Фалес (624-547 г. до н.э.) считал, что все камни, с которыми мы встречаемся на земной поверхности, связаны с водной субстанцией, входящей в состав материи, всех веществ, составляющих природу. Гераклит (544-474 г. до н.э.) в своем сочинении “О природе” первоначальной сущностью считал космический огонь. “Путем сгущения из огня появляются все вещи и путем разжижения в него возвращаются”[[4]].

Существует предположение, что слово химия произошло от египетского хеми, что означало “черный” и включало в себя искусство извлечения металлов из “черных камней”[[5]]. Ремесло это пришло в Европу из Египта, где им занимались только посвященные. Но не из каждого камня можно выплавить металл. Надо было еще знать из какого камня, где и как его найти. Появились первые рудознатцы. Из древнейшей химии выделилась металлургия, а потом и алхимия, пытавшаяся поучить золото из любого черного камня и тем не менее собравшая огромный эмпирический материал о свойствах минералов и горных пород.

Вода и огонь, как сущность всей тверди, по-видимому, имеют вполне конкретные корни практической деятельности рудознатцев. Самородки золота, первого использованного человеком металла, а затем золотоносные россыпи - находились в речных долинах и являются порождением водных потоков. А выплавка плавка золота, серебра, бронзы неразрывно связана с действием огня.

Эти древние взгляды, заложившие основу для великого философского спора нептунистов и плутонистов, нашли свое отражение и в представлениях о генезисе горных пород и рудных месторождений. В какой-то мере они и сейчас оказывают значительное влияние на существующие представления о происхождении рудных месторождений.

Аристотель (384-322 г. до н.э.) в основу материального мира клал уже четыре стихии Эмпидокла (495-435 г. до н.э.) - огонь, вода, земля и воздух. Взаимодействуя в недрах Земли, они дают огненные и водные выделения (наблюдения за извержениями вулканов), причем первые из них порождают камни, а вторые - металлы. В своих трудах он разделил весь минеральный мир на земли, камни и руды. По существу это первая известная нам классификация минеральных тел. Его ученик Теофраст (372 - 287 гг. до н.э.) в “Трактате о камнях” выделял семь видов минеральных тел: камни простые; цветные; плавкие горючие; негорючие; драгоценные; легкоразрезаемые; землистые. “[[6]] Эти первые классификации построены на двух основаниях: физическое состояние и практическое использование. Отсюда не следует, что вопросы происхождения руд вообще не интересовали рудознадцев. Однако они не клались в основу классификации, а выступали как некоторые дополнительные соображения, имеющие второстепенный интерес и не определяющие существа цели принятого деления.

Такое положение вещей сохранялось многие века.

Агрикола (Георг Бауэр 1494-1555), один из ведущих специалистов своего времени, основываясь на богатом опыте предшественников и собственных исследованиях месторождений Рудных гор, опубликовал серию книг содержащих оригинальную информацию по различным вопросам геологии, минералогии, горному делу и технологии переработки руд. Он классифицировал рудные тела по их составу, условиям залегания, размеру, вмещающим породам. На этих данных он основывал поисковые признаки рудных жил, приемы их оценки и разведки, условия разработки.

В средние века продолжаются попытки описания и классификации геологических тел, например описание минералов среднеазиатскими учеными Бируни и Ибн Синой (Авиценна). К эпохе Возрождения относятся первые суждения об истинной природе ископаемых раковин как остатках вымерших организмов, о длительности истории Земли. Разработка первых представлений о смещении слоев и их первоначальном горизонтальном залегании принадлежит датчанину Н.Стено (1669), который впервые дал анализ геологического разреза (в Тоскане), объясняя его как последовательность геологических событий.

Энциклопедией горного искусства явились обобщающие работы Агриколы (1494—1555 гг.).

Геология как самостоятельная ветвь естествознания начала складываться во 2-й половине 18 в., когда под влиянием нарождающейся крупной промышленности стали быстро расти потребности общества в минеральном сырье, и в связи с этим возрос интерес к изучению недр. Этот период истории геология характеризовался разработкой элементарных приёмов наблюдения и накопления фактического материала. Исследования сводились главным образом к описанию свойств и условий залегания горных пород. Но уже тогда появлялись попытки объяснить генезис горных пород и вникнуть в суть процессов, происходящих как на поверхности Земли, так и в её недрах.

В этот период обострился вековой спор между нептунистами и плотонистами. Представителями этих школ были профессор минералогии во Фрейберге, саксонец А.Вернер и шотландский учёный Дж.Геттон.

Нептунист Вернер утверждал, что все горные породы, включая базальт, образовались как осадки из водной среды, что же касается вулканической деятельности, то её он приписывал подземному горению каменного угля. В работах Дж. Геттона и его последователей - плутонистов не прида­валось никакого серьезного значения силам и явлениям земной поверхности. Основная роль отводилась внутренним силам Земли, которые они представляли себе находящей­ся в стадии расплавленной горячей магмы, создают окружающую нас природу.

В середине 18 в. появляются геологические карты, сначала небольших участков, а затем и крупных территорий. Рождение геология как науки об истории Земли относится к концу 18 - началу 19 вв. и связывается с установлением возможности разделять слои земной коры по возрасту на основании сохранившихся в них остатков древней фауны и флоры. Позднее это позволило обобщить и систематизировать разрозненные ранее минералогические и палеонтологические данные, сделало возможным построение геохронологической шкалы и создание геологических реконструкций.

Впервые на возможность расчленения слоистых толщ по сохранившимся в них ископаемым органическим остаткам указал в 1790 английский учёный У.Смит, который составил "шкалу осадочных образований Англии", а затем в 1815 первую геологическую карту Англии. Большие заслуги в расчленении земной коры (по остаткам моллюсков и позвоночных) принадлежат французским учёным Ж.Кювье и А.Броньяру. В 1822 в юго-западной части Англии была выделена каменноугольная, а в Парижском бассейне - меловая системы, что положило начало стратиграфической систематике. Различие характера органических остатков в пластах, следующих один за другим, было объяснено французским учёным Ж.Кювье серией катастроф, вызванных сверхъестественными силами, во время которых на обширных пространствах всё живое уничтожалось, а затем опустошённые области заселялись организмами, мигрировавшими из других районов. Ученики и последователи Ж.Кювье развили это учение, они утверждали, что в истории Земли было 27 катастроф, во время которых погибал весь органический мир и затем вновь возникал под влиянием очередного акта творения, но уже в измененном виде. Нарушенное залегание первично горизонтальных слоев горных пород и образование гор считалось следствием этих же кратковременных катастроф.

Французский геолог Л.Эли де Бомон (1829) предложил контракционную гипотезу, объясняющую дислокации слоев сжатием земной коры при остывании и уменьшении объёма её центрального раскалённого ядра. Эта гипотеза разделялась большинством геологов до начала 20 в.

Существенный удар взглядам катастрофистов был нанесён трудом Ч.Лайеля "Основы геологии" (1830-33), в котором было показано, что действующие ныне геологические агенты (атмосферные осадки, ветер, морские приливы, вулканы, землетрясения) на протяжении миллионов лет производят величайшие изменения в строении земной коры. Важным достижением Ч.Лайеля и его современников была разработка актуалистического метода, позволившего расшифровать события геологического прошлого.

Огромное значение для дальнейшего развития стратиграфии имело эволюционное учение Ч.Дарвина. Оно дало прочную методологическую базу для детального расчленения по возрасту осадочной оболочки Земли путём изучения филогенетических изменений отдельных групп ископаемых животных и растений. В создании эволюционной палеонтологии большую роль сыграл и русский учёный К.Ф.Рулье, который ещё до Дарвина защищал идею эволюционного развития.

Во 2-й половине 19 в. эволюционные идеи получили широкое распространение, были разработаны научные принципы историко-геологических исследований и положено начало эволюционной палеонтологии (В.О.Ковалевский). Важное значение имели труды русских исследователей конца 19 - начала 20 вв. А.П.Карпинского, А.П.Павлова, Н.И.Андрусова.

В это время усиливается процесс дифференциации геология. Из сравнительно монолитной науки геология превращается в сложный комплекс геологических наук. Кроме стратиграфии, которая была в 19 в. ведущим направлением, обеспечившим хронологическую основу истории Земли, развивались и др. направления геологии. Появилось учение о "фациях", как изменении вещественного состава слоев по простиранию, связанные с изменением условий их образования. В.М.Севергин (1807 г.)

Современная минералогия начала создаваться ещё на рубеже 18 и 19 вв. трудами русских геологов В.М.Севергина, который ввел в науку четкое разделение понятий минерал и горная порода в их современном объеме - до этого к минералам относились все минеральные образования: и собственно минералы, и породы, и руды, и даже окаменелости; Д.И.Соколова, французского учёного Р.Гаюи и шведского химика Я.Берцелиуса. В конце 19 в. появились главные работы Е.С.Федорова, создателя учения о симметрии и теории строения кристаллического вещества, автора новых методов гониометрических и оптических исследований минералов. В 19 в. в качестве самостоятельной геологической дисциплины обособилась петрография, что связано с началом использования поляризационных микроскопов для исследования горных пород. Был накоплен огромный материал по их микроскопическому изучению, что позволило разработать первую петрографическую классификацию. Из них наибольшим признанием пользуется до сих пор классификация изверженных пород, предложенная в 1898 русским учёным Ф.Ю.Левинсон-Лессингом. В начале 20 в. получают развитие теоретические исследования по изучению процессов метаморфизма; начинается экспериментальное физико-химическое изучение силикатных систем.

Но, наверное, впервые вопрос о необходимости использования законов физики и химии при анализе геологических явлений четко поставил в середине XIX века незаслуженно забытый геологами химик и фармацевт из Бонна Карл Фридрих Мор. [7] В своей «Истории Земли» (русский перевод М.: 1868) он показал, что в поверхностных условиях главенствует «Нептун», а в области высоких температур и давлений «Плутон», и, учитывая законы физики и химии, это вполне естественно.

Конец 19 - начало 20 вв. – это время нового качественного перелома в истории геологии. Развитие техники вызвало расширение масштабов освоения недр Земли, а также вовлекло в сферу мировых экономических связей новые, ранее не затронутые ими территории. Во всех ведущих странах мира возникают геологические службы. Новые обширные области охватываются геологическим исследованием, предваряя развитие в них горной промышленности. Растет поток фактических данных, резко расширяется кругозор геологов, вводится подготовка специалистов-геологов. Эволюционные идеи прочно обосновываются в геологии, и в общих чертах воссоздаётся картина развития Земли и её поверхности.

Во 2-й половине 19 в. появляются первые представления о существовании особо подвижных поясов земной коры – геосинклиналей и платформ.

Открытие А.Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности открыло принципиально новое направление геологической мысли. В 1908 г. П.Кюри предложил использовать это явление в качестве независимого «эталона времени». Сейчас мы не мыслим себе серьезные геологические исследования без радиологических реперов, но первые результаты долго воспринимались в штыки. Наиболее авторитетные исчисления В.Томсона (лорд Кельвин), основанные на теплофизических расчетах времени остывания первично огненно-жидкой планеты давали величины порядка 40-60 млн. лет, и только в 1931 г. проф. К.Шухерт признал, что с начала протерозоя могло пройти 500 млн. лет. В результате появления радиологического исчисления времени в геологии смогло возникнуть понятие об интенсивности природных процессов. До этого считалось, что чем мощнее осадочные толщи, тем дольше они формировались. Отсутствовала независимая шкала времени. Радиогеохимия, введя радиологическую шкалу, коренным образом изменила все геологическое мышление. Коренные изменения произошли и в понимании теплового режима нашей планеты, подготовив основу для новых представлений о холодной агломерации Земли из материала протопланетного облака, сменивших гипотезу Канта-Лапласа об отделении расплавленного вещества Солнца.

В начале 20-го века сформировалась новая наука – геохимия, тесно связанная с работами норвежского профессора мине­ралогии В.М.Гольдшмидта, российского академика В.И.Вернадского и главного химика Американского геологи­ческого комитета американца Франка Кларка.

На первом плане внимания В.М.Гольдшмидта находились главным образом проблемы изоморфизма атомов в структуре минералов и процессы в глубоких геосферах земной коры. Анализируя процессы миграции элементов, он ввел в геохимию понятие о поведении химических элементов, обусловленном их строением, и указал пути их выявления в среде, строящей земную кору. Это был существенный шаг вперед. Но в своих исследованиях он полностью игнорировал геохимическую роль биоты в эволюции земной коры

По-другому подошел к этим вопросам В.И.Вернадский. Еще в университете его заинтересовали лекции профессора минералогии, основоположника почвоведения – науки о почве, как особом «естественном теле природы» - В.В.Докучаева. От него он принял понимание почвы как целостного «биокосного» природного тела, играющего существенную роль в земных процессах. Развивая эти направления, наряду с другими геохимическими идеями, он пришел к новому понятию «живое вещество» как сумме всех живых организмов в конкретном геологическом теле, регионе и, в конечном счете, на всей планете в различные моменты ее истории. Введение в геохимию понятия «живое вещество» позволило с одних и тех же количественных позиций рассматривать не только косные, но и живые объекты природы, сравнивать их между собой. Так родилась биогеохимия.

Ф.Кларк, всю жизнь занимавшийся геологическими проблемами, свел и переработал огромный материал. Его работа оказала большое влияние на научную мысль. В ней были даны точные числовые данные по содержанию главней­ших химических элементов в различных типах горных пород. Она сде­лалась основой для дальнейших обобщений и дальнейшей работы в геологии на базе статистических данных о распределении элементов в земных, а потом и космических объектах.

Всё более насущной становится необходимость перехода от простой констатации эмпирически устанавливаемых закономерностей к подлинному объяснению их причин, к вскрытию основных законов истории развития Земли. Возникает необходимость усиленного изучения глубинных процессов, происходящих в нижних слоях земной коры и в мантии. Усовершенствуется методика изучения веществ, состава горных пород (масс-спектрометрический, рентгеноструктурный и другие анализы) и строения земной коры.

В области тектоники для 20 в. характерны: разработка учения о движениях земной коры, в том числе о возможности горизонтальных перемещений крупных её блоков.

В 50-60-х гг. начали составляться тектонические карты, положено начало изучению новейших тектонических движений и созданию неотектоники. В связи с разведкой и разработкой полезных ископаемых в осадочных толщах в качестве самостоятельной дисциплины выделились петрография осадочных пород, или литология, сконцентрировавшая внимание на выяснении вопросов осадочного породообразования, установлении его стадий и климатических типов.

В середине 20 века в геологических науках стали быстро распространяться идеи классической термодинамики. Оригинальный подход к термодинамическому анализу геологических процессов развил Д.С.Коржинский. Рассматривая метасоматические процессы, он на основании детальных эмпирических наблюдений ввел понятия о наличии в метасоматических колонках мозаичного равновесия и вполне подвижных компонентов, для которых данная система является открытой. Это был первый шаг к термодинамике открытых систем.

Еще в начале 20 века «созданная в течение всего геологического времени, установившаяся в своих равновесиях биосфера начинает все сильнее и глубже меняться под влиянием научной мысли человечества. Вновь создавшийся геологический фактор - научная мысль - меняет явления жизни, геологические процессы, энергетику планеты. Очевидно, эта сторона хода научной мысли человека является природным явлением … Но научная мысль входит в природные явления не только этим своим отраженным проявлением. В ней самой есть черты, только природным явлениям свойственные. Прежде всего, это видно в том, что ходу научной мысли свойственна определенная скорость движения, что она закономерно меняется во времени, причем наблюдается смена периодов ее замирания».[[8]]

Важнейшей задачей геология является дальнейшая разработка теории развития Земли, в частности исследование эволюции внутренних и внешних геологических процессов, определяющих закономерности распространения минеральных ресурсов.

В связи с успехами космических исследований одной из основных проблем геологии становится сравнительное изучение Земли и др. планет.