Критика Даттона лишила господствующую гипотезу горообразования ее традиционного базиса, не создав новой основы. Она опередила свое время на четверть века, редко цитировалась и, по-видимому, оказала лишь незначительное прямое влияние на формирование последующей мысли. Тем не менее она задала направление взглядам Даттона, и его более поздние работы оказали далеко идущее влияние.
Если сжатие в результате внешнего охлаждения не является причиной сжимающих сил, необходимо искать другую причину. Два года спустя, в 1876 году, Даттон попытался дать ответ на этот открытый вопрос. [91] Обзор этой статьи, очевидно принадлежащий Дж. Д. Дане, опубликован в Журнале. Следующие объяснения теории Даттона и комментариев Даны к ней содержатся в нескольких абзацах из этого обзора (12, 142, 1876).
«Капитан Даттон излагает в этой статье взгляды, высказанные им в статье в восьмом томе этого Журнала, с более подробными иллюстрациями и добавляет объяснения своей теории происхождения гор. Эту дискуссию следует прочитать всем, кто стремится прийти к правильным выводам, так как в ней приводится множество аргументов с точки зрения физических соображений против теории сжатия, или теории поднятия и образования складок пластов под действием бокового давления. Многое еще предстоит узнать, прежде чем какая-либо теория горообразования получит достаточное обоснование в наблюдаемых фактах, чтобы требовать полного доверия, и капитан Даттон заслуживает благодарности геологов за помощь, которую он оказал им в достижении правильных выводов. Его рассуждения не свободны от непонимания геологических фактов, и если им не суждено получить окончательного признания, то именно по этой причине.
Здесь мы приводим в сжатой форме и почти его собственными словами основные положения его теории горообразования, как они объясняются в более поздней части его мемуара.
Принимая положение о пластичном состоянии горных пород под земной корой и о том, что метаморфизм представляет собой „гидротермальный процесс“, а также полагая, что „проникновение воды на большую глубину [в земную кору] является хорошо обоснованной теорией“, он говорит, что огромное давление и температура, приближающаяся к красному калению, являются необходимыми условиями метаморфизма... „Наиболее тяжелая часть погружалась бы в подстилающую более легкую коллоидную массу, вытесняя ее в латеральном направлении под более легкие участки, где благодаря меньшей плотности она имеет тенденцию накапливаться“. Он добавляет: „Возникающие при этом движения определялись бы, во-первых, величиной разницы в плотности верхней и нижней масс и, во-вторых, неравномерностью мощности пластов: силы теперь становятся достаточными для горообразования и складчатости пластов, а способы их действия согласуются с классами фактов, уже изложенными как сопутствующие признаки этих особенностей“.
Затем эти взгляды применяются к системе складчатости. „Было указано, что складчатость возникает там, где пласты быстро накапливались в большом объеме и в вытянутых узких поясах; что осями складчатости параллельны осям максимального осадконакопления; и что движения непосредственно следовали за осадконакоплением“ — причем случай Аппалачей служит примером, когда мощность отложений составляла в среднем 40 000 футов. Он отмечает: „Везде, где масса осадков становится наибольшей, там они погружаются глубже всего, вытесняя подстилающую их коллоидную магму в прилегающие области, которые нагружены меньше, образуя одновременно как синклинали, так и антиклинали“.
В отношении этой новой теории мы могли бы с полным правом поставить под сомнение существование коллоидной магмы — условия, фундаментального для теории, — а также его доказательства того, что вода проникает на большую глубину в земную кору в количестве, достаточном для образования водных минералов в горных породах. Мы могли бы потребовать доказательств того, что породы, залегающие под меловым и третичным периодами, а также другими подстилающими пластами Уинта, находились в таком коллоидном состоянии и притом настолько близко к поверхности, что „слои оседали под действием собственного веса так же быстро, как росли“.
Кроме того, он говорит, что движения горообразования „непосредственно следовали за осадконакоплением“. „Непосредственно“ звучит быстро для того, кто осознает медлительность геологических изменений. Каменноугольный период был очень долгим, и где-то в этой части геологического времени, либо до того, как период полностью завершился, либо спустя некоторое время после его окончания, началась эпоха катастроф».
В этой статье мы видим предвосхищение теории изостазии, или состояния вертикального равновесия в земной коре, которую Даттон опубликовал в 1889 году. Эта теория принесла замечательные плоды, однако Даттон попытался связать с ней горизонтальные сжимающие силы, которые привели к образованию складок и надвигов. Уиллис в 1907 году [92] и Хейфорд в 1911 году, проигнорировав возражения Даны, попытались представить латеральное изостатическое подтечение причиной всех горизонтальных движений в коре, приняв механизм Даттона. Настоящий автор, хотя и принимает принцип изостазии в качестве объяснения масштабных вертикальных движений, опубликовал работы, которые показывают несостоятельность этой гипотезы бокового давления; несостоятельность во временных соотношениях, по амплитуде и по проявлениям. [93]
В 1903 году несколькими физиками было установлено, что материалы земной коры радиоактивны и должны генерировать в течение всего геологического времени количество тепла, которое, возможно, равнялось количеству тепла, теряемому путем излучения в мировое пространство. К 1907 году это было доказано. Был сделан замечательный вывод о том, что Земля, хотя и теряет тепло, не является остывающим шаром. Таким образом, аргументы Даттона против роста гор за счет внешнего охлаждения и сжатия неожиданно, благодаря совершенно новой отрасли знаний, оказались истинными.
Тем не менее все исследователи орогенеза сходятся на том, что глубинные сжимающие силы были главными факторами в развитии горных структур. Чемберлин первым пришел к мысли, что усадка может зарождаться в более глубоких частях Земли под воздействием огромных давлений, по-видимому, путем инициирования медленной рекомбинации вещества в более плотные формы. [94]
Новая эра в интерпретации горных структур.
Между тем в период с 1874 по 1904 год в Европе происходил очередной скачок в познании горных структур. Зюсс изучил распределение горных дуг по земному шару и подчеркнул преобладание покровных структур (надвигов); тыловая зона надвигалась на передовую зону и перекрывала ее, а поднятие горной дуги, или антиклинория, вызывало прогиб передового прогиба, или геосинклинали. Бертран и Люжон в период с 1884 по 1900 год по-новому интерпретировали альпийские структуры на этой основе. Они показали, что вся горная система была опрокинута и надвинута с юга в почти невероятной степени. Огромная денудация впоследствии расчленила северные периферийные части и породила «горы без корней» — изолированные останцы, состоящие из опрокинутых масс пластов, которые накопились в виде осадков далеко на юге в другой части древней геосинклинали.
В меньшем масштабе подобные явления наблюдаются и в Аппалачах. Уиллис показал, что глубокое опускание центра геосинклинали создало первоначальный угол падения, который определил положение зоны деформации при сжатии. Лабораторные эксперименты выявили слабость стратиграфической структуры при сопротивлении горизонтальному сжатию. Было показано, что характер стратиграфической серии определяет, будет ли деформация происходить путем смятия в складки, компетентного сжатия в складки или разлома и надвига. Таким образом, проблема горных структур была перенесена в область механики. Эти результаты были опубликованы в трех источниках в 1893 году — в трудах Американского института горных инженеров (Transactions of the American Institute of Mining Engineers), в тринадцатом ежегодном отчете Геологической службы США и в Журнале (46, 257, 1893).
Наконец, следует отметить вклад школы геологии озера Верхнее, в которой выдающееся положение занимают работы Ван-Хайза. Под воздействием экономического стимула, порожденного открытием и освоением огромных богатейших залежей железной руды, скрытых под плейстоценовыми ледниковыми отложениями и вовлеченных в сложные структуры исчезнувших горных систем древности, структурная геология и метаморфизм превратились в точные науки, к которым прибегают в поиски [поисках] минеральных богатств и которые также приносят богатые плоды в виде более глубокого познания ранних периодов истории Земли.
Движения земной коры в свете физиографии.
В последней четверти XIX века формировался и развивался еще один раздел геологии, преимущественно американский, — наука о рельефе земной поверхности, физиография. История этого развития рассматривается Грегори в предыдущей главе, но некоторые из ее аспектов, касающиеся теории в той мере, в какой они затрагивают тему происхождения гор, неизбежно приводятся здесь.
Пауэлл, Даттон и Гилберт во время своих исследований на Западе наблюдали грандиозную работу денудации, которая неоднократно завершалась на протяжении геологического времени. Горный рельеф, следовательно, может быть значительно моложе складчатости пород и в значительной или даже полной мере быть обязанным возобновляющимся движениям плато — доктрине, к которой Дана пришел ранее. Но введение понятия пенеплена открыло новую область для исследований в отношении природы и времени движений земной коры. Дэвис с помощью этого метода начал изучать поздние главы истории Аппалачей, причем самая важная ранняя работа была опубликована в 1891 году. [95] С тех пор Дэвис, Уиллис и многие другие обнаружили, что по всему миру значительная часть горного рельефа обусловлена вертикальными поднятиями, действовавшими в областях предшествующей складчатости и надвигов. Кроме того, обширные плато, сложенные недислоцированными породами, были целиком подняты на одну-две мили или более над своими прежними уровнями. Они могут представлять собой широкие геоантиклинальные своды или быть ограничены стенками глубоких разломов.
Таким образом, линейные горные системы, образованные из глубоких осадочных прогибов, стали признаваться лишь одним из нескольких классов гор. Этот класс, благодаря его яркому проявлению в Аппалачах и тому факту, что многие закономерности горной структуры, относящиеся к нему, были впервые разработаны именно там, был назван Пауэллом аппалачским типом (12, 414, 1876). Он предложил классификацию горных систем, в которой горы подразделяются на два основных класса: те, которые состоят из измененных или неизмененных осадочных толщ, и те, которые полностью или частично состоят из излияний магматического материала. Первый класс он подразделяет на шесть подклассов, один из которых иллюстрируют складчатые Аппалачи. Автору кажется, что классификация Пауэлла придает несоразмерное значение определенным типам, которые он описал; тем не менее сам факт создания такой классификации свидетельствует о росте более глубоких знаний о горах — их происхождении, структуре и истории.
Связь движений земной коры с плотностью и равновесием.
Недавним важным достижением в области геофизики и крупных движений земной коры стало включение в геологию доктрины изостазии. Доказательства были получены в середине XIX века в ходе геодезической съемки Индии, которая показала, что Гималаи не оказывают такого гравитационного влияния, которого требовал их объем. Было очевидно, что кора под этой горной системой менее плотна, чем под равнинами Индии, и еще менее плотна, чем кора под Индийским океаном. Эта связь между плотностью и высотой указывала на некоторое приближение к плавучему равновесию в земной коре, сопоставимому по своей природе, хотя и не по точности регулирования, с возвышением поверхности айсберга над уровнем океана благодаря его глубине и плотности, меньшей, чем у окружающей среды. Эта важная геологическая концепция оставалась в рамках астрономии и геодезии до тех пор, пока Даттон в 1876 году, но особенно в 1889 году, не перенес ее в область геологии. Проверка изостазии для территории США была проведена Патнэмом и Гилбертом в 1895 году, и с тех пор гораздо более детальные исследования были выполнены Хейфордом и Боуи. Эти исследования демонстрируют важность и реальность масштабных деформационных сил, действующих вертикально и связанных с региональными вариациями плотности в земной коре.
Следовательно, в образовании горных структур участвуют два основных и не связанных между собой класса сил — непреодолимые горизонтальные сжимающие силы, возникающие, по-видимому, в результате уплотнения в глубинах Земли, и вертикальные силы, зарождающиеся во внешних оболочках и стремящиеся к гидростатическому равновесию. В этой последней области исследований Америка со времени основополагающей статьи Даттона захватила первенство.
Заключение о вкладе Америки в теории орогенеза.
Науки зародились в Европе, но науки о Земле находились еще в зачаточном состоянии, когда их перенесли в Америка [Америку]. Первые комплексные представления о природе горных структур возникли в Великобритании и Франции. Эти идеи служили руководством и стимулом для наблюдений при распознавании деформаций в стратиграфических слоях Аппалачской системы. Однако с 1840 года Америка перестала быть ученицей в этой области исследований, а на равных присоединилась к двум старейшим странам. Новые идеи вносились, новые и яркие иллюстрации приводились — сначала учеными одной нации, затем другой. Совокупный массив знаний рос как общее достояние. Тем не менее обзор прогресса с 1840 года, если судить по вкладу новых идей, показывает, что Америка в целом по меньшей мере не уступает своим интеллектуальным соперникам, а в определенные периоды фактически выступает лидером. Это справедливо как для геологии в целом, так и для ее подраздела — орогенеза.
До сих пор не упоминалось о немецких геологах, за исключением австрийца Зюсса. Немецкая геология обширна, и можно было бы назвать имена многих известных геологов. Но эта статья ставила своей целью проследить происхождение и развитие фундаментальных идей. Немцы были усердными наблюдателями деталей; они превосходят всех как систематизаторы и классификаторы, но редко выступают новаторами. Даже петрология, которую можно было бы считать их особой сферой, была заимствована из Великобритании. В науке о горах они следовали в своих фундаментальных идеях главным образом за французами.
Обращаясь к печатным изданиям, на страницах которых фиксировался этот прогресс знаний о структурах Земли, следует отметить, что Американский журнал науки (American Journal of Science) занимает ведущее положение как единственное непрерывное издание за весь век в американской литературе, выполняющее для этой страны ту же роль, что Квартальный журнал Геологического общества (Quarterly Journal of the Geological Society) для Великобритании с 1845 года и Бюллетень Геологического общества Франции (Bulletin de la Société Géologique) для Франции с 1830 года.
Примечания.
78. H. D. Rogers, Geology of New Jersey, Final Report, p. 115, 1840.
79. H. D. Rogers, Geology of Pennsylvania, vol. 2, pt. II, pp. 761, 762, 1858.
80. Connecticut Academy of Arts and Sciences, 1810; цитируется по: G. P. Merrill, Contributions to the History of North American geology, Ann. Rpt. Smithsonian Institution for 1904, p. 216.
81. A Sketch of the geology, mineralogy, and scenery of the regions contiguous to the river Connecticut; with a geological map and drawings of organic remains; and occasional botanical notices, the Journal, 6, 1–86, 201–236, 1823; 7, 1–30, 1824.
82. Clarence King, U. S. Geol. Exploration of the Fortieth Parallel, vol. 1, pp. 16, 44–48, 1878.
83. Illustrations of the Huttonian Theory of the Earth, pp. 219–238, 1802.
84. Robert Jameson, Elements of Geognosy, pp. 55–57, 1808.
85. G. P. Merrill, Contributions to the History of American Geology. Report of the U. S. National Museum for 1904, p. 328.
86. H. D. Rogers, Geology of Pennsylvania, vol. 2, p. 916, 1858.
87. James Hall, Natural History of New York, Paleontology, vol. 3, pp. 51–73, 1859.
88. The Journal, 5, 423–443, 474, 475; 6, 6–14, 104–115, 161–172, 304, 381, 382, 1873.
89. C. R. Van Hise, Principles of North American Pre-Cambrian Geology, U. S. Geol. Surv., 16th Ann. Report, pt. I, pp. 607–612, 1896.
90. W. N. Rice, On the use of the words synclinorium and anticlinorium, Science, 23, 286, 287, 1906.
91. C. E. Dutton, Critical observations on theories of the earth’s physical evolution, The Penn Monthly, May and June, 1876.
92. B. Willis, Research in China, vol. 2, 1907.
93. Joseph Barrell, Science, 39, 259, 260, 1909; Jour. Geol., 22, 672–683, 1914.
94. T. C. Chamberlin, Geology, vol. 1, pp. 541, 542, 1904.
95. W. M. Davis, The geological dates of origin of certain topographic forms on the Atlantic slope of the United States, Geol. Soc. Am. Bull., 2, 541–542, 545–586, 1891.
V СТОЛЕТИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СЪЕМОК
By GEORGE OTIS SMITH
Director of the United States Geological Survey
Даже федеральное бюро следует рассматривать как продукт эволюции: прошлое Геологической службы США уходит далеко в прошлое до 3 марта 1879 года. Масштаб задач, утонченность методов и особенно кадры вновь созданной в то дни службы в значительной степени достались ей в наследство от пионерских организаций. Поэтому обзор истории государственных съемок страны становится чем-то большим, чем просто выражение благодарности нынешнего поколения геологов первопроходцам; он показывает последовательность и прогресс вкладов, внесенных геологической наукой в промышленность.
Ранние стадии промышленной эволюции, упомянутые Хессом [96] — разведка, освоение и зрелость — определяют во многом аналогичное поступательное развитие геологических исследований, так что географические исследования и геологическая разведка самого широкого типа являются нормальным вкладом точной науки везде и тогда, когда нация находится в состоянии освоения и первоначального развития своих минеральных и сельскохозяйственных ресурсов. Утонченность детальных съемок и количественных исследований относится скорее к следующему этапу интенсивного использования или, по сути, является необходимым предварительным условием для полноценного использования. Таким образом, сожаления о том, что результаты современных работ были недоступны пятьдесят лет назад, во многом тщетны: отцы-основатели не были лишены дальновидности; они просто делали работу так, как этого требовало их время и их поколение.