O powstaniu geologii jako nauki i kluczowych momentach w jej historii

Opublikowałem dwa artykuły o wodzie, które jak się wydaje zostały ciepło przyjęte. Czas wytoczyć cięższe działa. Na początek coś jak esej o początkach geologii jako nauki i powstaniu kilku kluczowych koncepcji więc jest mało dat i nazwisk. Jeżeli ziarno padnie na podatny grunt, to będziemy dalej drążyć temat.

Wyszło ok. 3000 słów - jest trochę czytania, akurat na długi weekend.

Nie czyściłem tego ejajem więc są błędy interpunkcyjne i gramatyczne.

#nauka #geologia #przyroda

Wstęp

Kiedy piszę tytuł tego artykułu autokorekta pyta mnie, czy chodziło mi o “teologię” a nie “geologię” i jej podpowiedź dobrze nawiązuje do problemu, jaki prześladował nauki przyrodnicze na początku ich rozwoju. Prześladował w sensie ścisłym, bo w wizji świata zdominowanej przez biblijne postrzeganie jego historii wszelkie rozważania, wychodzące poza przyjętą konwencję, mogły zakończyć się poważnymi konsekwencjami. W 1600 roku na stosie spłonął Giordano Bruno o czym słyszał prawie każdy, co prawda głównie za panteizm i jakieś inne niesnaski teologiczne z magami w spiczastych czapkach ale ledwie dziewiętnaście lat później ten sam los spotyka Lucilia Vaniniego już wprost za ateizm i poglądy ewolucyjne, m. in. dotyczące pochodzenia człowieka od małpy. Przed podpaleniem stosu kat wyrwał mu język więc ci, którzy mieli coś ciekawego do powiedzenia w sprawach, które mogły zainteresować Święte Oficjum albo trzymali swój za zębami albo mocno zastanawiali się, zanim coś powiedzieli a zwłaszcza napisali. Trudno oczywiście powstrzymać co bardziej światłe umysły przed dociekaniem istoty rzeczy, a na każdą cenzurę znajdą się sposoby jej obejścia. Uciekano się do wyszukanych zabiegów retorycznych aby móc przedstawić swoje poglądy. “Drogi mój Fransuasie d’Jabol, ostrzegam cię abyś nie dawał posłuchu nowym ideom głoszonym przez niektórych, jakoby to człowiek miał pochodzić od excuse moi małpy a świat zrodził się z innej to przyczyny niż wola i miłość jedynego Pana naszego, który jest w niebiesiech. If you know what I mean.” Stąd też czytając opracowania dotyczące poczynań ludzi parających się zalążkami nauk przyrodniczych w wiekach minionych mam do nich coraz większy szacunek bo mierzyć się musieli nie tylko z oporem jaki towarzyszy wprowadzaniu nowych idei ale bezpośrednim zagrożeniem ich egzystencji. O do czego zaczynali?

Na początku było słowo…

Pisałem już wam kiedyś o anglikańskim duchownym, który w 1650 roku studiując pieczołowicie biblię wyliczył wiek Ziemi na sześć tysięcy lat. Tam, gdzie ze świętej księgi nie dało się wprowadzić wprost hipotez dotyczących nauk przyrodniczych sięgano po starożytnych. Arystotelesowski pogląd o samorództwie czyli myszach lęgnących się z brudnego siana musiał wystarczyć. Każde spostrzeżenie, które wychodziło poza ten schemat łamało nie tylko społeczne tabu ale wyuczony sposób rozumowania. Tym większy szacun dla idących pod prąd.

Na kilkadziesiąt lat przed nastaniem oświecenia, potrzeba było otwartego umysłu aby spostrzec fakt, że struktury organiczne w skałach są skamieniałymi szczątkami wymarłych zwierząt. W umysł taki niewątpliwie wyposażony był Robert Hooke mający zasługi na polu nauk wszelakich. Niemniej jego spostrzeżenie, że jakieś nieznane obecnie zwierzęta żyły w minionych epokach, a następnie wymarły był wprost herezją i był za nią krytykowany tyle, że za jego czasów już w Anglii nie palono za to na stosie. A przynajmniej światłych mężczyzn bo kobiety i owszem, jeszcze nawet sto lat później, choć oddajmy sprawiedliwość Anglikom że za fałszowanie pieniędzy a nie filozofowanie i wcześniej skazaną humanitarnie powiesili. 

Niebanalną umysłowością wykazywał się też rówieśnik naszego Roberta czyli Niels Steensen, duńczyk zapisywany często jako Nicolaus Steno. Wspomina o nim chyba każdy podręcznik do geologii mający dział o jej historii i rozwoju. Bo też można Steno nazwać prekursorem geologi choć sam termin oficjalnie w odniesieniu do dziedziny nauki zaczął być używany prawie sto lat później a tytułem pierwszego geologa obdarza się zazwyczaj Jamesa Huttona. Jednak to Steno położył swoimi obserwacjami podwaliny pod nowoczesny sposób myślenia o tym co mamy pod stopami. Cóż takiego dostrzegł w zwyczajnym piachu i żwirze?

U podstaw

Kiedy do akwarium zaczniemy wsypywać luźny piach na przemian z drobniejszym pyłem bądź z grubym żwirem zacznie się formować warstwowany utwór. Schemat taki sam jaki możemy znaleźć w morzu, w jeziorze czy w odsłonięciu, gdzie warstwa po warstwie widzimy następstwo pewnego cyklicznego zjawiska. Trzeba było może tego momentu olśnienia, okrzyku “Eureka” przypisywanego Archimedesowi, żeby w powtarzających się warstwowanych utworach rozpoznać coś, co obecnie nazywamy skałą osadową. Steno to dostrzegł, a w swoim dziele sformułował cztery zasady tak oczywiste, że wydają się banalne kiedy je już poznamy. 

Kiedy w zbiorniku opada na dno osad formując warstwę, pod nim musi się znajdować jakaś warstwa podłoża (np. inna warstwa osadu), która osiągnęła już konsystencję ciała stałego jest więc starsza. A każda kolejna odkładająca się powyżej będzie coraz młodsza ku górze profilu. Kiedy widzimy odsłonięcie z warstwami możemy się więc pokusić o określenie względnego wieku warstw względem siebie. Istotna była też kolejna jego konstatacja, że kiedy osad odkłada się na dnie tworzy warstwę zalegającą poziomo i jeżeli obserwujemy obecnie jakieś wychylenie warstw, musiały zachodzić w historii geologicznej procesy oddziałujące na całe kompleksy. Dodajmy jeszcze spostrzeżenie, że osadzająca się warstwa musiała mieć granice boczne bo inaczej pokrywałaby całą Ziemię. Szukać więc możemy w kolejnych odsłonięciach kontynuacji warstwy bądź czegoś, co stanowiło brzeg zbiornika. I wreszcie jeżeli znajdziemy strukturę lub utwór przecinający warstwy skalne to ma on jakieś zewnętrzne przyczyny i jest od nich młodszy.

Od czasów Steno studenci geologii muszą rozwiązywać takie rebusy

A tak wygląda to w terenie. Tutaj gdzieś w Kanadzie.

Choć Steno miał wiele osiągnięć na polu kilku dziedzin to właśnie jego spostrzeżenia opisane powyżej pozwoliły następcom zbudować cały gmach wiedzy o naszej planecie na drodze mozolnego opisywania warstwa po warstwie każdego odsłonięcia.

A sam Steno? Urodzony jako luteranin w wieku lat około trzydziestu przeszedł na katolicyzm, oddał się studiom teologicznym, wyświęcił na księdza a potem otrzymał sakrę biskupią. Poświęcił się kontrreformacji i to najwyraźniej z sukcesami bo 1988 roku JPII wyniósł go na ołtarze. Nie uciekniemy od religii w naszych rozważaniach. 

Wiek rozumu

Potrzeba było kolejnych dziesięcioleci aby mozolnie zbierać spostrzeżenia i materiał do badań. Szukano skamieniałości, dostrzeżono związek pomiędzy zespołami określonego typu wymarłych zwierząt, a konkretnymi warstwami skalnymi co pozwoliło wydzielić pewne epoki w dziejach planety. W połowie XVIII w. pewien Włoch dokonał syntezy obserwacji w rejonie alpejskim i przydzielił występujące tam skały do czterech głównych serii. Nazwał je w oryginale: Primario, Secondario, Terziario i Quaternario. Jeżeli coś zabrzmiało wam znajomo to owszem, na geografii słyszeliście być może o Trzeciorzędzie i Czwartorzędzie będących nazwami funkcjonującymi w opisie dziejów Ziemii. Pierwszorzęd i drugorzęd są wam zapewne obce bo bardzo szybko wypadły z obiegu, okazało się, że te serie skalne, które da się obserwować w Alpach niekoniecznie odpowiadają innym rejonom. Trzeciorzęd funkcjonował w najlepsze do 1980 roku kiedy to Międzynarodowa Komisja Stratygrafii zaleciła rezygnację z tego terminu. Ostał się nam czwartorzęd jako nazwa najmłodszego okresu obejmującego ledwo dwa i pół miliona lat. Tyle co nic. A, jeszcze nasz Włoch, nazywał się Arduino. To Arduino, które znacie też jest włoskie.

Nauka ścisła ma się coraz lepiej. Co prawda ciągle konkuruje z poglądami o potopie, który to był przyczyną wyginięcia zwierząt znajdowanych obecnie jako skamieniałości, z koncepcjami powstawania organizmów żywych z błota i ich ciągłej wspinaczce po drabinie jestestw ale coraz wyraźniej stawia tezy wprost przeczące chrześcijańskiej wizji świata. 

Wyrastają pierwsze instytucje gromadzące zbiory, pierwsze muzea Historii Naturalnej bo tak kiedyś określano ogólnie nauki przyrodnicze. Pojawia się głód wiedzy i wydawnictwa naukowe. We francuskiej encyklopedii użyte zostaje już oficjalnie słówko geologia jako nazwa nauki a w 1749 roku hrabia Bufon czyli Georges-Louis Leclerc wydaje swoją monumentalną Historię Naturalną w 44 tomach. Prezentowane tam podejście do obliczenia wieku Ziemi to już nauka w czystej formie bo oparta na pomiarach stygnięcia kul żelaznych i próbie przeniesienia takich obliczeń na ciało wielkości planety. Otrzymany wynik ponad 70 tysięcy lat był o rząd wielkości większy od wersji z poprzedniego stulecia. I o trzy rzędy mniejszy niż nasze obecne szacunki ale działała już metoda naukowa.

Pojawiają się też pierwsze spory ideologiczne wewnątrz geologicznego światka co do niektórych koncepcji i pozostanie to już domeną tej dziedziny wiedzy, bo co bardziej krewcy wyznawcy różnych szkół potrafią brać się za łby prawie dosłownie nawet obecnie. Zebrany wtedy materiał pozwalał wyciągać coraz bardziej ogólne wnioski. “Wszystkie skały powstały w morzu!” krzyczą neptuniści. “Ależ skąd, wszystko jest zastygłą magmą” oponują plutoniści z Jamesem Huttonem na czele. A potem Hutton mówi, że wszystko jest aktualne. Tzn. aktualistyczne. Czyli uniformitarystyczne. Nie przejmujcie się, podobno współczesnym też było trudno zrozumieć tego uczonego i to chyba nie tylko z powodu szkockiego akcentu. W 1788 wydaje swoją Theory of the Earth gdzie zawiera spostrzeżenia, dzięki którym nazywany jest ojcem współczesnej geologi. Mówi wprost: Ziemia musi być niewyobrażalnie stara. Skały, które powstały w morzu na drodze osadzania się materiału musiały być wyniesione na powierzchnię. Potem podlegały erozji a materiał przedostający się rzekami do mórz był początkiem formowania się kolejnych utworów. Takie zjawiska występują cyklicznie i są bardzo powolne. A kluczem do ich zrozumienia jest obserwacja procesów zachodzących obecnie. Te zaś są niezwykle powolne. Skoro więc obserwujemy rozległe odsłonięcia, gdzie warstwa po warstwie utwory morskie kontynuują się kilometrami, to ich powstanie obejmuje ogromne przedziały czasu. Nie widział początku i nie widział też końca bo skoro procesy działały całe eony działać też będą w przyszłości. Jego poglądy poddawano krytyce i zderzano z innymi koncepcjami. Niektórzy widzieli w geologicznej historii planety jedynie skutki działania wielkich katastrof przedzielonych okresami spokoju. A ze wszystkimi nie zgadzali się “geolodzy biblijni” - serio, istniał taki nurt, usiłujący dalej trzymać się litery pisma i dogmatów. Jednak to pogląd, że teraźniejszość jest kluczem do zrozumienia przeszłości pozostał i choć przemielony przez lata dyskusji pozostaje jednym z naczelnych paradygmatów geologii.

Wiek pary

Tym, którego nazwisko wymienia się zawsze jako jednego z najbardziej zasłużonych jest Charles Lyell. Opierając się na dokonaniach Huttona wydał swoje The Principles of Geology w 1830, dzieło będące oparciem dla całej szkoły nowoczesnej geologii. To od niego uczyli się kolejni wielcy z Charlesem Darwinem włącznie ale opowieść o historii myśli ewolucyjnej zostawmy sobie na inną okazję. 

Wróćmy na ziemię i to dosłownie. Kiedy wielcy uczeni przenosili swoją dyskusję o pryncypiach na pole filozofii prości inżynierowie rozkręcali rewolucję przemysłową. A ta potrzebowała węgla i stali. Systematyczne poszukiwanie surowców potrzebowało nowoczesnych metod. Obecnie nazywany geologiem inżynier górniczy i geodeta, Wiliam Smith spostrzegł, że warstwy skalne zawierające określone skamieniałości układają się w pewne sekwencje, które można obserwować w wielu miejscach w izolowanych fragmentach. Składając takie fragmentaryczne dane, można budować całe ciągi następstwa warstw, konstruować uogólnione, syntetyczne profile będące zapisem historii pewnego fragmentu dziejów Ziemii. Równolegle tą koncepcję od strony teoretycznej opracowuje Francuz, Georges Cuvier (choć tak naprawdę jest baronem Cuvier o kilku imionach, z których być może jedno jest nazwiskiem). Rodzi się stratygrafia, nauka porządkująca utwory skalne według wieku ich powstania a nasz inżynier rysuje pierwszą mapę geologiczną Anglii i Walii.

Sukces ma jednak wielu ojców. Dżentelmeni we fraczkach, surdutach i fularach mozolnie opisują kolejne odsłonięcia warstwa po warstwie z małych fragmentów  budując coraz bardziej kompletną kolumnę stratygraficzną opisującą dzieje ziemi. Pojawiają się wydzielenia, których używamy obecnie. Te wszystkie kambry, sylury i dewony wywodzą swoje nazwy z walijskich wybrzeży gdzie do teraz można obserwować klasyczne profile.

Tak to mniej więcej wygląda co do konepcji

A tak wglądała mapa pana Smitha

Kolejne państwa zaczynają inwestować w systematyczne badania, pojawiają się kolejne mapy a na stratygraficznej kolumnie pojawiają się kolejne puzle. Kolumna rośnie i staje się oczywiste, że historii, którą opisuje nie da się upchnąć w tysiącach czy nawet dziesiątkach tysięcy lat. Ale dopiero wiek XX przynosi metody badawcze jakie wywracają naukę do góry nogami. 

Wiek atomu

Wielkie odkrycia nauki na początku XX w przynoszą odkrywcom Noble a geologom dają narzędzia. Już nie obliczanie prędkości stygnięcia kuli żelaza a zjawisko rozpadu izotopów, będące podstawą datowania radiometrycznego, daje możliwość nie tylko układania warstw skalnych w zgrabny profil pokazujący, która warstwa jest starsza a która młodsza ale odpowiedź na pytanie jaka stara jest konkretna skała. Wiek względny można powiązać z datowaniem bezwzględnym. Pojawiają się pierwsze wyniki przekraczające miliard a w latach czterdziestych szacunki sięgają około czterech i pół miliarda lat. Historia się domyka, wiemy kiedy. Wciąż brakuje odpowiedzi jak.

Od czasów wspomnianego Huttona geolodzy obserwują współczesne procesy i starają się efekt ich działania rozpoznać w utworach sprzed milionów lat. Problem sprawia bardzo powolne tempo w jakim te procesy zachodzą i skala zjawisk obejmujących czasem całe kontynenty. Można sobie wyobrazić powolne procesy erozji niszczącej górski krajobraz, transport materiału i jego depozycję w postaci warstw osadu. Można obliczyć tempo i ilość materiału. Ale jaka siła potrafi wypiętrzyć całe łańcuchy górskie? W jaki sposób warstwy osadowe powstające niewątpliwie w oceanie, zawierające szczątki morskich zwierząt, obecnie budują najwyższe szczyty gór? Jaka siła powstające poziome warstwy może wychylić, sfałdować, nasuwać na siebie? 

Koncepcje były różne. Wiedziano, że twarda skorupa ziemska o grubości liczonej w kilometrach unosi się na płynnych warstwach płaszcza. Wysuwano pomysły oparte głównie o zjawiska izostazji a więc ruchów pionowych poszczególnych bloków kontynentalnych. Pomiędzy nimi doszukiwano się zatopionych mostów lądowych, zastanawiano się nad rozmiarem zmian poziomu morza. Znów jednak kluczowa hipoteza wyszła spoza geologicznego światka.

Wędrówka

Kopernik wstrzymał Słońce i poruszył Ziemię, nie wiem co wstrzymywał Alfred Wegener ale poruszył kontynenty. To była rewolucja i porównanie do Kopernika nie jest tu na wyrost bo Wgener dał podstawy pod teorię absolutnie uniwersalną w geologii. Fizyk, meteorolog, klimatolog i polarnik. W 1912 przestawia oryginalny pomysł, że kontynenty poruszają się względem siebie. Od dawna zdawano sobie sprawę, że kształt wschodnich brzegów obu Ameryk w niepokojący sposób odpowiada zachodnim brzegom Starego Świata. To, co łatwo zobaczyć na globusie potwierdzały też dane geologiczne, struktury na obu tych masach kontynentalnych wydawały się kontynuować. Skamieniałości wielu zwierząt i roślin stanowiłyby ciągłe strefy gdyby lądy zespolić razem. Ale jak wytłumaczyć istnienie pomiędzy nimi oceanu? Wegener wskazał na więcej takich prawidłowości i sugeruje wprost, że kiedyś prawie wszystkie kontynenty stanowiły jedną całość. Połączone były w jeden superkontynet - Pangea. A obecnie nie są.

Krytyka była ostra z przytykami osobistymi włącznie i sugestiami by co poniektórzy pozostali przy mierzeniu ilości opadów. Jednak wielu geologów przyznało, że coś jest na rzeczy. Zwoływano konferencje, przerzucano się argumentami. Europa łatwiej zaakceptowała nową ideę, Amerykanom zajęło to więcej czasu. Ale kontrowersje napędzały badania. Sam Wegener miał problem ze wskazaniem mechanizmu takich wielkich przesunięć fragmentów skorupy, zastanawiał się nad przyczynami astronomicznymi jak siły odśrodkowe czy precesja w ruchu obrotowym Ziemi. Zastanawiał się nad możliwością przyrastania dna oceanicznego na środku Atlantyku z wypływającej z głębi gorącej materii płaszcza. Jednak dopiero po II wojnie światowej pojawiały się dane stawiające hipotezę w nowym świetle.

Magnetyzm

Kiedy magma zastyga zamieniając się w skałę odbywa się to na drodze powstawania kryształów z gorącego stopu glinokrzeminaowego. Nie wszystkie rodzaje kryształów powstają równocześnie. Tak się składa, że te, które mają w sobie najwięcej żelaza krystalizują najwcześniej, a żelazo wykazuje właściwości magnetyczne. Mamy więc gorącą, gęsta zupę w której kryształy zawierające żelazo zaczynają ustawiać się zgodnie z liniami ziemskiego pola magnetycznego, każdy z nich zachowuje się jak miniaturowy kompas. Wreszcie krystalizuje pozostała część roztworu utrwalając położenie tych magnetycznych wskaźników. Hura. Odkryliśmy właśnie paleomagnetyzm. Każda skała na Ziemii powstająca poprzez zastyganie z magmy wskazuje na położenie bieguna z okresu kiedy powstawała. Zaczynacie już łączyć kropki? 

Choć zjawisko namagnesowania skał znane było z poprzednich wieków to dpiero latach pięćdziesiątych, wykorzystując czułe instrumenty, dwóch gości postanowiło poszukać jakie kierunki wskazują skały różnego wieku i w różnych miejscach na Ziemii. Wynikiem były dosyć skomplikowane krzywe, które bieguny musiałyby kreślić po powierzchni Ziemii. Chyba że… Całość zaczęła nabierać sensu, kiedy biegun ustawiło się tam, gdzie powinien być a ruszyło się kontynent. Odżyła w ten sposób hipoteza Wegenera. Ostateczny dowód na jej słuszność znaleziono jednak głęboko w oceanie.

Pod koniec lat sześćdziesiątych na morze wyruszył statek oceanograficzny Glomar Challenger, jednostka badawcza przeznaczona do wierceń głębokomorskich. Kilkanaście lat badań dało dwa koronne dowody na słuszność hipotezy Wgenera. Po pierwsze im dalej od grzbietu środkowoatlantyckiego tym starsze skały napotykano w wydobywanych rdzeniach. Po drugie badania paleomagnetyzmu skał dały na mapie ciekawy pasiasty wzór. Od czterdziestu lat wiedziano, że pole magnetyczne Ziemi wykonało kiedyś konkretnego fikołka. Północ była na południu, a południe na północy. Dlaczego tak się dzieje pytajcie geofizyków. Mapa morskiego dna pokazała, że działo się tak wielokrotnie w dziejach Ziemi. Pobierane próbki pozwoliły wydatować poszczególne epoki magnetyczne, które trwały po kilkaset tysięcy lat. Ale najciekawsze było to, że pasy skał o określonej orientacji magnetycznej układały się symetrycznie po obu stronach grzbietu. Tak narodziła się tektonika płyt.

A jednak się porusza…

Skorupa ziemska podzielona jest na kilkanascie płyt unoszących się na płynnym płaszczu i poruszających się względem siebie. Za mechanizmem tego ruchu stoją prądy konwekcyjne w płaszczu gdzie tworzą się wielkoskalowe strefy materii wznoszącej się w górę płaszcza lub pogrążających się w głąb. W tych pierwszych strefach skorupa rozchodzi się na boki a wydostająca się lawa tworzy nowe dno oceaniczne. W strefach pogrążania płyty kolidują ze sobą tworząc łańcuchy wulkanicznych wysp lub piętrząc monstrualne łańcuchy górskie. Tak jak w naukach biologicznych ewolucja stała się teorią, która tłumaczy wszystko, tak w geologii tektonika płyt jest główną przyczyną jaka stała za procesami kształtującymi powierzchnię planety przez miliardy lat. Umiemy odtworzyć położenie kontynentów w minionych epokach, wiemy że kilkukrotnie powstawały superkontynenty, które rozpadały się na nowe twory. Atlantyk powstał ok 200 milionów lat temu i od tego czasu Ameryki odsuwają się od Europy i Afryki. Złączone kiedyś Australia i Antarktyda podryfowały na swoje obecne miejsca południe a Indie, które kiedyś leżały przy brzegu Afryki wybrały się wycieczkę, która zakończyła się spektakularnym zderzeniem z Azją, wynoszącym Himalaje. 

=========

To by było na tyle. Jako że art idzie na niszowym portalu rysunki kradłem z neta nie podając źródeł, na jakiegoś bloga pewnie wypadałoby opracować własne na podstawie dostępnych materiałów.

Całość zrobiłem hobbistycznie, dla rozruszania mózgu. Ogólnie to wszystko może być nie prawda bo jestem randomem z Internetu więc nie bierzcie nic na wiarę.

Howg.