Геология – наука о Земле

Еще будучи студентом, я попал как-то случайно домой к одному чудаку, не геологу, но страстно увлеченному науками о Земле. Он действительно немало размышлял над закономерностями рисунка рельефа земной поверхности. Комната его была завалена, завешана картами, заставлена глобусами разных размеров. На мне была форма, которую в то время носили студенты геологических факультетов и вузов, и хозяин с первой фразы начал атаку:

— Вы геолог? Учитесь? Ну, и чему же вас там учат?
— Геологии. Наукам о Земле.
— Но ведь геология не наука! Это просто сумма практических приемов и навыков, которые передаются от дедов к внукам, и с помощью этих сведений вы ищете полезные ископаемые. Вы тычетесь по Земле, как слепой щенок по комнате: нашел молоко — хорошо, попал в банку с ваксой — плохо.
— Ну, это не совсем так. (Я был тогда студентом только первого курса.)
— Нет, это так. И геология не наука, а ремесло. Подобное шитью сапог. Тут тоже могут быть свои таланты, художники, но к науке это отношения не имеет.
— Но есть же в геологии связь явлений, закономерности. Нефть надо искать только в определенных местах, а руды полиметаллов — в других. И выбор места для поисков определяется всей суммой сведений о геологическом строении того или иного района. Что же тогда наука?..
— Наука — это когда не приходится искать так, как это делаете вы, геологи. Нужно аналитическим путем, сидя за столом с карандашом и бумагой, точно устанавливать, что где лежит. А дальше остается только брать то, что нужно.
— Это же нереально. В природе все очень сложно, запутано. Как это все можно вычислить?
— Но вы ведь не отрицаете того, что в этой сложности должна быть система. Нет? Ну, а если все в природе подчинено каким-то закономерностям, а не пребывает в хаосе, то надо просто найти ключ. Представьте, вы попали в библиотеку, где собраны миллионы томов, и вам надо найти определенную книгу. Вы знаете, что книги стоят в каком-то порядке, но не знаете, в каком, и каталога у вас нет. Если искать эту книгу без всякой системы, то вы рискуете бродить по такой библиотеке всю жизнь и не найти того, что хотите. Но если не полениться и потратить какое-то время на то, чтобы разгадать систему, по которой поставлены книги, и составить каталог…

Разговор этот происходил лет сорок назад, когда попытки применить точные методы в геологии были очень немногочисленны, а опубликованных на эту тему работ почти не было.

«Геология и математика», «применение математических методов в геологии» — такие и подобные этим сочетания слов можно слышать в последнее время все чаще и чаще. В геологических журналах печатаются статьи, посвященные математическим методам, выходят книжки, специальные сборники на эту тему, проводятся совещания по применению математических методов и компьютеров в геологии.

Что же происходит? Не присутствуем ли мы при начале нового этапа в развитии геологии? Все мы — свидетели гигантских успехов так называемых точных наук, наглядно показавших, как далеко в тайны природы способен проникнуть человеческий разум, вооруженный математикой. Мы видим, какие огромные, даже сенсационные, открытия происходят на стыках разных наук: достаточно назвать хотя бы одну кибернетику. Так, может быть, теперь настал черед геологии? И, может быть, математические методы, применение компьютеров создадут возможность для гигантского скачка к тайнам нашей планеты, к тайнам процессов, рождающих горы или вызывающих землетрясения и извержения вулканов, к тайнам процессов, формирующих в недрах Земли месторождения полезных ископаемых?

Черед, видимо, и в самом деле настал. Но на практике все и сложнее и проще. Возникла довольно странная ситуация. У представителей обычной, «классической», или «традиционной», по выражению сторонников математизации, геологии чаще всего нет достаточных знаний математики, чтобы оценить в полной мере попытки внедрения математики в геологию. Большей частью при этом чувствуется скрытое или явное сопротивление такому внедрению, порожденное убеждением, что такая сугубо описательная, сложная по огромному разнообразию изучаемых объектов наука, как геология, не может быть втиснута в жесткие рамки сухих формул и уравнений.

У сторонников же математизации геологии, как правило, даже если и есть специальное геологическое образование, то нет достаточного опыта, нет глубокого понимания существа геологии. Зато есть полемический задор и очень энергичное желание «вытащить» геологию на уровень авангардных наук нашего века. Это подкрепляется твердым убеждением, что «человеческие знания лишь постольку могут считаться наукой, поскольку в них присутствует число». В результате возникает непонимание между этими двумя группами исследователей и даже порой антагонизм. Разумеется, между двумя крайними, противоположными точками зрения существует гамма всех возможных переходных, промежуточных взглядов, отражающих стремление к компромиссу.

Что же предлагают сторонники «математизации»? В нарастающей лавине работ, посвященных этому вопросу, можно увидеть два принципиально разных подхода. Первый — различные методы и приемы, разработанные в разных областях математики, просто предлагается использовать для обработки и интерпретации геологических данных. Взгляд исследователей в первую очередь обращается к математической статистике и к теории вероятностей, поскольку именно эти разделы математики кажутся наиболее пригодными для описания сложных, зависящих от влияния многих факторов естественных процессов и явлений. Дело не ограничивается только этими разделами математики — для решения геологических задач привлекается теория множеств, некоторые разделы топологии и другие математические дисциплины. Уже видны определенные успехи на этом пути, в особенности в тех отраслях геологии, где первичные геологические данные с самого начала имеют количественную форму. Это геохимия, литология, подсчет запасов полезных ископаемых, некоторые задачи гидрогеологии.

В основе второго направления математизации геологии лежит идея пересмотра всех основ и исходных положений этой науки. Этот пересмотр предполагается предпринять для выработки строгих формальных определений основных понятий геологии — таких, как «геологические границы», «геологические тела» и т. д., из которых затем строго логическим путем, поддающимся математическому описанию, можно было бы вывести формализованные понятия всех явлений, с которыми имеет дело геология. По строгим математическим законам предлагается перестроить все геологические классификации. И дальнейший прогресс геологии, по мысли сторонников этого пути, должен состоять в математическом развитии вот этого формализованного фундамента, заключенного в математические символы и формулы описания всех геологических явлений.

То есть, по существу, предполагается создать новую науку, которая была бы математической по форме и геологической по содержанию. По аналогии с другими, родившимися вновь науками (скажем, бионикой) эту, может быть, следует называть «геоматикой».

Первый путь математизации геологии можно назвать симбиозом этих наук. Для второго пути больше подходит определение синтез. Трудно сейчас отдавать предпочтение какому-либо из этих путей, но читатель, вероятно, уже догадался, что автор отдал. Все, что написано дальше, посвящено тому, чтобы оправдать и обосновать это предпочтение. Предпочтение первого пути — симбиоза.

Геология – наука интуитивная?

У читателя, вероятно, уже возникли кое-какие вопросы. И первый из них наверняка — что же такое классическая геология и ее традиционные методы? Прежде всего — один пример, который, как нам кажется, наглядно демонстрирует если не методы геологии, то характер и методы мышления геолога. В структурной геологии и геотектонике существует понятие «интенсивность складчатости». Понятие это очень неопределенное в буквальном смысле, так как оно не имеет строгого определения. Но, тем не менее, геологи довольно часто пользуются им, пытаясь с его помощью подчеркнуть степень деформированности пластов, степень сложности складок. При этом обычно употребляются сравнительные прилагательные: «менее», «более», «очень интенсивная» и т. д. Никаких способов измерения интенсивности складчатости нет, хотя неоднократно предпринимались попытки разработать приемлемую методику для этого, и геолог судит об интенсивности складчатости, просто глядя на облик складок, их форму.

В нашем опыте было предложено разложить 30 карточек, на каждой из которых была нарисована одна складка, в ряд по возрастанию интенсивности. Этот пасьянс раскладывало несколько геологов, и оказалось, что ряды складок в каждом случае близки между собой. Некоторые отличия заключались в том, что иногда менялись местами две соседние складки. Но было ясно, что все геологи интуитивно вкладывают в понятие интенсивности складчатости один и тот же смысл. Такой же ряд было предложено разложить одному физику. Причем не просто первому попавшемуся, а такому, который хорошо представлял, что такое складки, с которым неоднократно обсуждалось, как попытаться количественно оценить интенсивность складчатости.

Но, тем не менее, ряд, в который этот физик разложил 30 складок, ничем не был похож на ряды геологов. На взгляд геолога, никакой закономерности обнаружить в таком ряду было нельзя.

Из одного этого эксперимента вряд ли можно делать далеко идущие выводы. Но все же, как кажется, этот случай обнаруживает одну очень существенную черту подхода геолога к объектам своего изучения. Совершенно очевидно, что важную роль при оценке явлений у геологов играет специфическая профессиональная интуиция, обусловленная опытом и воспитанная средой. И во многих случаях такие интуитивные оценки, понятия и определения с большим трудом поддаются не только формализованному, но и вообще логичному описанию. Я не собираюсь ставить это обстоятельство в заслугу геологам или считать это каким-то достоинством геологии. Скорее наоборот. Однако, так или иначе, с этой спецификой геологии необходимо считаться во всех случаях, и полезнее, не отвергая всего накопленного опыта, понять природу особенностей этой науки. (А еще геологию можно отлично связать с фотоискусством, к примеру могли бы отлично смотреться фотообои с изображениями разных геологических пород, подобные фотообои вполне могли бы пользоваться спросом на сайте https://walldeco.ua/fotooboi-detskie).

Геология – наука эклектическая?

На одном геологическом совещании, довольно представительном по количеству участников и по столкнувшимся на нем различным геологическим направлениям и школам, возник спор о том, какие движения считать первичными, определяющими развитие Земли — горизонтальные или вертикальные. Спор старый, традиционный, издавна разделяющий геологов на два непримиримых лагеря, но от этого не менее острый и горячий. Как это всегда бывает в подобных ситуациях, спор продолжался и за пределами зала заседаний. И вот в фойе два уважаемых, известных геолога, сторонники первичности вертикальных движений, насели на третьего — маститого профессора (имена в данном случае необязательны), никогда не высказывавшегося определенно в пользу той или иной точки зрения.

Эти двое хотели, чтобы третий все-таки рассудил объективно и с высоты своего большого опыта дал оценку — какая концепция меньше противоречит фактам, и, в конце концов, сформулировал бы свою позицию в этом споре. Неприлично вроде тектонисту не иметь определенного отношения к этому главнейшему и актуальнейшему вопросу геотектоники. Приводилась разная аргументация в пользу вертикальных движений — от фактов до методических концепций.

Профессор яростно отбивался и старательно уходил от ответа на главный вопрос. Он апеллировал к геологическому строению разных областей земного шара, блестяще показывая, что есть факты, подтверждающие одни взгляды, а есть другие, не менее ярко свидетельствующие в пользу противоположных. При этом он очень наглядно, образно «рассказывал геологию» самых разных и далеких районов, в которых ему довелось побывать. Я подчеркиваю — рассказывал. Это очень трудно сделать не показывая, без помощи рисунков. Для этого необходимо действительно хорошо знать и очень ясно представлять себе геологическое строение территории. Атакующие продолжали требовать четкого ответа на основной вопрос. И вот припертый к стене (и буквально, и фигурально) профессор вдруг серьезно сказал:

— Знаете, друзья, я думаю, что ни те, ни другие не, правы. Геология в основе своей наука эклектическая, в природе бывает все, что угодно, и задача наша не строить какие-то обобщающие концепции, а заниматься подробным изучением геологического строения каждого конкретного региона.

Руки опустились, спор был окончен. Неожиданно и странно было это слышать из уст известного крупного геолога. И не стоило бы об этом говорить, если бы высказанное отношение к геологии принадлежало бы только этому профессору. Подобные взгляды очень распространены среди геологов, хотя, может быть, и не высказываются столь решительно и определенно. И эти взгляды основываются на том вполне реальном факте, что каждая область, каждый район обладает своими специфическими индивидуальными особенностями геологического строения, полного сходства никогда нет. Нет двух абсолютно одинаковых пластов или пачек, нет двух совершенно похожих друг на друга складок, нет двух полностью совпадающих по составу и структуре магматических тел. В этом состоит одна из существеннейших черт объектов исследования, с которыми имеет дело геолог.

И все же первая задача науки заключается в первую очередь в том, чтобы искать и устанавливать черты сходства в разных явлениях, а уж затем на этом фоне фиксировать различия. «То, что мышь и жираф — животные разные, скажет любой смертный, а вот что оба они — млекопитающие и обладают массой сходных черт, скажет только ученый», — так неоднократно говорил мне тот «чудак», о котором мы упомянули вначале.

Геология – наука не экспериментальная?

Генетики для своих опытов и наблюдений предпочитают иметь дело не с китами или жирафами, а с мухами и бактериями — таким образом они «снимают время». Быстрая смена поколений позволяет гораздо быстрее выявить законы наследственности, общие для всего живого. У геологов такой возможности нет. А ведь и им тоже нужно определить законы «геологической наследственности». Геология, не меньше чем биология, — наука историческая. Все многообразие геологических тел, структур, вся та сложная картина геологического строения, которую геолог наблюдает на земной поверхности, есть результат сложного и длительного развития земной коры, продолжающегося миллионы, десятки и сотни миллионов лет.

Шкала геологического времени относительна. Геолог еще 100 лет назад находился, как писал один видный ученый, «в положении историка, который может доказать совершенно точно, что за Августом следовал Юлий Цезарь, потом Карл Великий, Карл V, Фридрих II, Наполеон I и Вильгельм I, но не обладает никаким средством, чтобы установить, сколько лет протекло со времени начала царствования одного правителя до воцарения другого».

Только в последние годы мы получили возможность измерять геологическое время в абсолютных величинах, да и то пока довольно приблизительно. Вместе с тем влияние фактора времени на все геологические процессы и явления огромно. Подчас невозможно даже предположить, хотя бы приблизительно, как будут проявляться и изменяться физические свойства вещества горных пород при длительно (в геологическом смысле) действующих нагрузках, к чему могут привести микроскопические изменения каких-либо свойств или количеств за колоссальной длительности промежутки времени.

Эта особенность геологии лишает исследователей возможности ставить прямые эксперименты в лаборатории. Экспериментальные исследования различных тектонических, геохимических и других явлений в лаборатории, так называемое моделирование, безусловно, имеют огромное значение, но, тем не менее, результаты этих работ, по выражению известного геолога Р. ван Беммелена, «…могут служить только иллюстрацией наших представлений, но никак не доказательством того, что в природе процесс идет именно так». Главнейшей лабораторией для геолога остается сама природа, а здесь мы можем наблюдать только один краткий миг в бесконечной истории ее развития. Поэтому одним из важнейших методов геологии является сравнительно-исторический метод. Только он позволяет построить эволюционные ряды структуры земной коры и выявить направленность процесса ее развития и, в конечном счете, подойти к построению теории.

Историзм — настолько неотъемлемое свойство геологии, что без хоть какого-то представления о последовательности событий, об истоках тех или иных явлений невозможно расшифровать наблюдаемую структуру. Поэтому все попытки сторонников создания формализованной математической геологии на время абстрагироваться от фактора времени, от всех вопросов генезиса и описать формально наблюдаемую статическую картину неизбежно приведут к большим ошибкам и искажениям. Вместе с водой при этом выплескивается (пусть хоть на время) и «геологический ребенок», самая суть геологии.

Неизбежно, что в этих условиях мышление геолога во многом вынуждено основываться на воображении и даже, как это ни кажется не совместимым с наукой, на фантазии. Ограничения накладываются наблюдаемыми геологическими фактами и общими для всего реального мира физическими законами, хотя границы их применимости в геологии далеко не всегда ясны. Подчас разобраться в истинности или ложности того или иного положения оказывается очень не легко — ведь геология все еще наука описательная.

Часто правым оказывается тот, кто более красноречив, хотя он, может быть, и дальше от истины. В наше время любому исследователю, оказывается, очень трудно справиться со все нарастающей лавиной фактов, он неизбежно должен их сортировать. Без строгих объективных критериев для такой сортировки вполне возможен или даже неизбежен неосознанный субъективный подбор их.

Как привнести математику в геологию?

В отличие от биологии в нашей науке сами объекты исследования грандиозны по масштабам, и, соответственно, так же грандиозны различия между этими двумя науками. Геологические структуры и их компоненты всегда огромны и на несколько порядков превышают рост человека. При наблюдениях в поле геологические объекты просто-напросто подавляют даже привычного геолога, гипнотизируют его своими масштабами, размером, величественностью. От этого эмоционального воздействия, чаще всего неосознанного, не так легко отвлечься при анализе собранного фактического материала.

Однако для строгого научного подхода все же необходимо вырабатывать объективные критерии, которые лучше всего было бы основывать на числе и мере. Подобно тому, как в биологии с привлечением математической статистики возникла биометрия, так и в геологии, видимо, должна развиться на основе союза со статистикой новая ветвь, позволяющая объективно и строго классифицировать все объекты исследования геологов. (Поскольку «геометрия» — термин, занятый уже давно, эту ветвь можно было бы назвать «геометрикой» или как-то в этом роде.)

Тут не нужно ломать традиции и создавать какие-то новые формализованные понятия, пытающиеся на основе формальной логики описать все объекты и явления геологии. Скорее наоборот, надо стараться среди разноречивых существующих в геологии определений находить что-то среднее, пусть условно, наиболее употребительное и распространенное понимание того или иного термина. И в соответствии с этим классифицировать, искать границы между классами в самих объектах; а не ломать копья из-за разнобоя в терминологии. К примеру, упоминавшееся понятие «интенсивность складчатости» — очень неопределенное и неясное по существу, но часто употребляемое.

Как показывает анализ геологической литературы, касающейся этого вопроса, большинство авторов возрастание интенсивности складчатости связывает с увеличением угла наклона пластов на крыльях складок, характером перегиба пластов, увеличением амплитуды складок. Все это касается геометрии, формы складок, и таким образом понятие интенсивности складчатости является мерой сложности формы складок, мерой отклонения пластов от их первоначально горизонтального положения. А это уже поддается количественной оценке. А получив формализованную по всем правилам строгую шкалу интенсивностей складок, с помощью той же математической статистики можно попытаться решить и коренной вопрос: от чего и в какой мере она зависит. Широкое пространство для союза геологии с математикой!

Трудность геологии заключается еще и в том, что непосредственному наблюдению геолога доступна только тонкая верхняя пленка — 10—12 км — земной коры, а по площади она составляет всего лишь 29 процентов поверхности земного шара — такова площадь суши. Обо всем остальном еще вчера приходилось судить по неполным и косвенным геофизическим данным, а сейчас еще по немногим пока сериям океанического бурения. А ответы и решения, которые стремится дать теоретическая геология, большей частью касаются всей Земли в целом. Неизбежные при этом экстраполяции и интерполяции данных делаются и здесь большей частью на глаз и зависят от вкусов и пристрастия того или иного исследователя. И здесь тоже достаточно очевидно, что математическое сито для оценки правомерности тех или иных умозаключений необходимо.

Как в любой естественной науке, в геологии большая роль принадлежит случайности, связи между разными явлениями не строго однозначны, то есть влияние разных условий и одинаковых факторов не всегда ведет к одним и тем же результатам. Кроме того, нет и никогда не будет возможности с достаточной степенью точности оценить влияние некоторых факторов — скажем, мы никогда не сможем установить абсолютно точно направление и силу течений на дне палеоморей, переносивших и сортировавших осадочный материал. Но все это, конечно, не делает предмет геологии непознаваемым, и уж тем более не дает права считать эту науку эклектичной (эклектизм может быть только в голове).

Мы далеки от мысли, что математика позволит геологии разрешить все сомнения, избавит геологию от всех «проклятых» вопросов, которые служат предметом ожесточенных споров на протяжении всего развития геологической науки. Споры, не приводящие к положительным результатам, когда противники остаются на своих позициях, возникают обычно на том месте, где ощущается острый недостаток фактов. И этот недостаток фактов не восполнят никакие математические методы. Однако математические методы могут помочь оценить степень соответствия той или иной точки зрения имеющимся фактам. Хотя, разумеется, окончательное решение геологических проблем будет принадлежать геологическим методам, которые с помощью математики, возможно, поднимутся на более высокий уровень.

Итак, симбиоз… Следует заметить, что мы рассматривали всю проблему ограниченно, только с точки зрения геолога, и поэтому союз наук здесь представляется неравноправным: выгоды от этого союза получает только геология. Геология использует существующие математические методы, и это дает интересные результаты. Однако мне кажется, что если глубже рассмотреть некоторые конкретные геологические задачи (скажем, деформации горных пород в природных условиях) и дать им математическую оценку, то мы увидим, что сложность задачи не позволяет ее решать существующими методами математики, математический аппарат понадобится развивать для решения таких и подобных задач. Сложность, многообразие и неоднородность геологических объектов позволяют думать, что геология тоже способна поставить перед математикой проблемы, способствующие ее прогрессу. В этом случае симбиоз будет полным, то есть будет взаимовыгодным сосуществованием.

Автор: В. Шолпо.