Геологія – наука про Землю

Ще будучи студентом, я потрапив якось випадково додому до одного дивака, не геолога, але пристрасно захопленого науками про Землю. Він дійсно чимало розмірковував над закономірностями малюнка рельєфу земної поверхні. Кімната його була завалена, завішана картами, заставлена глобусами різних розмірів. На мені була форма, яку в той час носили студенти геологічних факультетів і вузів, і господар з першої фрази почав атаку:

— Ви геолог? Вчитеся? Ну, і чому ж вас там вчать?
— Геології. Наукам про Землю.
— Але ж геологія не наука! Це просто сума практичних прийомів і навичок, які передаються від дідів до онуків, і за допомогою цих даних ви шукаєте корисні копалини. Ви тичетеся по землі, як сліпе щеня по кімнаті: знайшов молоко – добре, потрапив в банку з ваксою – погано.
— Ну, це не зовсім так. (Я був тоді студентом тільки першого курсу.)
— Ні, це так. І геологія не наука, а ремесло. Подібне шиттю чобіт. Тут теж можуть бути свої таланти, художники, але до науки це відношення не має.
– Але є ж в геології зв’язок явищ, закономірності. Нафту треба шукати тільки в певних місцях, а руди поліметалів — в інших. І вибір місця для пошуків визначається всією сумою відомостей про геологічну будову того чи іншого району. Що ж тоді наука?..
— Наука — це коли не доводиться шукати так, як це робите ви, геологи. Потрібно аналітичним шляхом, сидячи за столом з олівцем і папером, точно встановлювати, що де лежить. А далі залишається тільки брати те, що потрібно.
— Це ж нереально. У природі все дуже складно, заплутано. Як це все можна обчислити?
– Але ж ви не заперечуєте того, що в цій складності повинна бути система. Ні? Ну, а якщо все в природі відповідає якимось закономірностям, а не перебуває в хаосі, то треба просто знайти ключ. Уявіть, що ви потрапили в бібліотеку, де зібрані мільйони томів, і вам треба знайти певну книгу. Ви знаєте, що книги стоять в якомусь порядку, але не знаєте, в якому, і каталогу у вас немає. Якщо шукати цю книгу без усякої системи, то ви ризикуєте бродити по такій бібліотеці все життя і не знайти того, що хочете. Але якщо не полінуватися і витратити якийсь час на те, щоб розгадати систему, по якій поставлені книги, і скласти каталог…

Розмова ця відбувалася сорок років тому, коли спроби застосувати точні методи в геології були дуже нечисленні, а опублікованих на цю тему робіт майже не було.

«Геологія і математика», «застосування математичних методів в геології» — такі та подібні цим поєднання слів можна чути останнім часом все частіше і частіше. В геологічних журналах друкуються статті, присвячені математичним методам, виходять книжки, спеціальні збірники на цю тему, проводяться наради щодо застосування математичних методів і комп’ютерів в геології.

Що ж відбувається? Чи не присутні ми при початку нового етапу в розвитку геології? Всі ми — свідки гігантських успіхів так званих точних наук, що наочно показали, як далеко в таємниці природи здатний проникнути людський розум, озброєний математикою. Ми бачимо, які величезні, навіть сенсаційні, відкриття відбуваються на стиках різних наук: досить назвати хоча б одну кібернетику. Так, може бути, тепер настала черга геології? І, може бути, математичні методи, застосування комп’ютерів створять можливість для гігантського стрибка до таємниць нашої планети, до таємниць процесів, що народжують гори або викликають землетруси і виверження вулканів, до таємниць процесів, що формують в надрах Землі родовища корисних копалин?

Черга, мабуть, і справді настала. Але на практиці все і складніше, і простіше. Виникла досить дивна ситуація. У представників звичайної, «класичної», або «традиційної», за висловом прихильників математизації, геології найчастіше немає достатніх знань математики, щоб оцінити повною мірою спроби впровадження математики в геологію. Здебільшого при цьому відчувається прихований або явний опір такому впровадженню, породжений переконанням, що така суто описова, складна за величезним розмаїттям досліджуваних об’єктів наука, як геологія, не може бути втиснута в жорсткі рамки сухих формул і рівнянь.

У прихильників ж математизації геології, як правило, навіть якщо і є спеціальна геологічна освіта, то немає достатнього досвіду, немає глибокого розуміння істоти геології. Зате є полемічний запал і дуже енергійне бажання «витягнути» геологію на рівень авангардних наук нашого століття. Це підкріплюється твердим переконанням, що «людські знання лише остільки можуть вважатися наукою, оскільки в них є число». В результаті виникає нерозуміння між цими двома групами дослідників і навіть часом антагонізм. Зрозуміло, між двома крайніми, протилежними точками зору існує гамма всіх можливих перехідних, проміжних поглядів, що відображають прагнення до компромісу.

Що ж пропонують прихильники «математизації»? В наростаючій лавині робіт, присвячених цьому питанню, можна побачити два принципово різних підходи. Перший — різні методи і прийоми, розроблені в різних областях математики, просто пропонується використовувати для обробки і інтерпретації геологічних даних. Погляд дослідників в першу чергу звертається до математичної статистики і теорії ймовірностей, оскільки саме ці розділи математики здаються найбільш придатними для опису складних, таких, що залежать від впливу багатьох чинників природних процесів і явищ. Справа не обмежується тільки цими розділами математики — для вирішення геологічних завдань залучається теорія множин, деякі розділи топології та інші математичні дисципліни. Вже видно певні успіхи на цьому шляху, особливо в тих галузях геології, де первинні геологічні дані з самого початку мають кількісну форму. Це геохімія, літологія, підрахунок запасів корисних копалин, деякі завдання гідрогеології.

В основі другого напряму математизації геології лежить ідея перегляду всіх основ і вихідних положень цієї науки. Цей перегляд передбачається вжити для вироблення суворих формальних визначень основних понять геології — таких, як «геологічні кордони», «геологічні тіла» і т. д., з яких потім строго логічним шляхом, що піддається математичному опису, можна було б вивести формалізовані поняття всіх явищ, з якими має справу геологія. За строгим математичним законам пропонується перебудувати всі геологічні класифікації. І подальший прогрес геології, на думку прихильників цього шляху, повинен складатися в математичному розвитку цього формалізованого фундаменту, укладеного в математичні формули та описи всіх геологічних явищ.

Тобто, по суті, передбачається створити нову науку, яка була б математичною за формою і геологічною за змістом. За аналогією з іншими, народженими знову науками (скажімо, біонікою) цю, може бути, слід називати “геоматикою”.

Перший шлях математизації геології можна назвати симбіозом цих наук. Для другого шляху більше підходить визначення синтез. Важко зараз віддавати перевагу якому-небудь з цих шляхів, але читач, мабуть, уже здогадався, що автор віддав. Все, що написано далі, присвячено тому, щоб виправдати і обгрунтувати цю перевагу. Перевага першого шляху – симбіозу.

Геологія – наука інтуїтивна?

У читача, ймовірно, вже виникли деякі питання. І перше з них напевно — що ж таке класична геологія і її традиційні методи? Перш за все-один приклад, який, як нам здається, наочно демонструє якщо не методи геології, то характер і методи мислення геолога. У структурній геології та геотектоніці існує поняття “інтенсивність складчастості”. Поняття це дуже невизначене в буквальному сенсі, так як воно не має строгого визначення. Але, тим не менш, геологи досить часто користуються ним, намагаючись з його допомогою підкреслити ступінь деформованості пластів, ступінь складності складок. При цьому зазвичай вживаються порівняльні прикметники: «менше», «більше», «дуже інтенсивна» і т. д. Ніяких способів вимірювання інтенсивності складчастості немає, хоча неодноразово робилися спроби розробити прийнятну методику для цього, і геолог судить про інтенсивності складчастості, просто дивлячись на вигляд складок, їх форму.

В нашому досліді було запропоновано розкласти 30 карток, на кожній з яких намальована одна складка, в ряд за зростанням інтенсивності. Цей пасьянс розкладало кілька геологів, і виявилося, що ряди складок в кожному випадку близькі між собою. Деякі відмінності полягали в тому, що іноді мінялися місцями дві сусідні складки. Але було ясно, що всі геологи інтуїтивно вкладають в поняття інтенсивності складчастості один і той же сенс. Такий же ряд було запропоновано розкласти одному фізику. Причому не просто першому-ліпшому, а такому, який добре уявляв, що таке складки, з яким неодноразово обговорювалося, як спробувати кількісно оцінити інтенсивність складчастості.

Але, тим не менш, ряд, в який цей фізик розклав 30 складок, нічим не був схожий на ряди геологів. На погляд геолога, ніякої закономірності виявити в такому ряду було не можна.

З одного цього експерименту навряд чи можна робити далекосяжні висновки. Але все ж, як здається, цей випадок виявляє одну дуже суттєву рису підходу геолога до об’єктів свого вивчення. Цілком очевидно, що важливу роль при оцінці явищ у геологів грає специфічна професійна інтуїція, обумовлена досвідом і вихована середовищем. І в багатьох випадках такі інтуїтивні оцінки, поняття і визначення з великими труднощами піддаються не тільки формалізованому, але і взагалі логічному опису. Я не збираюся ставити цю обставину в заслугу геологам або вважати це якоюсь гідністю геології. Швидше навпаки. Однак, так чи інакше, з цією специфікою геології необхідно рахуватися у всіх випадках, і корисніше, не відкидаючи всього накопиченого досвіду, зрозуміти природу особливостей цієї науки.

Геологія – наука еклектична?

На одній геологічній нараді, досить представницькій за кількістю учасників і по кількості різних геологічних напрямків і шкіл, виникла суперечка про те, які рухи вважати первинними, що визначають розвиток Землі – горизонтальні або вертикальні. Суперечка стара, традиційна, що здавна розділяє геологів на два непримиренні табори, але від цього не менш гостра і гаряча. Як це завжди буває в подібних ситуаціях, суперечка тривала і за межами залу засідань. І ось у фойє два шанованих, відомих геолога, прихильники первинності вертикальних рухів, насіли на третього — маститого професора (імена в даному випадку необов’язкові), який ніколи не висловлювався безумовно на користь тієї або іншої точки зору.

Ці двоє хотіли, щоб третій все-таки розсудив об’єктивно і з висоти свого великого досвіду дав оцінку — яка концепція менше суперечить фактам, і, врешті-решт, сформулював свою позицію в цій суперечці. Непристойно начебто тектоністу не мати певного відношення до цього найголовнішого і актуального питання геотектоніки. Наводилася різна аргументація на користь вертикальних рухів — від фактів до методичних концепцій.

Професор люто відбивався і старанно уникав відповіді на головне питання. Він апелював до геологічної будови різних областей земної кулі, блискуче показуючи, що є факти, які підтверджують одні погляди, а є інші, що не менш яскраво свідчать на користь протилежних. При цьому він дуже наочно, образно «розповідав геологію» самих різних і далеких районів, в яких йому довелося побувати. Я підкреслюю — розповідав. Це дуже важко зробити не показуючи, без допомоги малюнків. Для цього необхідно дійсно добре знати і дуже ясно уявляти собі геологічну будову території. Атакуючі продовжували вимагати чіткої відповіді на основне питання. І ось припертий до стіни (і буквально і фігурально) професор раптом серйозно сказав:

— Знаєте, друзі, я думаю, що ні ті, ні інші не праві. Геологія в основі своїй наука еклектична, в природі буває все, що завгодно, і наша задача не будувати якісь узагальнюючі концепції, а займатися докладним вивченням геологічної будови кожного конкретного регіону.

Руки опустилися, суперечка була закінчена. Несподівано і дивно було це чути з вуст відомого великого геолога. І не варто було б про це говорити, якби висловлене ставлення до геології належало б тільки цьому професору. Подібні погляди дуже поширені серед геологів, хоча, може бути, і не висловлюються настільки рішуче і виразно. І ці погляди ґрунтуються на тому цілком реальному факті, що кожна область, кожен район володіє своїми специфічними індивідуальними особливостями геологічної будови, повної схожості ніколи немає. Немає двох абсолютно однакових шарів, або пачок, немає двох абсолютно схожих один на одного складок, немає двох магматичних тіл, що повністю збігаються за складом і структурою. У цьому полягає одна з найістотніших рис об’єктів дослідження, з якими має справу геолог.

І все ж перше завдання науки полягає в першу чергу в тому, щоб шукати і встановлювати риси подібності в різних явищах, а вже потім на цьому тлі фіксувати відмінності. “Те, що миша і жираф – тварини різні, скаже будь-який смертний, а ось що обидва вони – ссавці і мають масу подібних рис, скаже тільки вчений”, – так неодноразово говорив мені той “дивак”, про якого ми згадали спочатку.

Геологія – наука не експериментальна?

Генетики для своїх дослідів і спостережень воліють мати справу не з китами або жирафами, а з мухами і бактеріями — таким чином вони «знімають час». Швидка зміна поколінь дозволяє набагато швидше виявити закони спадковості, загальні для всього живого. У геологів такої можливості немає. А адже їм теж потрібно визначити закони «геологічної спадковості». Геологія, не менше ніж біологія, – наука історична. Все різноманіття геологічних тіл, структур, вся та складна картина геологічної будови, яку геолог спостерігає на земній поверхні, є результат складного і тривалого розвитку земної кори, триваючого мільйони, десятки і сотні мільйонів років.

Шкала геологічного часу відносна. Геолог ще 100 років тому знаходився, як писав один відомий вчений, «в положенні історика, який може довести абсолютно точно, що за Августом слідував Юлій Цезар, потім Карл Великий, Карл V, Фрідріх II, Наполеон I і Вільгельм I, але не володіє ніяким засобом, щоб встановити, скільки років протекло з часу початку царювання одного правителя до воцаріння іншого».

Тільки в останні роки ми отримали можливість виміряти геологічний час в абсолютних величинах, та й то поки досить приблизно. Разом з тим вплив фактора часу на всі геологічні процеси і явища величезний. Часом неможливо навіть припустити, хоча б приблизно, як будуть проявлятися і змінюватися фізичні властивості речовини гірських порід при тривало (в геологічному сенсі) діючих навантаженнях, до чого можуть привести мікроскопічні зміни будь-яких властивостей або кількостей при колосальній тривалості проміжків часу.

Ця особливість геології позбавляє дослідників можливості ставити прямі експерименти в лабораторії. Експериментальні дослідження різних тектонічних, геохімічних та інших явищ в лабораторії, так зване моделювання, безумовно, мають велике значення, але, тим не менш, результати цих робіт, за висловом відомого геолога Р. ван Беммелена, «…можуть служити тільки ілюстрацією наших уявлень, але ніяк не доказом того, що в природі процес йде саме так». Найголовнішою лабораторією для геолога залишається сама природа, а тут ми можемо спостерігати тільки одну коротку мить в нескінченній історії її розвитку. Тому одним з найважливіших методів геології є порівняльно-історичний метод. Тільки він дозволяє побудувати еволюційні ряди структури земної кори і виявити спрямованість процесу її розвитку і, в кінцевому рахунку, підійти до побудови теорії.

Історизм — настільки невід’ємна властивість геології, що без хоч якогось уявлення про послідовність подій, про витоки тих чи інших явищ неможливо розшифрувати наявну структуру. Тому всі спроби прихильників створення формалізованої математичної геології на час абстрагуватися від чинника часу, від усіх питань генезису і описати формально спостережувану статичну картину неминуче призведуть до великих помилок і спотворень. Разом з водою при цьому вихлюпується (нехай хоч на час) і “геологічна дитина” , сама суть геології.

Неминуче, що в цих умовах мислення геолога багато в чому змушене ґрунтуватися на уяві і навіть, як це не здається не сумісним з наукою, на фантазії. Обмеження накладаються спостережуваними геологічними фактами і загальними для всього реального світу фізичними законами, хоча межі їх застосовності в геології далеко не завжди зрозумілі. Часом розібратися в істинності чи хибності того чи іншого положення виявляється дуже не легко — адже геологія все ще описова наука.

Часто правим виявляється той, хто більш красномовний, хоча він, може бути, і далі від істини. У наш час будь-якому досліднику, виявляється, дуже важко впоратися з все наростаючою лавиною фактів, він неминуче повинен їх сортувати. Без строгих об’єктивних критеріїв для такого сортування цілком можливий або навіть неминучий неусвідомлений суб’єктивний підбір їх.

Як привнести математику в геологію?

На відміну від біології в нашій науці самі об’єкти дослідження грандіозні за масштабами, і, відповідно, так само грандіозні відмінності між цими двома науками. Геологічні структури і їх компоненти завжди величезні і на кілька порядків перевищують зріст людини. При спостереженнях в полі геологічні об’єкти просто-напросто пригнічують навіть звичного геолога, гіпнотизують його своїми масштабами, розміром, величністю. Від цього емоційного впливу, найчастіше неусвідомленого, не так легко відволіктися при аналізі зібраного фактичного матеріалу.

Однак для суворого наукового підходу все ж необхідно виробити об’єктивні критерії, які найкраще було б засновувати на числі й мірі. Подібно до того, як в біології з залученням математичної статистики виникла біометрія, так і в геології, мабуть, повинна розвинутися на основі союзу зі статистикою нова гілка, яка дозволяє об’єктивно і строго класифікувати всі об’єкти дослідження геологів. (Оскільки «геометрія» — термін, зайнятий вже давно, цю гілку можна було б назвати “геометрикою” або якось в цьому роді.)

Тут не потрібно ламати традиції і створювати якісь нові формалізовані поняття, які намагаються на основі формальної логіки описати всі об’єкти і явища геології. Швидше навпаки, треба намагатися серед суперечливих існуючих в геології визначень знаходити щось середнє, нехай умовно, найбільш уживане і поширене розуміння того або іншого терміна. І відповідно з цим класифікувати, шукати межі між класами в самих об’єктах; а не ламати списи через різнобій в термінології. Наприклад, згадуване поняття «інтенсивність складчастості» — дуже невизначене і неясне по суті, але часто вживане.

Як показує аналіз геологічної літератури, що стосується цього питання, більшість авторів зростання інтенсивності складчастості пов’язує із збільшенням кута нахилу пластів на крилах складок, характером перегину пластів, збільшенням амплітуди складок. Все це стосується геометрії, форми складок, і таким чином поняття інтенсивності складчастості є мірою складності форми складок, мірою відхилення пластів від їх початкового горизонтального положення. А це вже піддається кількісній оцінці. А отримавши формалізовану за всіма правилами сувору шкалу інтенсивностей складок, з допомогою тієї ж математичної статистики можна спробувати вирішити і корінне питання: від чого і в якій мірі вона залежить. Широкий простір для союзу геології з математикою!

Труднощі геології полягають ще й у тому, що безпосередньому спостереженню геолога доступна тільки тонка верхня плівка — 10-12 км — земної кори, а за площею вона становить лише 29 відсотків поверхні земної кулі — така площа суші. Про все інше ще вчора доводилося судити за неповними і непрямими геофізичними даними, а зараз ще трохи по серіям океанічного буріння. А відповіді і рішення, які прагне дати теоретична геологія, здебільшого стосуються всієї Землі в цілому. Неминучі при цьому екстраполяції і інтерполяції даних робляться і тут здебільшого на око і залежать від смаків і пристрасті того чи іншого дослідника. І тут теж досить очевидно, що математичне сито для оцінки правомірності тих чи інших умовиводів необхідно.

Як у будь-якій природничій науці, в геології велика роль належить випадковості, зв’язки між різними явищами не строго однозначні, тобто вплив різних умов і однакових факторів не завжди веде до одних і тих же результатів. Крім того, немає і ніколи не буде можливості з достатнім ступенем точності оцінити вплив деяких чинників — скажімо, ми ніколи не зможемо встановити абсолютно точно напрям і силу течій на дні палеоморів, які переносили і сортували осадовий матеріал. Але все це, звичайно, не робить предмет геології непізнаваним, і вже тим більше не дає права вважати цю науку еклектичною (еклектизм може бути тільки в голові).

Ми далекі від думки, що математика дозволить геології вирішити всі сумніви, позбавить геологію від всіх «проклятих» питань, які служать предметом запеклих суперечок протягом усього розвитку геологічної науки. Суперечки, що не призводять до позитивних результатів, коли противники залишаються на своїх позиціях, виникають звичайно на тому місці, де відчувається гострий брак фактів. І цей недолік фактів не заповнять ніякі математичні методи. Проте математичні методи можуть допомогти оцінити ступінь відповідності тієї чи іншої точки зору наявним фактам. Хоча, зрозуміло, остаточне рішення геологічних проблем належатиме геологічним методам, які за допомогою математики, можливо, піднімуться на більш високий рівень.

Отже, симбіоз… Слід зауважити, що ми розглядали всю проблему обмежено, лише з точки зору геолога, і тому союз наук тут представляється нерівноправним: вигоди від цього союзу отримує тільки геологія. Геологія використовує існуючі математичні методи, і це дає цікаві результати. Однак мені здається, що якщо глибше розглянути деякі конкретні геологічні завдання (скажімо, деформації гірських порід у природних умовах) і дати їм математичну оцінку, то ми побачимо, що складність завдання не дозволяє її вирішувати існуючими методами математики, математичний апарат знадобиться розвивати для вирішення таких і подібних завдань. Складність, багатогранність і неоднорідність геологічних об’єктів дозволяють думати, що геологія теж здатна поставити перед математикою проблеми, що сприяють її прогресу. В цьому випадку симбіоз буде повним, тобто буде взаємовигідним співіснуванням.

Автор: В. Шолпо.