Глава вторая. Горные породы и геологические циклы

Значение горных пород

Теперь, когда мы дошли до этой темы в наших рассуждениях, было бы хорошо в течение нескольких минут посмотреть на обломок горной породы. Во многих больших и малых городах мы иногда можем увидеть горные породы - они используются как камень для облицовки зданий. Коллекции различных горных пород находятся во многих музеях.

Если поблизости от вас есть горные породы в том или ином виде, посмотрите на них внимательно. Каково ваше впечатление? Не представляется ли вам горная порода стойкой, твердой, неподвижной, неизменной, безжизненной? Все эти эпитеты обычно употребляются при описании горной породы. И все они будут правильными, если ограничиться теми несколькими минутами, которые требуются для рассматривания образца горной породы. Но предположим, что вместо простого разглядывания этого образца мы внимательно изучим его, "расчленим", чтобы узнать, из каких частей он состоит, как они соединены. Кроме того, подумаем, что могло бы случиться с ним и какие изменения могли бы в нем произойти с течением времени - не за пять минут, а за годы, века и даже миллионы лет. И если мы посмотрим на горные породы с этой точки зрения, то увидим, что ни один из эпитетов, перечисленных выше, к ним неприменим, потому что ни одна порода, какой бы твердой и прочной она ни была, не существует вечно. Она разрушается. Ее составные части уносятся, иногда на очень далекое расстояние, перемешиваются и образуют новые, совершенно другие горные породы.

Поэтому каждая горная порода, к какому бы типу она ни относилась, имеет долгую историю разрушения, переноса и воссоздания. История горных пород полна движения. Это не только история образования, разрушения и повторного образования горных пород в различных природных условиях, но также история происхождения и развития биосферы, живых организмов, населявших и населяющих Землю. Если бы не горные породы, история Земли осталась бы неизвестной нам. Горные породы заслуживают не только внимательного взгляда, но и настоящего исследования, потому что в них заключена история наших предков- и человека, и существ, живших на Земле до появления человека.

В этой главе и в нескольких следующих объясняется, как создаются и разрушаются породы и как в них запечатлевается летопись жизни прошлого. Если их изучать внимательно и пристально, не опуская никаких деталей, по ним можно проследить и понять полную драматизма историю, которая изложена во второй половине этой книги.

Конечно, порода - это вещество, которое, пока оно не подвергается перемещению, остается инертным. Что же его перемещает? Процессы, внутренние и внешние, рассмотренные нами в главе первой. Они-то и есть движущие силы. Несмотря на все различие между ними, движущие силы (процессы) и вещество (горные породы) тесно связаны между собой. Мелкие частицы пород, образующие желтый, бурый или красноватый речной ил, - это не просто груз, отложения, переносимые рекой; они составляют существенную часть самого речного потока. Количество и степень измельчения взвешенного ила, а также количество и размеры более крупных обломков, которые перемещаются по дну реки и обычно незаметны, в сильной степени влияют на характеристики реки и тех наносов, которые отлагаются в ее русле.

Так как процессы и вещество связаны между собой, нам придется отойти от строго логичного порядка изложения, когда мы их будем рассматривать. Начнем с круговорота воды, включающего целую систему процессов и только одно вещество - воду. Затем рассмотрим природу и размерность вещества, образующего горные породы. Вслед за этим мы сможем показать, как совокупность вещества и процессов образует круговорот пород - цикл, включающий большую группу процессов.

Круговорот воды

Схема круговорота воды показана на рисунке 4. Благодаря солнечной энергии огромные массы воды постоянно испаряются с поверхности океана, поднимаются в атмосферу и переносятся из одного района в другой. Рано или поздно влага конденсируется и выпадает на поверхность суши или моря в виде дождя или снега. Та часть ее, которая выпадает на поверхность суши, различными путями возвращается в море - выносится реками или, просачиваясь в почву, медленно двигается в сторону моря в земной толще. Некоторая часть влаги испаряется с поверхности озер и рек или испаряется в воздух растениями и таким образом возвращается в атмосферу. Более короткий путь проходит вода, которая из атмосферы выпадает в виде осадков непосредственно на поверхность океана. Круговорот воды - это огромная цепь процессов. Осадков, выпадающих за год на территории США, достаточно, чтобы покрыть всю страну слоем воды толщиной в среднем 75 сантиметров. Около одной трети этой влаги возвращается в океан в виде воды рек. Остальные две трети попадают непосредственно в атмосферу в результате испарения, а также транспирации растениями. Важную роль в круговороте воды играет биосфера (Р. Флинт в отличие от В. И. Вернадского называет биосферой не пространства, населенные организмами, но совокупность самих организмов. - Прим. ред). Можно полагать, что на любом континенте количество воды, испаряемой зеленым растительным покровом, выдыхаемой и испаряемой животными, значительно больше количества, выносимого за то же время реками в море. Конечно, биосфера существует благодаря присутствию воды, но и сама она играет существенную роль в круговороте воды, подобно тому, как частицы горной породы образуют часть потока, переносящего их. В этой главе мы рассматриваем ту роль, которую играет круговорот воды в разрушении суши путем эрозии - разрушении и сносе вещества горных пород.

Рис. 4. Круговорот воды

Три группы горных пород

Едва ли можно продолжать рассуждать о породах, не объяснив, что же они собой представляют.

В состав вещества земной коры входит более 100 химических элементов в различных количествах. Восемьдесят семь процентов (по весу) составляют кислород, кремний, алюминий и железо. Эти и другие менее распространенные элементы соединяются в различных соотношениях и образуют минералы, в большинстве своем представляющие твердые кристаллические тела, обладающие жесткой трехмерной кристаллической решеткой, подобной стальному каркасу здания.

Отчасти благодаря геометрической правильности их решетки минералы обладают определенными физическими свойствами, по которым их можно определять. Существует более 2000 минералов, но только небольшое число их является важными составными частями обычных на земной поверхности горных пород.

Породы представляют собой сочетание двух или нескольких (иногда многих) минералов, но некоторые породы состоят всего из одного минерала. Известны сотни пород, однако лишь немногие из них широко распространены. Кусок обычного гранита такого размера, что его легко можно держать в руке, может состоять из сотен кристаллических зерен пяти или шести обычных минералов и небольшого количества редких минералов, которые не имеют значения для целей нашего весьма общего обзора.

Изучив десяток-другой образцов, можно видеть, что породы делятся на три большие группы. Первая включает магматические породы, образованные при затвердевании жидкой горячей магмы. Другая - метаморфические ("измененные") породы, возникшие в результате преобразования в твердом состоянии существовавших ранее пород под действием давления или тепла, или того и другого вместе. Наконец, существуют осадочные породы, созданные осаждением обломков и других продуктов разрушения существовавших ранее пород.

Эти три группы пород образуются в различных частях земной коры: осадочные породы - на поверхности, а два других вида большей частью на значительных глубинах. Но каждый вид пород может подвергнуться, конечно, медленному перемещению из зоны, где он был образован, в другие зоны. В результате этих медленных перемещений горные породы оказались перемешанными, так что сейчас мы видим на поверхности Земли все три группы. Чтобы проследить хотя бы в общих чертах историю развития земной коры, мы должны внимательно изучить горные породы.

Магматические породы. При геотермическом градиенте 30° на 1 километр точка, находящаяся на глубине 40 километров под поверхностью континента, будет иметь температуру 1200°.

Лабораторные эксперименты по "изготовлению" пород показывают, что при этой температуре и небольшом давлении, существующем на поверхности Земли, некоторые породы плавятся. Однако в глубинах земной коры огромный вес вышележащих пород повышает температуру плавления настолько, что большая часть материала на этой глубине не может перейти в жидкое состояние. Но небольшое количество все же плавится, образуя очаги расплавленного вещества (которое в том случае, если оно не выходит на поверхность Земли, мы называем магмой). Предполагается, что такие очаги существуют в различных местах в толще коры.

Будучи жидкостью, магма подвижна. Приходя в движение, она стремится двигаться к поверхности. Частично она расплавляет породы на своем пути, образуя полость в земной коре, подобно тому, как паяльная лампа расплавляет кусок металла; движению магмы вверх способствует сила расширения газов, растворенных в ней. По мере ее движения вверх (процесс, который обычно происходит очень медленно) давление и температура убывают, и в какой-то точке начинается затвердевание. Начинают формироваться молекулы твердых минералов, к которым, как к ядрам, притягиваются другие подобные молекулы. При соединении достаточного количества сходных молекул образуются кристаллы, небольшие вкрапления твердого вещества в толще магмы. Количество и размеры этих вкраплений постепенно возрастают, и магма превращается в горячую кашеобразную массу. В конце концов эта смесь полностью затвердевает, и образуется магматическая порода, хотя еще и очень горячая. Вновь образовавшийся массив гранита может иметь температуру 700°, и для его остывания может потребоваться более десяти миллионов лет, настолько медленно происходит отток тепла через толщу залегающих выше пород.

Рис. 5. Тела магматических пород и их соотношение. Самые крупные массивы называются батолитами, а их пальцеобразные ответвления - штоками. Грубо-кристаллические разности свидетельствуют о затвердевании на глубине, мелкокристаллические - вблизи поверхности, лишенные кристаллической структуры - на поверхности Земли. Масштаб не выдержан

В случае, если магма поднималась медленно и затвердевание ее происходило задолго до того, как она достигла поверхности, оно требовало много времени. За это время группирующиеся молекулы минералов успевали построить крупные кристаллы размером несколько миллиметров в диаметре каждый. Образовавшаяся таким образом магматическая порода была крупнозернистой. Но если движение магмы происходило быстрее и она, достигнув поверхности, изливалась наружу в виде лавы, как изливается из скважины вода, кристаллы оставались маленькими (диаметром 1-2,5 миллиметра и меньше), так как не успевали приобрести большие размеры. В, крайнем случае магма достигала поверхности раньше, чем успевали образоваться ядра кристаллизации; быстрое охлаждение при соприкосновении с атмосферой могло вызвать затвердевание желеобразной массы, лишенной кристаллов. Горная порода, образовавшаяся таким путем, не является кристаллической; это природное стекло.

Для нас эта последовательность процессов интересна в том отношении, что, когда мы находим на поверхности Земли крупный массив гранитов или других магматических пород, мы можем быть уверены, что их затвердевание произошло в толще земной коры. Если это так, то мы знаем, что после затвердевания пород в течение долгого времени, может быть миллионов лет, происходили эрозионные процессы, которые разрушили вышележащие слои и вывели эти породы на дневную поверхность. Вместо поднятия магмы к земной поверхности происходило постепенное снижение поверхности до уровня глубоко залегавших твердых пород. Таким образом, выходящий на поверхность массив горной породы подобен фундаменту древнего разрушенного здания. О глубине, на которой образовалась порода, свидетельствует не только размер зерен, но и те минералы, с которых началась кристаллизация магмы. При искусственном создании магматических пород в лаборатории в условиях контролируемого давления было установлено, какое давление требуется для образования в магме ядер кристаллизации различных минералов. При этом легко может быть рассчитана глубина, соответствующая данным значениям давления.

Многие разновидности магматических пород большей частью, хотя и не полностью, зависят от химического состава земной коры в тех местах, где возникают магматические очаги. Но, как мы уже говорили, на континентах состав пород (залегающих как на поверхности, так и в глубине), несмотря на местные отклонения, в среднем приближается к составу гранитов, в то время как состав пород ложа океанов почти целиком соответствует базальтам.

Массивы магматических пород могут иметь различную форму и размеры. На рисунке 5 дан типичный пример того, как после затвердевания огромного батолита и отходящих от него жил эрозия удалила большую толщу породы; позднее начал формироваться вулканический конус и лавовые потоки. Таким образом, на схеме представлены по крайней мере две генерации магматических пород.

Метаморфические породы. Хотя эти породы подобны магматическим, так как состоят из связанных между собой кристаллов, их отличием является то, что они образуются не из расплава. Многие из них обладают подобием слоистости - сланцеватостью, которая вызвана группировкой минералов в "слои" в результате химического обмена в условиях высокого давления, при котором происходит образование новых минералов. Этот процесс образования - или, точнее, преобразования - происходит без расплавления, при сохранении твердого состояния породы. Давление, необходимое для образования сланцеватости, соответствует глубинам около 10-30 километров в зависимости от того, какие новые минералы образуются в породах в ходе этого процесса. Таким образом, сланцеватые метаморфические породы свидетельствуют о том, что для того, чтобы эти породы вышли на дневную поверхность, эрозия должна была уничтожить 10-30-километровую толщу вышележащих пород.

Фото 2. Аллювиальные конусы выноса у подножия горного склона в западном Вайоминге. Во время последнего ливня дождевые воды прорезали русло в верхней части одного из конусов, но образовавшийся при этом материал был отложен ниже по склону в виде удлиненного скопления

Другие метаморфические породы, например кварцит или мрамор, не имеют сланцеватости. В основном они являются результатом перекристаллизации осадочных пород, погруженных на большую глубину и насыщенных горячей водой, но не подвергавшихся большому давлению. Поэтому они имеют кристаллическую структуру, но не обладают сланцеватостью.

Осадочные породы. Как возникают осадочные породы, показано на фото 2, изображающем стену каньона в горах Абсарока, западный Вайоминг. Массив магматических пород прорезан крутопадающими узкими долинами, созданными стоком дождевых вод. Большая часть обломков пород, которые выносятся из этих долин, в том числе и малых притоков, отлагается в их устьях. Отложения на рисунке образуют два конусообразных скопления, в плане напоминающих веер, наложенных на плоское дно более крупной долины, небольшой отрезок которой виден в передней части фотографии. Эти два аллювиальных конуса выноса, сложенные галькой и песком, представляют раннюю стадию размыва и переотложения материала горных пород. Коренные породы на поверхности Земли постепенно разрушаются и превращаются в рыхлый материал, который перемещается на более низкие уровни и отлагается. В рассматриваемом случае отложение происходит в тех местах, где течение временных водотоков замедляется вследствие резкого уменьшения уклона при выходе на плоскую поверхность.

Галька и песок, слагающие конусы выноса, представляют собой осадок. Если размыва и переотложения их не происходит, то со временем осадочные слои уплотняются, частицы их цементируются минеральным веществом, растворенным в воде, которая просачивается сквозь толщу осадка. Тогда осадок превращается в осадочную породу. Такую породу можно сравнить с блоком бетона для покрытия дороги или фундаментом здания, состоящим из обломков пород, скрепленных цементом.

В масштабах геологического времени продолжительность существования большинства конусов выноса невелика, так как они образуются в местах, доступных для эрозии. Большей частью конусы выноса являются местом временной остановки в движении осадков, которое заканчивается в более крупном и более отдаленном бассейне, а возможно, и в море.

Круговорот вещества пород

Хотя все осадки накапливаются на поверхности твердой оболочки Земли и превращение их в осадочные породы происходит на небольшой глубине, однако бурением и геофизическими исследованиями осадочные породы обнаружены глубоко в толще коры. Это позволяет предположить, что временами различные участки земной коры прогибаются, и вместе с ними в глубь Земли перемещаются и осадочные породы. Напротив, во многих частях континента магматические и метаморфические породы, в том числе и образованные на очень большой глубине, находятся на поверхности, и ими бывают сложены даже очень высокие горы. Это указывает на большие поднятия отдельных участков земной коры, вызывающие сильную эрозию. Таким образом, ясно, что части коры поднимаются и опускаются, хотя и очень медленно, и слагающие их породы, которые переносятся вверх или вниз и попадают в чуждые им условия, должны в силу этого подвергаться изменениям.

Что происходит с породами, в общих чертах показано на рисунке 6. Испытавшие поднятие породы подвергаются воздействию внешних процессов и эродируются, а продукты эрозии сносятся вниз и отлагаются во впадинах в виде слоев осадков. Многие прогибающиеся впадины заполняются осадками почти с такой же скоростью, с какой происходит прогибание; в то же время происходит преобразование нижней части отложений в осадочные породы. Если мы допустим, что по прошествии долгого времени направление движений изменится, то область накопления осадочных пород испытает поднятие и в свою очередь подвергнется эрозии. Продукты эрозии будут полностью или частично выноситься в соседнюю впадину, образованную на месте бывшей ранее возвышенности. В этой впадине будут накапливаться осадки, и таким образом повторится весь процесс.

Рис. 6. Эрозия и аккумуляция в смежных областях, контролируемые поднятиями и опусканиями земной коры. Масштаб не выдержан. Иллюстрация к изображению одной из частей круговорота вещества пород, полностью показанного на рис. 7

Иногда ход событий более сложен. Если бы впадина, изображенная на рисунке 6Д продолжала прогибаться и заполняться слоями отложений достаточно долго, нижняя часть заполняющих ее осадков (уже превращенных в осадочные породы) оказалась бы в более глубокой зоне земной коры. Давление в этой достаточно глубоко расположенной зоне вызвало бы превращение осадочных пород в метаморфические. При продолжающемся прогибании породы могли бы расплавиться, и в этом случае образовались бы новые магматические породы.

Можно видеть, как все эти отдельные процессы складываются в единую схему. На ней показаны (рис. 7) все фазы, которые может пройти материал горных пород, и также процессы, которые воздействуют на этот материал. Мы называем эту схему круговоротом вещества горных пород, потому что она охватывает постоянный, нескончаемый цикл природных процессов, в котором вещество подвергается преобразованию. Хотя может показаться, что магматические породы образуют "начало" цикла, в действительности это не так. Этот цикл не имеет начала, подобно тому, как не имеет начала круг. Скорее, он представляет собой бесконечный ряд превращений, снова и снова повторяющихся, в общем, подобным образом, хотя некоторые процессы замыкаются, образуя "малые циклы", а участки наиболее активной деятельности со временем перемещаются, так что не весь материал горных пород каждый раз проходит весь цикл.

Рис. 7. Упрощенная схема круговорота пород как непрерывно действующей системы. Справа - последовательность событий, следующих одно за другим в направлении, показанном стрелками. Слева - последовательность соответствующих изменений, которым подвергается материал горных пород. Они также следуют одно за другим

Хотя все эти процессы и превращения непрерывно происходят в толще земной коры и на ее поверхности, общее количество вещества в этой обширной системе остается постоянным, за исключением небольшого количества метеоритов, поступающих из космического пространства и увеличивающих общую массу Земли.

Количество вещества остается постоянным, но отдельные его частицы постоянно перемешиваются и меняют свое положение, входя в состав то одного минерала, то другого, то жидкости, то твердого тела. Для некоторых частиц круговорот пород - это длинное, полное разнообразия путешествие. Для других это означает пребывание в одной и той же среде, незначительно меняющейся в течение очень длительного времени. Возможно, хотя и маловероятно, что некоторые частицы никогда не подвергались полному циклу преобразований, но большинство из них, скорее всего, прошли через него неоднократно. Древность земной коры делает это предположение достаточно правдоподобным.

Принцип актуализма

Почему мы верим, что круговорот вещества пород - это реальность, а не просто интересная идея? Да потому, что реальность его доказывается следующим фактом. Какой бы континент мы ни стали исследовать, мы найдем на нем породы, соответствующие каждой фазе круговорота, и породы, представляющие собой промежуточные градации между фазами. Далее мы находим примеры всевозможных переходов из одной фазы в различные другие, минуя промежуточные состояния. Наконец, никем никогда не были обнаружены породы, которые нельзя было бы сопоставить с какой-либо фазой цикла. Такое доказательство, базирующееся на твердо установленных фактах о строении пород, впервые было положено в основу всеобщей концепции в 1795 г. Ее разработал шотландец по имени Джеймс Хаттон, написавший книгу, в которой впервые была выдвинута идея круговорота пород. Это - классический труд по истории Земли, и его основные положения никогда не были опровергнуты. Хаттон считал, что земная кора, образованная горными породами, подобна старому лоскутному одеялу, состоящему из сшитых вместе клочков различных тканей. Различные массы пород всевозможных форм и размеров и самого различного возраста в большинстве своем являются остатками массивов, занимавших когда-то гораздо большую площадь. Примыкая друг к другу, они образуют беспорядочный рисунок, созданный в результате поднятий, опусканий, внедрений магмы и действия эрозии, которому подвергались породы. Каждый массив состоит из вещества, которое образовалось из более древних пород или путем эрозионной переработки, сортировки и переотложения в виде слоев на поверхности Земли, или в результате нагревания и перемешивания глубоко в толще земной кори.

Если мы верим в то, что круговорот вещества пород действительно происходит, мы должны поверить и в то, что в течение времени, равного возрасту самых древних из известных нам пород, который измеряется миллиардами лет, внешние и внутренние процессы создавали и разрушали горные породы точно так же, как они делают это сейчас. Если бы в течение истории Земли произошли заметные изменения в ходе процессов, то есть изменения физико-химических законов, управляющих данными процессами, то в соответствии с этим древние породы должны были бы отличаться от молодых. Однако они совершенно такие же.

На этом основывается разработанный в начале XIX в. принцип, который содержит два положения. Во-первых, законы природы оставались неизменными в течение большей части (если не всей) геологической истории. Во-вторых, в течение всей истории Земли действовали те же самые процессы, что и сейчас, и скорость их колебалась в тех же пределах, что и скорость современных процессов. Таким образом, мы изучаем настоящее, чтобы понять прошлое. Внимательно исследуя породы любого возраста, мы можем определить процессы, создавшие их, и на этом основании реконструировать существовавшие тогда условия и события, происходившие в то время и в том месте, где формировались эти породы. Таков принцип актуа-лизма. Он открывает нам путь к восстановлению истории Земли, ибо что такое история, если не картина меняющихся условий среды и событий прошлого? Пока не был понят этот принцип и концепция циклов, на которой он основан, человек не понимал истории Земли. Он принимал сверхъестественные легенды за объяснение того, что происходило в прошлом. Многие на Западе верили, что Земля была создана в точности так, как об этом написано в Ветхом Завете. На Востоке существовали другие легенды. Только в XIX в. люди поняли, что земная кора - это настоящая книга, в которой записана история Земли, а слои пород - страницы этой книги. И только в XX в. был создан календарь, соответствующий данной книге и указавший действительное время многих событий в истории Земли и живых организмов. Возникновение этого календаря стало возможным благодаря использованию радиоактивности для установления возраста пород.

Теперь мы можем начать перелистывать страницы книги по истории Земли, более пристально вглядываясь в детали. После того как мы узнаем, каким образом был установлен возраст пород, мы рассмотрим внешние процессы и характеристики пород, которые указывают на условия их накопления. С помощью этих характеристик мы сможем затем проследить эволюцию литосферы и биосферы во времени.

Литература

Pearl R. М., 1965, How to know the minerals and rocks: New American Library of

World Literature, Inc., New York. Zim H. S., Shaffer P. R., 1957, Rocks and minerals: Golden Press, New York. (Paperback.)