Текст книги "Читая каменную летопись Земли..."

Автор книги: Александр Конюхов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 16 страниц)

Соли – свидетели зарождения древних пустынь

Довольно редко встречаются такие хемогенные образования, как соли. Они выпадают (кристаллизуются) из рассолов. Самая известная поваренная соль, или галит, неизменно присутствует на нашем обеденном столе. Накануне войн или в годы других тяжелых испытаний люди всегда запасались хлебом и солью. Хлебом и солью до сих пор принято встречать гостей в России и на Украине. Так что если бы на Земле отсутствовало это полезное ископаемое, то его пришлось бы получать промышленным путем. Издревле соль получали путем выпаривания морской воды в естественных или искусственных отстойниках в жарких странах. Этот способ используется и сейчас на побережьях с аридным климатом, например в Мексике и в Южной Аравии, где находятся солеродные лагуны или соляные ванны.

В средние века была открыта ископаемая каменная соль, и для ее добычи устраивались соляные копи и шахты. В Германии этот промысел получил развитие уже в XII–XIII вв., в России – в XIV–XV вв., когда купцы Строгановы стали разрабатывать залежи соли в районе Солигалича. Позднее выяснилось, что некоторые минеральные соли, прежде всего калийные, могут служить прекрасным удобрением, повышающим плодородие полей. Наконец, промышленная революция в XIX в. резко расширила круг необходимых народному хозяйству химических соединений, ранее считавшихся бесполезными.

Ископаемые соли, называемые галогенными отложениями, делятся на простые, двойные и сложные. К простым относятся соединения типа галита (NaCl), сильвина (KCl) и ангидрита (CaSO₄), а также водные соли: гипс (CaSO₄·2Н₂О), сода Na₂СО₃·10H₂O) и мирабилит (Na₂SO₄·10H2O). К двойным принадлежат карналлит KCl·MgCl₂·6Н₂О) и лангбейнит (K₂SO₄·2MgSO₄). Из сложных солей наиболее распространен полигалит (2CaSO₄· K₂SO₄· MgSO₄·2Н₂О). Помимо хлоридов и сульфатов, в природе встречаются также хемогенные карбонаты, описанные выше. Однако они обычно не создают крупных скоплений. Каждая из перечисленных выше минеральных форм способна присутствовать в виде породы или примеси к какой-либо другой, основной соли. Широта их распространения определяется растворимостью в воде. Естественно, что более редкими являются хорошо растворимые соли, в том числе калийные, сильвин и карналлит. Чаще в осадочных разрезах встречаются гипс, ангидрит и каменная соль (галит). Калийные соли считаются ценным полезным ископаемым.

В экспериментах по испарению морской воды показано, что первыми выпадают в осадок карбонаты и сульфаты кальция. Это происходит после уменьшения объема воды почти наполовину. Следующей, когда изначальный объем раствора сокращается в 10 раз, наступает очередь галита. Дальнейшее выпаривание морской воды приводит к выпадению в осадок легкорастворимых калийных солей, а также сложных по составу соединений. В реальных природных условиях эта схема в целом выдерживается, хотя нередко галит встречается вместе с ангидритом или в примеси к нему, а в ассоциации с галитом могут находиться полигалит и мирабилит, другие соли.

Помимо морских водоемов, на континентах существует множество озер, состав воды в которых сильно отличается от типично морской. Они расположены в поясах аридного и семиаридного климата и в засушливые сезоны, по существу, заполнены рапой различной концентрации. Известны соляные озера с углекислым, сернокислым и хлоридным типами рассолов. В первом случае в них содержатся NaCl, Na₂СО₃, Na₂SO₄ и NaHCO₃. В озерах сульфатного типа с сернокислыми рассолами присутствуют в растворе NaCl, MgCl₂, Na₂SO₄, MgSO₄ и CaSO₄. Наконец, в водоемах хлоридного типа преобладают NaCl, MgCl₂, CaCl₂ и CaSO₄. Для каждого из перечисленных видов соляных озер характерна своя последовательность выпадения из рапы минералов, на которую влияют температура, давление, соотношение концентраций солей в рапе и другие факторы.

Состав воды определяется тем, какие соли выносятся в соляной водоем паводковыми водами в короткие дождевые сезоны. Известны случаи, когда ветер разносил мельчайшие капельки морской воды на сотни километров от побережья. В результате на суше появлялись мелкие соленые водоемы с водой, близкой по соотношению солей к морской воде. В озерах Восточно-Африканской рифтовой зоны в воде содержится много калия, что обусловлено, по-видимому, гидротермальной деятельностью. Правда, концентрация солей здесь не очень велика и выпадения их в осадок не происходит. Однако наличие калия ускоряет диагенетические процессы в глинистых илах. В результате уже у поверхности дна в глинистых илах происходит иллитизация разбухающих фаз, главным образом смектита.

Многие прибрежные соляные водоемы питаются морскими водами, поступающими в фазы максимальных приливов или в процессе ветрового нагона. Известны случаи разгрузки у поверхности подземных соляных рассолов, возникающих вследствие растворения древних соляных пород, которые залегают на глубине нескольких сот метров. Чтобы представить себе, как образуются эвапориты (соли), надо побывать на берегах Аравийского полуострова в Красном море или в Персидском заливе, где находятся многочисленные прибрежные себхи и соляные ванны. Одна из крупных соляных ванн находится у мыса Рас-Мухаммад в Красное море. Весной она заполняется морской водой и вскоре покрывается ковром синезеленых водорослей. К июлю или августу вода в значительной степени испаряется, а соленость оставшегося рассола достигает 330·10^{3 мг}/_л, что приводит к выпадению гипса. К октябрю водорослевые подушки полностью освобождаются из воды. К этому времени они уже покрыты 7-8-сантиметровым слоем каменной соли. Осадок, взятый со дна соляных ванн, сложен чередованием светлых и темных слойков: первые представлены разнокалиберными кристаллами гипса, вторые – водорослевыми отложениями карбонатного состава. Карбонаты в виде доломита и высокомагнезиального кальцита встречаются и в гипсовых прослоях. Таким образом, на дне соляных ванн биогенные осадки чередуются с хемогенными.

Себха, окружающая ванну со стороны суши, покрыта песками карбонатно-терригенного состава. В процессе испарения грунтовых вод между песчинками в порах кристаллизуются гипс, ангидрит, доломит и каменная соль. В процессе роста кристаллы солей разрушают карбонатный детрит, а затем и замещают его. Образуется пласт, почти нацело сложенный эвапоритами. За длительные промежутки времени таким образом может сформироваться мощная толща солей, которая затем переходит в ископаемое состояние. А так как береговая линия постоянно перемещается во времени, низменные участки суши, называемые платформами, покрываются на огромных пространствах каменной солью (до 100 тыс. км²). Для разрезов древних соленосных формаций характерна определенная повторяемость, т. е. чередование гипсов и ангидритов с каменной солью (или доломитов с ангидритами и галитом).

В геологической истории нашей планеты были эпохи, когда высыхали целые моря. В таких случаях в осадки переходили не только гипс, ангидрит и каменная соль, но и легкорастворимые калийные и другие соли. Наблюдать за садкой редких соляных минералов еще недавно, до постройки плотины, можно было в заливе Кара-Богаз-Гол на восточном побережье Каспийского моря, глубина которого в нашем столетии менялась от 10–12 до 5–7 м. Залив сообщался с основным водоемом через узкий пролив, откуда поступала опресненная каспийская вода. Благодаря естественному порожку и сильному испарению она быстро превращалась в рапу. Концентрация солей в ней более чем в 20 раз превышала изначальную. В зимний сезон из рапы выпадал мирабилит, который летом снова частично растворялся. В особенно засушливые периоды из рапы садилась каменная соль с примесью других, более сложных по составу минералов. Несколько мощных горизонтов солей, разделенных гипсами и глинами, было пройдено буровыми скважинами.

После строительства плотины, перекрывшей доступ в залив Кара-Богаз-Гол морской воды, он совершенно высох. На его поверхности обнажились соли. Их кристаллы вздымаются в воздух ветром и разносятся на огромные площади, засолоняя земли. Соляная залежь быстро разрушается, и добыча редких солей, столь необходимых народному хозяйству, практически прекратилась. Сейчас плотину собираются перестраивать, чтобы иметь возможность пропускать каспийскую воду в залив. Таким образом, нарушив природную систему, человек вынужден к ней же вернуться, заплатив за свое легкомыслие двойную цену.

Удивительным свойством солей является их пластичность. Благодаря ей они способны течь под большим давлением. Испытывая в недрах неравномерную нагрузку, соль начинает перетекать на те участки, где последняя меньше. Это явление, называемое галокинезом, приводит к образованию соляных штоков и диапиров, протыкающих слои более молодых осадков и даже выходящих на поверхность. В районах широкого распространения ископаемых солей и активных тектонических подвижек диапиры искажают нормальное залегание пластов. Примером может служить Прикаспийская солянокупольная область. Здесь пермская соль, залегающая на глубинах 3–5 км от поверхности, в результате неравномерного прогибания земной коры прорывает мезозойские и кайнозойские отложения, что сильно затрудняет поиски залежей нефти и газа как в надсолевой, так и в подсолевой осадочной толще.

Другим районом активного развития соляных куполов является Мексиканский залив. С соляными куполами в прибрежной части Техаса связаны многочисленные залежи углеводородов. Дело в том, что соль служит прекрасным флюидоупором, т. е. способна перекрывать и изолировать залежи нефти и особенно газа, которые неминуемо рассеялись бы вследствие диффузии легкого метана и его гомологов. Самые древние (палеозойские) скопления газа эксплуатируются в районах широкого распространения древней соли (Припятский прогиб, окрестности Непского свода в Восточной Сибири).

Песчаник полимиктовый из юрских отложений Туркмении. Зерна кварца, полевых шпатов и обломков пород увеличены в 200 раз (из коллекции Е. Е. Карнюшиной)

Песчаник аркозовый (полевошпатово-кварцевый) с гематитовым цементом из нижнемеловых отложений Предкавказья. Увеличено в 160 раз (из коллекции И. А. Назаревич)

Микроагрегатная структура иллита в поле электронного сканирующего микроскопа. Увеличено в 1200 раз

Рифовый известняк из каменноугольных отложений Подмосковья. Увеличено в 24 раза

Известняк оолитовый, доломитизированный из нижнекембрийских отложений Восточной Сибири. Увеличено в 60 раз (из коллекции Л. С. Черновой)

Псевдоморфозы пирита по раковине фораминиферы из нижнемеловых отложении Восточного Предкавказья. Увеличено в 60 раз (из коллекции И. А. Назаревич)

Оолит, сложенный кальцитом и лептохлоритом. В центре – зерно кварца. Увеличено в 150 раз (из коллекции И. А. Назаревич)

Выделения кристаллов доломита в органогенном известняке. Увеличено в 100 раз

Строение арагонитовой корки, поднятой с уступа континентального склона в Красном море. Увеличено в 250 раз

Обломки панцирей диатомовых водорослей в неогеновых отложениях острова Сахалин. Увеличено в 1500 раз (из коллекции О. К. Баженовой)

Сферы кристобалита в кремнистых отложениях (опоках) неогенового возраста острова Сахалин (из коллекции Р. В. Данченко)

Кристаллы цеолитов, выросшие на частичках вулканического пепла из современных шельфовых осадков Перу. Увеличено в 300 раз

Микроглобулярное строение кремнистой породы из разреза баженовской свиты Западной Сибири. Увеличено в 800 раз (из коллекции О. К. Баженовой)

Обломки вулканических стекол в неогеновых отложениях Чукотки. Увеличено в 200 раз (из коллекции Е. Е. Карнюшиной)

Уголь и горючие сланцы – окаменевшие леса и топи

Если немыми свидетелями древних пустынь и прибрежных соляных ванн остались ископаемые соли и песчаные тела дюнного происхождения, то бурые и каменные угли хранят память об иных обстановках и климатических условиях. Говорят, что в углях запечатана энергия солнечных лучей, падавших на Землю в отдаленные эпохи. Впрочем, и соли – продукт солнечной активности, когда под действием его лучей испарялись воды древних водоемов. Однако соли уже не способны отдать энергию солнца обратно. Ценность же углей именно в этом. Они – природные аккумуляторы солнечной энергии, хранители тепла, столь расточительно расходуемого человеком с началом промышленной революции.

Угли не только запасенное тепло. Это еще и огромный резерв углерода, выведенного в свое время из круговорота в природе. В конечном итоге уникальностью нашей биосферы, ее пригодностью для обитания высокоразвитых существ, в том числе и человека, мы обязаны низшим и высшим растениям, изменившим в свое время состав атмосферы от углекислой к кислородной. Ими в остатках прижизненных клеточных структур было запасено огромное количество энергии.

Горючие сланцы стали накапливаться сначала в морских, а затем и в пресноводных бассейнах уже в среднем и позднем докембрии (от 2 до 0,6 млрд лет назад). Так как с тех пор эти древние породы сильно видоизменились и в большинстве своем были метаморфизованы, в них редко удается выделить какие-либо форменные органогенные структуры. Однако элементный и химический состав так называемых черносланцевых пород очень близок к более поздним образованиям того же состава. В них в достаточно большом количестве сохранились реликты клеточных растительных структур и даже отдельные отпечатки организмов, участвовавших в формировании этих специфических осадков. В настоящее время среди ученых нет расхождений относительно происхождения горючих сланцев. Начало им дали многие поколения водорослей – примитивных одноклеточных или более сложно устроенных с многоклеточной структурой.

Поиски современных аналогов привели исследователей в лагуну Куронг на южном побережье Австралии, где за крупным песчаным баром, защищающим лагуну от штормовых волн, в пределах литорали обитают бурые водоросли Bothr yoccocus. Они обладают удивительной способностью сохраняться в неблагоприятные засушливые сезоны, когда морская вода на приливно-отливных площадках частично или полностью испаряется под жаркими лучами солнца. Клетки этих водорослей почти на 40 % состоят из жироподобных веществ, которые не дают им высохнуть и погибнуть. Эти очень устойчивые соединения полимерного строения удается разложить на фрагменты только после обработки горючей щелочью. Лагуна Куронг стала обиталищем мириадов водорослей, тельца которых после гибели остаются на дне, образуя черную органическую массу – так называемый сапропелевый ил. Этот осадок после захоронения обезвоживается, уплотняется и дает резиноподобную темно-коричневую массу – сапропель, что в переводе с французского означает жироподобный. Действительно, в составе сапропеля главную роль играют липиды и жиры; распадающиеся на длинноцепочечные жирные кислоты. Последние имеют длинную углеродную цепь с числом атомов углерода от 20 до 40 и более. Эти соединения разлагаются с большим трудом и в конце концов минерализуются в плотную породу черного цвета, содержащую от 15 до 40 % С_орг. Образцы этих пород способны гореть, за что и получили название горючих сланцев. С помощью пиролиза из них можно получать нефтеподобные продукты, которые идут на те же цели, что и настоящая нефть. В Швеции таким образом используются горючие сланцы силурийского возраста. Получаемая из них нефть дороже природной… У нас горючие сланцы, например кукерситы из Прибалтики, применяются в качестве топлива и химического сырья. Из некоторых разностей получают асфальтовое сырье. Однако широкомасштабная разработка месторождений горючих сланцев еще не начиналась.

После того как низшие растения расселились по наземным водоемам, сапропели и горючие сланцы стали накапливаться в озерах и лиманах. Мягкие сапропелевые илы из озер средней полосы России являются прекрасным удобрением, способным резко повышать плодородие почв. В отличие от горючих сланцев каменные или гумусовые угли образованы остатками высших растений, которые сложены лигнином и целлюлозой – прочными биомолекулами на основе поликонденсированных ароматических ядер. При отсутствии доступа кислорода эти компоненты высших растений хорошо сохраняются и формируют угольные пласты. Благоприятные для аккумуляции торфа, а впоследствии и угля условия складываются в болотах, прибрежных топях и в дельте крупных рек. На пути превращения растительных остатков в каменный уголь выделяется несколько стадий: торфяная, бурых углей, длиннопламенных, жирных, коксующихся и тощих (каменных) углей, наконец, полуантрацитов и антрацитов. Процесс превращения гумусовой растительной органики в угли называется углефикацией. На первом этапе в болотах или прибрежных топях при затрудненном доступе кислорода преобладают биохимические реакции, протекающие при участии бактерий и ферментов. Растительные остатки превращаются в рыхлую, слабо дифференцированную массу – торф, в которой, однако, еще можно различить многие форменные органические структуры: корневые остатки, измененные стебли, стволы деревьев, листья, кутикулу, пыльцу. При погружении в недра под влиянием всевозрастающих температуры и давления торф постепенно обезвоживается, а входящие в его состав лигнин-целлюлозные гетерополи-конденсаты в результате отщепления многочисленных кислородных, гидроксильных, аммиачных и других групп постепенно обогащаются углеродом. Происходит все большая конденсация структуры, ее обуглероживание. На каждой последующей стадии преобразования гумусовые угли теряют определенные компоненты, выделяющиеся главным образом в форме газов. Основная масса остатков, спрессовываясь в породу, теряет свою индивидуальность. Тем не менее и на разных стадиях углефикации в углях еще различаются обуглероженные стволы деревьев, отпечатки листьев и других тканей растений. Специальные микроскопические исследования позволяют выделять несколько характерных компонентов, известных под названиями фюзена, витрена, ксилена и других, более редких.

В фюзене наиболее ясно сохраняется изначальный облик растительной ткани, прижизненных клеточных структур. Витрен и ксилен отвечают разным стадиям распада этих структур и их остудневанию. Образцы с витреновой структурой – витринит – используются для определения максимальной палеотемпературы, при которой в недрах протекали процессы углефикации. Она устанавливается по отражающей способности витринита и играет важную роль при реконструкции тех условий, при которых происходили превращения осадочных пород на больших глубинах в недрах. Как выяснилось, это необходимо для оценки масштабов нефте– и газообразования в отложениях того или иного возраста.

Листая каменные страницы

Вокруг нас существует большой и многообразный мир, которого мы почти не замечаем, – мир осадочных частиц. Именно из них состоят камни, пласты пород, рыхлые осадки, сама земля, иначе говоря, почва, которая нас кормит. Пока осадочные частицы свободны, т. е. не связаны друг с другом, они не остаются надолго на одном месте. Их тащат водные струи, поднимает в воздух ветер, перемещают ледники. Словом, они путешествуют. Осадочные частицы вездесущи. В морской и озерной среде они образуются в результате жизнедеятельности водорослей и донных животных. Совсем мелкие частицы обнаруживаются даже в стратосфере, куда они попадают во время извержений вулканов или пыльных бурь в пустынях. Впоследствии они неминуемо оказываются в составе почвы или донного осадка, а после погружения в недра превращаются в разнообразные горные породы. Из одних строят дома, гидростанции или металлургический завод, где будут плавить обломки других пород, чтобы получить из них металл. Из других получают цемент, из третьих – фарфор. Среди осадочных образований есть такие, которые годятся для изготовления стекла. Есть и породы, применяющиеся в качестве удобрений, для очистки масел, приготовления буровых растворов. Всего не перечесть.

Самый многочисленный и устойчивый тип осадочных частиц – это обломочные частицы. Они образуются на поверхности суши, в основном на континентах, и потому получили название терригенных (от слова «terra» – земля). Обломочными их именуют потому, что в большинстве своем они являются обломками древних горных пород, которые выступают на поверхность и подвергаются затем воздействию различных физических и химических агентов среды: воды, ветра, льда, гуминовых кислот. Разрушаются породы и в результате перепадов температур, а также других факторов. Все это приводит в конце концов к распаду породы на ингредиенты разной величины и состава: обломки, зерна и агрегаты микрокристаллов, т. е. осадочные частицы. Оказавшись на свободе, они покидают родной «очаг» и устремляются в путешествие. У одних мигрантов оно заканчивается очень быстро, так как они находят успокоение совсем недалеко от места разрушения материнской породы, или, как говорят геологи, области сноса. Другие же становятся поистине «летучими» голландцами, переходят из одной сферы в другую, заносятся в заоблачные выси, опускаются на континент в другом полушарии или в океан. Но и здесь, гонимые ветрами, водами или оседлав ледники, они еще долго странствуют по поверхности Земли, пока не найдут наконец пристанища. Рассказ о таком странствии мог бы занять несколько страниц. Но прежде чем отправиться вместе с осадочными частицами в путь, надо познакомиться ближе с местом (точнее, местами) действия, временем в его геологическом смысле, основными действующими лицами. Да и самих «героев» не мешает рассмотреть поближе.