Текст книги "Читая каменную летопись Земли..."

Автор книги: Александр Конюхов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 16 страниц)

Время и место действия

Со времени возникновения на Земле биосферы у ее поверхности сталкивались три потока частиц – обломочных, органогенных и вулканических. Сочетание этих трех начал определяло облик будущей породы. На суше всегда господствовал обломочный материал, в водной среде – органогенный. Вулканические частицы в большинстве случаев оставались экзотической «приправой» к основному «блюду» из терригенных или карбонатных зерен и лишь в областях с высокой тектонической активностью, а таковые, как правило, расположены на границе континента и океана (точнее, на конвергентных границах литосферных плит), начинали играть заметную, иногда ведущую роль.

Жизнь изначально возникла в океане, а уж потом через многие сотни миллионов лет завоевала сушу. Эволюция живых существ шла в основном неспешно, лишь на определенных рубежах совершая драматические скачки. Многие из живших на том или ином этапе развития жизни организмов вообще исчезли бесследно. Сведения о других, а таких большинство, мы черпаем, изучая отпечатки, раковины и другие форменные элементы, а если говорить о колониальных формах – то органогенные постройки, конструкция которых менялась по мере исчезновения одних видов и распространения других. Среди обитавших давным-давно организмов встречаются виды, существующие и сегодня. Это геологические «долгожители». В целом же в калейдоскопе сменявших друг друга форм исследователь находит не так уж много тех, что сохранились и в современную эпоху. Каждый геологический век был отмечен определенным набором ископаемых форм организмов, и, чем больше вымерших видов с ним связано, тем точнее палеонтологи могут датировать вмещающие эти формы слои. Таким образом, когда вместе с обломочными частицами на дно поступают органические остатки, сформированные из них отложения оказываются как бы мечеными. Осадки, содержащие подобные маркеры, получают своего рода удостоверение личности. Сопоставляя подобные данные, геологи могут определить возраст отложений.

Узнаваемые органические формы, по которым можно датировать осадки, появились на поверхности планеты с геологической точки зрения не так уж давно, всего 1,2–1 млрд лет назад. Поистине разнообразным органический мир стал в более поздние геологические эры, например палеозойскую, начало которой относится к рубежу 0,6 млрд лет назад. Более древние, докембрийскис образования почти не содержат надежных биологических маркеров, и расчленять их по возрасту по-прежнему чрезвычайно трудно. Надо сказать, что далеко не все молодые осадочные толщи удастся датировать палеонтологическими методами.

В разрезах земной коры много так называемых немых слоев, лишенных палеонтологических остатков. Их возраст определяется по сопоставлению с ниже– и вышележащими отложениями, имеющими «визитную карточку», если под таковой понимать заключенную в них фауну или флору.

Подобно тому как по лицу человека можно определить его возраст, так и по внешнему облику породы можно составить самое общее представление о времени, прошедшем с момента ее образования. Есть целый ряд таких признаков: высокая плотность, неспособность размокать в воде, трещиноватость, сливная структура и др. Породы относительно молодые по возрасту в некоторых ситуациях имеют все признаки очень древних образований. Чаще всего это наблюдается в областях тектонического сжатия, где гигантские массы осадков скучиваются, деформируясь и образуя складки. Огромные давления, а нередко и температуры, существующие в недрах Земли, способны трансформировать облик относительно молодых отложений почти до неузнаваемости. Напротив, древние осадки, не погружавшиеся глубоко, сохраняют большую часть первичных характеристических черт.

Частично проблему определения возраста пород удалось решить за счет радиоизотопов. Периоды полураспада радиоактивных элементов хорошо известны. Поэтому если в осадок при его формировании попало достаточное количество радиоактивных элементов, то, установив содержание этих последних и продуктов их распада в породе, можно с достаточной точностью рассчитать длительность того промежутка времени, в течение которого происходил распад того или иного элемента. Это и будет та величина, которая принимается за абсолютный возраст вмещающей породы.

Наиболее универсальными для датировки древних осадочных образований считаются калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и уран-свинцовый методы. Радиоактивный ⁴⁰К попадает в осадок в составе вулканического пепла, который уже после захоронения обычно раскристаллизовывается в слоистые силикаты глин – К-бентонит, феррисмектит и другие минералы. Он входит в кристаллическую решетку и при образовании калийсодержащих минералов in situ. Если аргон, возникающий в процессе распада ⁴⁰К, остается в их кристаллической решетке, то, установив величину K/Ar, можно рассчитать возраст породы. Одним из минералов, пригодных, помимо калиевых полевых шпатов, для определения абсолютного возраста калий-аргоновым методом, является глауконит. В его составе довольно много калия. К тому же он формируется на морском дне в условиях, как правило исключающих массовое переотложение. По глаукониту, лишенному признаков разрушения в процессе вторичного перемыва, удается получить довольно точные возрастные определения.

Возраст многих древних пород, содержащих минералы урана или тория, устанавливают, исследуя соотношения радиоактивных изотопов ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th и стабильных изотопов свинца – продуктов их распада. Период полураспада ²³⁸U составляет 4,5·10⁹ лет, a ²³²Th – 14·10⁹ лет, поэтому, применяя свинцовый метод определения абсолютного возраста, можно, казалось бы, охватить практически всю геологическую историю Земли. Беда, однако, в том, что в большинстве пород осадочного генезиса торий и уран находятся в ничтожных количествах. К тому же различные вторичные процессы, протекающие в недрах, зачастую искажают реальную картину распределения радиоактивных элементов и производных от них изотопов свинца.

Для датирования совсем молодых осадков используется радиоуглеродный метод, основанный на определении ¹⁴С. Этот изотоп содержится в растительных органических остатках, например в древесине, в определенной пропорции с другими, стабильными изотопами углерода. Период полураспада ¹⁴С относительно невелик, поэтому радиоуглеродный метод применяется для датирования молодых отложений, с возрастом до 40 тыс. лет, если в них находятся кусочки древесины или прослойки торфа.

В последнее время разработаны и другие радиоизотопные методы, базирующиеся на определении более редких радиоизотопов, например ¹⁰Ве. Последний используется для оценки интервалов времени небольшой длительности – первые тысячи лет. Эти методы анализа требуют привлечения дорогостоящей аппаратуры и применяются для изучения относительно быстротекущих процессов и решения экологических проблем.

Если с определением возраста осадков дело в настоящее время обстоит более или менее благополучно, то установить место прошедшего геологического действия зачастую очень сложно. Здесь, к сожалению, почти неприменимы какие-либо геохимические показатели, необходимо выявить сложный комплекс признаков, которые отражают как внешнюю, так и внутренние особенности строения осадка или породы. Эти исследования находятся в компетенции литологов – специалистов по изучению осадочных пород.

Любое место на земном шаре, кроме разве что крутых и отвесных склонов гор или жерла огнедышащего вулкана, пригодно для седиментации (осадкообразования). Собственно, оно и осуществляется на любом участке земной поверхности, под водой (в том числе в глубоководных впадинах океана), в пещерах и даже подо льдами Антарктиды, сползающими на шельф и перекрывающими здесь огромные площади. Процессы накопления и аутигенеза (формирования in situ) осадков чрезвычайно многообразны и определяются той средой, в которой они реализуются. Осадки же обычно хранят память о той обстановке, где произошло их образование. Она запечатлена в мельчайших деталях внутреннего строения и во многих внешних признаках. Их совокупность именуется текстурой осадка или породы. Как у взрослого человека сохраняются черты, присущие ему в детстве, так по прошествии десятков и сотен миллионов лет в осадочной породе можно найти признаки, которые сложились на стадии осадка. Подобные сравнения можно продолжить. Каждому человеку присущи конкретные генетические особенности, по которым можно судить о его национальности. Так и осадочные породы. Те, что отложены в океане, ничего общего не имеют с речными или болотными осадками, а ледниковые наносы, громоздящиеся в конечных моренах Русской равнины, выглядят совершенно иначе, нежели барханные пески в пустыне. Ни один специалист по осадочным породам не даст ответа на вопрос: сколько разновидностей осадочных пород существует на Земле? Дело не только в том, что литология как наука находится в постоянном развитии и чуть ли не каждый год открывается какое-нибудь новое осадочное образование. Основная сложность заключается в различии подходов к выделению и классификации осадочных пород. В данной области знания еще не сложилась такая система, которую разработал Карл Линней в отношении животного и растительного мира, выделив типы, классы, отряды, роды, виды и подвиды.

В этом разделе мы не будем рассматривать классификацию осадков и производных от них пород. Нас интересует другое – как по нескольким признакам установить происхождение камня. Та отрасль геологического знания, которая занимается воссозданием древних обстановок седиментации и на их основе реконструирует облик древних континентов, очертания морей и условия обитания вымершей фауны и флоры, называется палеогеографией. Единственным источником информации, лежащей в основе палеогеографических построений, являются осадочные толщи и слагающие их породы. Взаимоотношение тех и других в пространстве и во времени (как говорят геологи, в разрезе) позволяет судить о трансгрессиях и регрессиях моря, об аридизации климата и о связанном с этим процессом разрастании древних пустынь или, напротив, о его изменениях в сторону большей гумидности, о продвижении ледников и многом другом.

Метод актуализма, или Занавес приподнимается

Историки говорят: чтобы понять настоящее, надо знать прошлое. Однако в геологии оказалось верным и обратное положение: понять прошлое можно, только изучив настоящее. Действительно, как реконструировать древние ландшафты, климаты и обстановки по осадочным породам, если не иметь представления о том, где и в каких условиях накапливаются подобные или близкие к ним образования? Как, например, отличить ледниковые континентальные наносы от отложений пустынь и полупустынь, а береговые осадки от отложений морских глубин?

Надо сказать, что знания в этой области начали накапливаться уже на ранних этапах хозяйственной деятельности людей. Тот, кто рос в деревне или проводил лето на даче, прекрасно знает, что пески в средней полосе концентрируются на пляжах по берегам рек. Ими же сложено дно на участках с быстрым течением. Напротив, в зарастающих руслах – старицах ступать по дну неприятно, так как оно сложено вязким илистым осадком. Тем же, кто побывал на море, известно, что галькой и камешками выложены многие морские пляжи, а под береговыми уступами лежат валуны и каменные плиты, что песчаное дно в прозрачной воде изрыто выемками, которые вместе с разделяющими их валиками делают поверхность дна похожей на пчелиные соты. Горцы обладают иным запасом знаний, а бедуины – обитатели пустыни – легко отличают мигрирующие дюны от стоячих и висячих их разновидностей и знают, что в сухих руслах (вади, или уэдд) можно провалиться в песок и утонуть в потоке грунтовых вод, который не виден с поверхности.

Все эти знания, систематизированные и углубленные, составляют предмет седиментологии (от англ. sediment – осадок) – науки, изучающей процессы переноса и отложения осадочных частиц на поверхности Земли или вблизи нее. В ведение этой дисциплины входит исследование процессов разрушения берегов, заиливания судоходных каналов и русел, выявление участков, опасных в связи с возможным сходом селевых лавин или образованием оползней, и многое другое. В этом большое практическое значение седиментологии. Кроме того, она дает ключ для расшифровки древних обстановок формирования осадков, что, в свою очередь, позволяет судить о палеоландшафтах и палеоклиматах. В арсенале седиментологов – богатый набор инструментов и методов. С помощью ударных, поршневых и вибротрубок они отбирают пробы осадков в самых разнообразных обстановках; устанавливают на суше и в толще воды специальные седиментационные ловушки; погружаются на океанское дно в обитаемых подводных аппаратах; изучают содержимое донных тралов и драгируют крутые уступы на склонах подводных гор и в подводных каньонах; замеряют силу и направление течений, волн, гравитационных потоков. С помощью нефелометров оценивают объем взвеси, транспортируемой течениями и потоками; изучают распространение помеченных краской или радиоизотопами осадочных зерен и т. д. Седиментологи научились моделировать многие геологические процессы в лабораторных условиях и успешно пользуются этим методом. К их заслугам относится открытие ряда неизвестных ранее явлений, играющих важную роль в формировании многих аккумулятивных форм на речном, морском и океанском дне.

Метод, использующий различные признаки и характеристики осадков, накапливающихся в тех или иных современных обстановках седиментогенеза, для объяснения геологических ситуаций прошлых эпох получил название метода актуализма. Несмотря на то что он был разработан и применен Ч. Лайелем еще в прошлом веке, споры о его пригодности для анализа палеообстановок ведутся до сих пор. Многие геологи продолжают считать, что геологическая история Земли необратима и тождества условий, существовавших в протерозое, силуре, юре, мелу и господствующих в современную эпоху, не было и не могло быть. Собственно говоря, никто и не оспаривает это утверждение. Многое, в частности взаиморасположение материков, климата, систем атмосферных и океанских течений, состав биоты и атмосферы, действительно было специфично для того или иного отрезка геологического времени. Как ныне установлено, менялись даже параметры земной орбиты, что также влекло определенные геологические и другие последствия. Более того, отчетливо выделяются так называемые талассократические эпохи в развитии Земли, когда большая часть континентов была погружена в морские воды, в противовес теократическим эпохам, которые характеризовались отступлением моря и осушением большей части шельфов. Различаются также спокойные и бурные в тектоническом отношении временные интервалы. Последние получили название тектонических фаз. С ними были связаны широкомасштабные горообразовательные процессы, высокая сейсмичность и обилие вулканических продуктов, выброшенных из недр Земли.

Однако во все времена текли по суше реки, ветры разносили песок и разгоняли в море штормовые волны, на крутых склонах гор возникали оползни, а под водой на континентальном склоне еще и мутьевые течения. Действовали и приливные силы. Все эти геологические агенты увлекали массы осадочных частиц, перемещали их на разные расстояния. С каждым конкретным геологическим агентом всегда был связан определенный тип (типы) накопленных осадков, обладающих только для них характерными чертами. В соответствии с генезисом выделяются аллювиальные (речные), эоловые (отложенные ветром), приливно-отливные, штормовые (волновые), пролювиальные (отложенные горными водными потоками, вырвавшимися на равнину), ледниковые (гляциальные) и другие отложения.

А так как большинство геологических агентов действовало постоянно (по крайней мере с тех пор, как образовались земная твердь, водная и воздушная оболочки Земли), то, следовательно, в осадочных разрезах большинства эпох должны встречаться все отмеченные типы отложений. Исследуя древние пласты, выступающие в горных кручах или вскрываемые буровыми скважинами в недрах, литолог пытается установить, возможно полнее, происхождение осадочных образований, выяснить, какими силами переносились слагающие их компоненты, и воссоздать картину размещения в данном регионе границы между морем и сушей, положение крупных речных артерий, горных хребтов, вулканов, направление действия течений, доминирующих ветров и т. д.

В сонме земных стихий

Великий транспортный конвейер

Ежедневно на сушу в разных районах земли низвергаются «хляби небесные». В одних широтных поясах это происходит достаточно регулярно, и за год там выпадает значительное количество атмосферных осадков, в других является скорее исключением, чем правилом. Первые регионы характеризуются как гумидные, вторые как аридные климатические зоны. Между ними расположены области с промежуточным уровнем выпадающих за год осадков, что определяет господство засушливого или семиаридного климата.

Особенности атмосферной циркуляции над нашей планетой таковы, что пути распространения большинства циклонических вихрей и ураганов, приносящих влагу с просторов океана на материки, пролегают либо в умеренных, либо в приэкваториальных широтах. Здесь и выпадает большая часть атмосферных осадков. Некоторое количество влаги вымораживается в виде инея и снега в высокогорье и в полярных широтах. Дожди, пролившиеся над сушей, и растаявший снег пополняют запасы грунтовых вод, озер и болот. Отсюда со временем выпавшая над землей атмосферная влага тем или иным путем попадает в реки, которые уносят ее во внутренние и окраинные моря, крупные озерные водоемы, океаны. Общий объем жидкого (речного) стока в океаны, по подсчетам разных специалистов, составляет ныне 145597,1 км³ в год. Площадь речных водосборов достигает 28,6·10^бкм², протяженность же только крупных речных артерий превышает десятки тысяч километров. Эти величины говорят о том, что реки, подобно кровеносным сосудам, пронизывают огромные территории в основном в умеренных и низких (тропических) широтах. Они организованы в большие и мелкие относительно замкнутые системы, дренирующие тот или иной регион. Роль тонких капилляров играют ручейки и родники, дающие начало небольшим речушкам, которые, в свою очередь, сливаются в протоки. А те объединяются в один или два мощных ствола, обеспечивающие разгрузку избыточных вод с суши в море (так же в живом организме осуществляется переток крови из одной его части в другую). Примерами спаренных русел могут быть Тигр и Евфрат в Месопотамии, Волга и Ахтуба в Прикаспии, Амударья и Сырдарья в Средней Азии. Однако гораздо чаще реки, даже самые крупные, имеют в нижнем течении одно широкое русло; лишь в дельте оно распадается на серию отдельных проток.

Речные системы напоминают элементы не артериального, а венозного кровоснабжения, которые призваны выносить шлаки – продукты клеточного метаболизма. Действительно, вместе с речной водой в конечные водоемы стока поступает огромное количество твердых и растворенных веществ. В основном это продукты физического и химического выветривания – своего рода геологического метаболизма структур, существующих у поверхности Земли. В последнее время к ним добавились антропогенные загрязнения, связанные с хозяйственной деятельностью человека и поступающие в окружающую среду в форме как твердых выносов, так и жидких стоков.

Ежегодно реки выносят с континентов около 18 529·10⁶ т твердых осадочных веществ, транспортируемых преимущественно в виде взвеси [Лисицын, 1974].

К этому следует добавить примерно 3200·10⁶ т растворенных в водах соединений. Основными поставщиками терригенного осадочного материала в Мировой океан являются реки, стекающие с Азиатского материка (7445·10⁶ т), среди которых выделяются речная система Ганга-Брахмапутры (2177·10⁶ т), Инд (435·10⁶ т), Хуанхэ (1886,9·10⁶ т) и Янцзы (500,8·10⁶ т). Второй по масштабам твердого стока считается крупнейшая река современности Амазонка. В структуре ее выноса общим объемом около 49·10^{7 т}/_год 95 % составляют частицы алевритовой и пелитовой размерности. Амазонка имеет самый обширный водосборный бассейн, охватывающий Западные, Центральные и Восточные Кордильеры Боливийских и Перуанских Анд, обширные пространства Бразильского и частично Гвианского щитов, а также разделяющих их прогибов, т. е. более трети всей площади Южно-Американского материка. Эта великая транспортная артерия пересекает почти весь континент с запада на восток и выносит за год 3187 км³ воды.

Второе место по объему жидкого стока принадлежит великой африканской реке Конго. Ее средний дебит равен 45 тыс. м³/сут. Однако в отличие от Амазонки в водах Конго содержится очень мало взвешенных частиц. За год эта река выносит не более 70·10⁶ т твердого, в основном взвешенного, материала, в составе которого примерно 13,6 % приходится на железо. За год, таким образом, Конго сбрасывает в океан почти 9 млн т железа.

Способность водного потока перемещать осадочные частицы определяется напором и скоростью, которые, в свою очередь, зависят от уклона дна речного русла. Небольшие горные речки способны волочить гальку и валуны, тогда как мощнейшие водные артерии, протекающие по равнинам, транспортируют преимущественно тонкую муть. Как выяснилось, основная масса влекомого и взвешенного материала, доставляемого малыми реками, приходится на паводковые сбросы. Последние порождаются затяжными дождями или быстрым таянием снегов. В паводок заполняется все русло. Вода в горной реке уже не струится между камнями, а идет стеной. Именно в эти короткие периоды она сметает все на своем пути и перемещает огромные валуны и скалы, которые до этого боязливо огибала. За несколько дней катастрофического паводка река выносит от 50 до 80 % объема годового твердого стока.

В предгорьях у выхода из ущелий на равнину, где скорость водного потока резко падает, возникает обширный каменный шлейф, имеющий форму конуса: вершина его находится у выхода из ущелья, а внешний, извилистой формы край – на равнине. Шлейф сложен разнокалиберными обломками пород, галькой и гравием, т. е. всем тем, что река не может тащить дальше по равнине. Причем, чем ближе к ущельям, тем грубее сгруженный ею материал. Более тонкие частицы, в том числе песок, а частично и мелкий гравий, уносятся водными струями дальше. Они выстилают речное русло. Ими сложены пляжи, плёсы и островки на громадном пути от гор к океану. Если климат изменился и река высохла или поменяла русло, намытые ею песчаные гряды становятся форпостами будущей пустыни. Из них отделяются дюны, а потом и барханы, постепенно захватывающие новые пространства. До океана равнинная река доносит лишь малую долю того песка, который она двигает на пути от истоков к устью. Преодолевая это расстояние, осадочные частицы, и среди них песчинки, множество раз садятся на дно. Иногда они даже засыпаются более поздними наносами и долгое время остаются в покое. Потом река как бы вспоминает про них и, меандрируя либо меняя русло, перемывает осадок, втягивая его в неотвратимое движение к морю. Обычно это случается во время прохождения паводков, когда транспортный конвейер набирает обороты.

Скатываясь по поверхности суши, речная вода не только очищает ее от продуктов разрушения горных пород и разложения организмов, но и выравнивает землю. В горах потоки прорубают глубокие ущелья, а со временем и вовсе сводят их на нет. На равнинах и в предгорьях речная вода затягивает мелкие раны Земли, заполняя их осадочным материалом. Шлейф наносов, оставленных реками на своем пути, наращивает осадочный чехол платформ, являющихся основным ядром, вокруг которого располагаются другие континентальные структуры. Однако большая часть твердого вещества, попадающего в реки с водосборов, со временем достигает конечного водоема стока или ближайших его окрестностей, где садится в речных дельтах или эстуариях, а также на подводном их продолжении, называемом подводным конусом выноса. Благодаря этому здесь формируются мощнейшие осадочные толщи, основание которых не всегда удается вскрыть как поисково-разведочными, так и специальными очень глубокими скважинами.