Текст книги "История Земли"

Автор книги: Ричард Фостер Флинт

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 26 страниц)

Литература

Paul Henry, 1966, Ages of rocks, planets, and stars: McGraw-Hill Publishing Co., New York.

Кay G. M., Соlbert E. H., 1965. Stratigraphy and life history: John Wiley 8c Sons, New York.

Libby W. F., 1961, Radiocarbon dating: Science, v 133, p. 621-629.

Woodford A. O., 1965, Historical geology: W. H. Freeman & Co., San Francisco, p. 191-220, discussion of radiometnc ages.

Глава четвертая. Материки смываются в океан

Принцип актуализма, на котором основаны наши представления об истории Земли, гласит, что в геологическом прошлом действовали те же процессы, что и сейчас. Если мы будем следовать этому принципу, то, чтобы проследить, что происходило в прошлом, мы должны понять, как протекают внешние процессы в настоящее время. Зная свойства осадков, образующихся в результате каждого процесса, мы можем распознать те же свойства в осадочных слоях. Эти свойства, как и ископаемые, содержащиеся в слоях, помогают восстановить условия, в которых накапливались слои, и таким образом позволяют реконструировать последовательность событий. В данной главе, а также и в последующих главах описывается ход некоторых современных процессов и характерные особенности, по которым эти процессы можно распознать.

Выветривание

Химическое разложение. Что происходит со стальным или железным гвоздем или консервной банкой (сделанной из стали), если их вынести из закрытого помещения и оставить на открытом воздухе во влажном климате? Хорошо известно, что через несколько дней на них появится ржавчина. Железнодорожные рельсы блестят потому, что по ним движутся колеса вагонов, но заброшенные рельсы сразу же начинают ржаветь. Желтовато-коричневая ржавчина – это минерал лимонит (В действительности это группа минералов), образованный химическим соединением атмосферного кислорода и воды с железом. Процесс его образования включает две химические реакции – окисление и гидролиз. И стальная консервная банка, и стальной гвоздь неустойчивы во влажном воздухе, и, когда они попадают в такие условия, они начинают разлагаться. При этом разложении образуется лимонит – материал, устойчивый в этих новых условиях. Сходные реакции происходят, когда железосодержащий минерал (как, например, биотит или роговая обманка) подвергается воздействию атмосферы. Порода, например гранит, в состав которой входит этот минерал, скоро начинает покрываться ржавыми пятнами, означающими образование лимонита. Путем окисления и гидролиза железо, содержащееся в биотите и роговой обманке, видоизменяется, приобретая более устойчивую форму, а порода начинает разлагаться. Эти и многие другие химические реакции в совокупности образуют процесс, называемый выветриванием, в результате которого горные породы (и осадки), подвергающиеся воздействию атмосферы, разрушаются и разлагаются. Выветривание происходит повсюду на поверхности Земли, а также и ниже ее поверхности, вплоть до глубины, на которую проникает вода и воздух. Поверхность раздела горных пород и атмосферы – это граничная поверхность, а мы уже отмечали, что границы способствуют активизации процессов. В данном случае на поверхности раздела присутствует и гидросфера; дождевая вода, как и воздух, оказывает действие на породу.

Общий процесс выветривания включает и другую реакцию – растворение, результаты которого часто можно видеть на статуях и стенах зданий, построенных из известняка или мрамора. Эти два типа пород состоят почти целиком из минерала кальцита, растворимого в угольной кислоте. Эта кислота образуется при взаимодействии дождевой воды с углекислым газом; последний же в большом количестве образуется на поверхности земли и в почве при разложении растений в результате деятельности бактерий. Кальцит просто растворяется, и продукты растворения уносятся водой, медленно просачивающейся сквозь землю.

Другая реакция, относящаяся к процессу химического выветривания, тоже является результатом воздействия угольной кислоты. В этом случае кислота действует на полевые шпаты, в значительном количестве содержащиеся в большинстве магматических и многих метаморфических породах. Например, ионы водорода, выделившиеся из угольной кислоты, проникают в молекулу полевого шпата – ортоклаза, а вода соединяется с остальными компонентами и образует гидроалюмосиликат, принадлежащий к группе минералов, входящих в состав глины.

Химическое выветривание разрушает магматические породы всюду, где они подвергаются воздействиям атмосферы, и образует в огромных количествах глину. Глина в свою очередь постепенно смывается, частично в виде ила, несомого реками, и большей частью осаждается в конце концов на дне моря. Разрушение полевого шпата и других силикатов ослабляет связи между этими минералами и расположенными вплотную с ними кристаллами кварца. Таким образом, высвобождаются зерна кварца, устойчивые в условиях земной поверхности и потому противостоящие химическому выветриванию. Рано или поздно они смываются вниз по склону и переносятся реками в бассейны, в которых осаждаются, образуя слои кварцевых песков. Этот важный процесс сортировки, начинающийся с выветривания, успешно отделяет кварцевый песок от силикатов, преобразующихся в глину.

Если массив, сложенный коренными породами, долгое время (скажем, несколько миллионов лет) подвергается химическому выветриванию на территории, где эрозия протекает настолько медленно, что продукты выветривания могут скапливаться на месте, то в результате возникает зона, образованная рыхлым материалом, залегающим в виде чехла на поверхности Земли, а ниже постепенно переходящая в невыветрелые коренные породы. Это выветрелая зона [кора выветривания. – Ред.] может иметь толщину до 30 и более метров и не иметь резкой границы в основании. Первоначально резкая граница между горными породами и атмосферой затушевывается при образовании глин – продуктов выветривания, устойчивых при данных условиях. Поэтому глина остается на поверхности, а под ней продолжается активное химическое выветривание коренных пород.

Фото 5. Гранитный массив в горах Сьерра-Невада, Калифорния, подвергшийся растрескиванию в виде 'чешуек', параллельных поверхности. Для масштаба в центре снимка помещен человек

С поверхностью земли совпадает только кровля выветрелой зоны. Остальная часть ее расположена ниже. Это указывает на тот факт, что воздух и дождевая вода проникают в грунт местами до большой глубины. В невыветрелые горные породы вода и воздух проникать не могут, но они могут перемещаться вниз по трещинам, разбивающим всю толщу пород, и вызывать химические изменения вдоль поверхностей трещин. Кроме того, возможно медленное проникновение воды и воздуха в мельчайшие щели между соседними зернами или кристаллами. В каждой точке вдоль путей движения воды и воздуха химические процессы разрушают породу и увеличивают количество пустот. Чем больше поверхность, вдоль которой вода и воздух проникают в породу, тем быстрее происходит выветривание. Если мы представим себе всю массу породы, разделенной на кубы равной величины, мы поймем, что каждый раз, когда куб делится на 8 меньших кубов, общая площадь поверхностей куба удваивается. Поскольку химические изменения при выветривании происходят на поверхностях (являющихся поверхностями раздела), постольку при этом возрастает возможность таких изменений. При делении 1 см³ на частицы размером с мельчайшие частицы глинистых минералов общая площадь поверхности первичного куба возрастает до 0,4 га! Таким образом, при растрескивании породы подготавливается путь для химического выветривания.

Глина и другие продукты выветривания удаляются эрозией, особенно в горах и вообще на крутых склонах. В результате этого на поверхность выходит невыветрелая порода, подвергающаяся активному химическому воздействию. В главе второй рассказано о том, как гранит, образовавшийся при затвердевании магмы на большой глубине, постепенно выводится на поверхность. Веками происходящее удаление мощного чехла пород, первоначально покрывавших крупный гранитный массив, имеет важные последствия. По мере уничтожения этого чехла постепенно меняются условия, в которых находится гранит. Постепенно понижаются давление и температура. Наконец, когда кровля гранита полностью эродирована, он появляется на поверхности Земли и попадает в совершенно новые условия, характеризующиеся наличием воздуха, воды и кислорода. С исчезновением вышележащих пород объем гранита увеличивается, он трескается и даже подвергается разрывам; он не распадается на отдельные зерна, но в нем возникают трещины, параллельные поверхности (фото 5). Большая часть минералов, из которых состоит гранит, образована глубоко в толще коры и имеет строение, соответствующее высокому давлению и температуре, плохо приспособлена к более "легким" условиям на поверхности и чувствительна к воздействиям атмосферы и гидросферы. Подобно жестяным банкам, вынесенным из помещения на открытый воздух, эти минералы становятся "жертвой" изменившихся условий. Они химически разлагаются на составные элементы, которые дают начало новым веществам, приспособленным к существованию в условиях земной поверхности. Как показано в одной из последующих глав, подобные вещи происходят и в биосфере.

Эти химические преобразования минералов на поверхности Земли оставляют следы, по которым наличие таких преобразований может быть установлено много лет спустя после того, как произошли сами изменения. Те или иные участки земной коры постоянно прогибаются, образуя широкие, но неглубокие желоба или впадины; некоторые из них затопляются морем. Если на поверхности погруженного участка имеется зона выветрелых пород, она постепенно покрывается слоем донных морских осадков. Позднее, когда эта часть коры снова испытает поднятие, эрозия снова выведет на поверхность зону выветрелых пород из-под слоя морских отложений.

Механическое разрушение. Хотя большая часть процессов выветривания относится к химическим, существуют и механические процессы. Коренные породы и частицы рыхлого грунта расщепляются большими и малыми корнями растений. Черви, муравьи, термиты, закапываясь в рыхлый грунт, выносят огромное количество мелких частиц породы на поверхность (по одной из оценок 10 тонн на 0,4 га в год), в буквальном смысле выворачивая грунт наизнанку. Наконец, на вершинах высоких гор и в холодных высоких широтах агентом механического разрушения пород является лед. При замерзании воды и образовании льда объем ее увеличивается на 9%. Давление замерзающей в трещинах воды раздвигает стенки трещин. Там, где при суточных колебаниях температура ниже точки замерзания, как это бывает в высоких широтах или в горах, огромные площади покрыты обломками пород, совершенно скрывающими находящиеся ниже коренные породы. Эти продукты механического разрушения, в отличие от химически измененного материала, почти не отличаются от исходных пород.

Процессы растрескивания (фото 5), которым подвергаются выведенные на поверхность в результате длительной эрозии грубозернистые магматические породы, мы лишь условно относим к процессам выветривания. Трещины возникают не потому, что на породы воздействует атмосфера и гидросфера, а потому, что по мере приближения массива пород к поверхности огромное давление, под которым формировались породы, снижается почти до нуля.

Снос продуктов выветривания

Превращая различными способами коренные породы в рыхлый материал, химическое и механическое выветривание подготавливают породы к следующей фазе кругооборота пород – переносу в пониженные участки. Рыхлая масса на склоне не неподвижна – она перемещается. Сила тяжести действует на нее в направлении вниз по склону, к ближайшему водотоку (рис. 10, правая часть). Временами происходит быстрое смещение большой массы в виде оползня. Часто рыхлый материал смывается вниз по склону, особенно во время сильных ливней, а иногда медленно стекает, образуя языкообразные потеки, состоящие из жидкой грязи и камней. Но большая часть продуктов выветривания движется вниз незаметно, со скоростью всего около 2,5 сантиметра за 5-10 лет. Все виды процессов, в результате которых происходит смещение рыхлого грунта вниз по склону, – медленное сползание, оползни и другие – известны под общим названием склоновых процессов.

Рис. 10. В водоток поступает вода (в ходе круговорота воды) и наносы (в процессе круговорота пород). Слева показано движение только воды, справа – только продуктов выветривания. В действительности оба процесса происходят на обоих бортах долины

С точки зрения человека скорость движения, составляющая 2 5 сантиметра за 10 лет, представляется небольшой. Но в рамках геологического времени этой скорости достаточно, чтобы поддерживать в активном состоянии круговорот вещества пород При этой скорости (25 сантиметров за 100 лет) данный объем рыхлого грунта переместится с вершины к подножию горного склона длиной 1,6 километров приблизительно за 630 000 лет. Но Северная Америка существует как область, где преобладает суша, по крайней мере в тысячу раз дольше по сравнению с этим временем, а может быть и еще дольше. Таким образом, если мы представим себе, что склоновые процессы действуют на каждом склоне каждого континента, то нас поражает, насколько велик общий объем осадков, поступающих со склонов в реки хотя бы в течение одного года.

Рыхлый чехол продуктов выветривания покрывает 3/4 общей площади суши; поэтому, несмотря на его малую толщину и преимущественно небольшую скорость движения, объем материала, перемещаемого склоновыми процессами, огромен. Точной цифры никто не знает, но можно предполагать, что объем склонового материала, поступающего ежегодно в реки, достигает несколько сотен кубических километров. Находящиеся в движении или перемещенные и отложенные продукты выветривания горных пород по определению являются отложениями, вне зависимости от того, какие процессы их перемещают или переместили. Однако большая часть отложений на суше переносится водотоками.

Водотоки

Изменения расхода водотоков. Подготовленная выветриванием и перемещаемая вниз по склону склоновыми процессами масса рыхлого материала рано или поздно достигает водотока, где она начинает двигаться совершенно иначе. Чтобы понять, что при этом происходит, мы должны более внимательно исследовать, что же именно заставляет водоток непрерывно двигаться. Прежде всего посмотрим на искусственный водоток, текущий в сточной канаве или трубе, отводящей дождевые воды и различные отходы с шоссе, улиц или из зданий. В промежутках между дождями во многих канавах сток прекращается, потому что бетонные стенки изолируют их от грунта и грунтовая вода в них не попадает. Не таковы природные водотоки. За исключением пустынь и других засушливых территорий, водотоки продолжают течь повсюду в любую погоду. Их объем постоянно меняется, но течение не прекращается, потому что они постоянно питаются водой, впитывающейся в грунт вокруг них и просачивающейся в русло. Большая часть грунтов, как скальных, так и рыхлых, проницаема для воды, то есть вода может в них просачиваться и медленно перемещаться, используя мельчайшие поры, соединенные между собой. При каждом дожде грунт поглощает воду, и после медленного подземного путешествия, долгого или краткого, эта грунтовая вода просачивается в ближайший водоток (рис. 10, левая часть), вне зависимости от того, выпадает в это время дождь или нет. Таким образом вода, заключенная в грунте, регулирует течение водотока, питая его по всей длине в промежутках между дождями. Это позволяет водотоку действовать как транспортирующий агент постоянно, а не только во время дождей. Наносы попадают в водоток способом, во многом схожим со способом поступления грунтовых вод. Медленное смещение грунта и другие склоновые процессы питают водоток наносами по всей его длине (рис. 10, правая часть).

Перенос отложений. Как только частицы породы попадают в водоток, они начинают двигаться гораздо быстрее, чем тогда, когда они медленно смещались по склону долины. Но в водотоке их движение менее устойчиво. Несмотря на питание грунтовыми водами, объем водотока колеблется по сезонам и даже в зависимости от погоды. Дожди вызывают паводки, а во время засухи водоток уменьшается в размерах.

Фото 6. Один из путей снабжения водотока наносами. Водоток во время паводка подмывает песчаный откос на одном из берегов

Текущая вода, изобилующая завихрениями и водоворотами, перемещает наносы в соответствии с размерами, формой и весом частиц. "Грубые" частицы (песчаные зерна и более крупные обломки) движутся не так, как "тонкие" (частицы ила и глины). Крупные частицы, которые вообще могут двигаться, перекатываются, скользят или перемещаются "скачками" по ложу потока, а мельчайшие частицы ила и глины, взвешенные в воде, несутся над ними, будучи увлекаемы вихрями и водоворотами, и лишь редко касаются дна. Только быстрые реки имеют достаточную силу, чтобы двигать крупную гальку и валуны. Большинство этих рек находятся в горах и стекает с крутых склонов; но даже из таких рек многие могут перемещать крупные валуны только при катастрофических паводках, когда расход воды и скорость течения возрастают во много раз.

Когда паводок спадает, скорость течения уменьшается и все большая часть наносов в русле частица за частицей перестает передвигаться, причем самые крупные (и самые тяжелые) частицы останавливаются раньше всех. Более мелкие частицы отлагаются поверх тех, которые уже прекратили двигаться раньше. Этот процесс продолжается, и русло заполняется наносами до тех пор, пока убывает скорость. При этом отлагающиеся частицы оказываются отсортированными по размерам и весу в соответствии с убывающей силой водотока. Наиболее крупные обломки осаждаются в русле, а более мелкие выносятся вниз по течению. Сортировка является результатом "промывки" в текучей среде – в воде или в воздухе. Склоновые процессы, в которых жидкая среда почти не участвует, не производят сортировки рыхлого материала. Таким образом, сортировка представляет собой очень существенную часть медленного преобразования рыхлых продуктов выветривания, лежащих на склонах, в идеальную осадочную породу. Сортировку производят не только водотоки. Столь же эффективно сортируют осадки и другие виды водных, а также и воздушных течений.

Рис. 11. По всей обширной площади бассейна Миссисипи происходит перемещение наносов вниз по склонам в водотоки. Отлагаясь у устья главной реки, эти наносы создают в Мексиканском заливе дельту. Надводная часть дельты заходит далеко вверх по течению реки, но подводная часть (см. стрелки) по объему еще больше

Осадки, отложенные потоком, могут снова вовлекаться в движение при следующем паводке, переноситься дальше вниз по течению и снова подвергаться сортировке при отложении. Каждая их частица снова и снова подвергается этому процессу, пока не достигнет места своего окончательного отложения, соответствующего данной части круговорота пород.

Независимо от размера зерен, отложения водных потоков на суше носят название аллювия.

Водоток не только производит сортировку наносов. Как и морской прибой на пляже, он окатывает обломки. Следуя вниз по течению водотока, от истоков к устью, и изучая галечник, слагающий его ложе и берега, иногда можно проследить, что вниз по течению галька в среднем становится более мелкой и лучше окатанной. Исследуя размер зерен и степень окатанности в некоторых древних слоях осадочных пород, отложенных водотоками, мы можем, пользуясь принципом актуализма, до некоторой степени представить себе сушу, по которой протекает этот поток, и получить представление о дальности переноса отложений. Таким образом, восстанавливаются существенные элементы природных условий прошлого.

Рис. 12. Один из видов местных неровностей в продольном профиле водотока. В этом случае выход твердого и трудноразмываемого слоя песчаника среди менее устойчивых к размыву аргиллитов задерживает врезание и создает уступ, на котором образуется водопад. Примером служит Ниагарский водопад

Внимательное исследование аллювиальных отложений вдоль русла водотока, где они хорошо видны, показывает, что накопление наносов в русле происходит с большей изменчивостью, чем мы могли предполагать. Хотя в целом то, что наносы измельчаются по направлению к устью, справедливо, однако, некоторые, а может быть, и все изученные нами отложения состоят из слоев различной крупности, срезающих один другой и не обнаруживающих закономерного изменения в каком-либо направлении. В общем, это отражает повторяющиеся изменения объема и скорости водотока, вызывающие изменения диаметра частиц, отлагающихся в любой точке вдоль водотока. Такрг изменения могут быть сезонными, суточными или нерегулярными, но все они сказываются на процессе осадконакопления. Более того, само ложе любого водотока нестабильно. Мы видели, что при спаде паводка на нем происходит отложение наносов. Но когда паводок начинается, объем и скорость водотока возрастают, и наносы, которые до этого находились в покое, начинают перемещаться по поверхности ложа или подхватываются и уносятся потоком. Иначе говоря, поверхность ложа потока эродируется. Это чередование эрозии с отложением наносов оставляет след на аллювии.

Большая часть аллювия в долинах водотоков представляет собой временное образование. Наносы временами перестают откладываться, но постоянно перемещаются вниз по течению. В конце концов большая часть их достигает моря. Эти соотношения можно видеть на рисунке 13.

Рис. 13. С течением времени кривая профиля водотока выполаживается, последовательно занимая положения 1, 2, 3, 4 и т. д. Положение устья реки на уровне моря при этом почти не меняется. В момент времени, соответствующий положению профиля 5, весь материал горных пород, показанных на рисунке более редкой штриховкой, уже снесен эрозией, и сохранились только породы, показанные частой штриховкой. В море более редкой штриховкой показаны осадки, накопившиеся к моменту формирования профиля 5. Их объем должен быть равен объему горных пород, подвергшихся размыву на суше (изображение схематическое)

Профиль потока. Если мы нанесем на график профиль любого водотока от истока до устья, то независимо от его размера мы обнаружим, что он представляет собой кривую, обращенную выпуклостью книзу. Конечно, на нем есть неровности, вызванные выходами более «твердых» или более «мягких» пород, которые размываются с различной скоростью (рис. 12), а также подвижками земной коры, но нормальная форма кривой вогнутая (Но известны и другие формы кривых продольного профиля реки. – Прим. ред). Профили молодых водотоков представляют крутопадающие кривые, а длительно существующие водотоки (при прочих равных условиях) имеют более пологие профили. Этим подтверждается справедливость нашего утверждения о том, что в ходе истории водотока или системы водотоков их профили выполаживаются.

Рисунок 13 показывает этот процесс непрерывных изменений; на нем видно, что в любой момент количество наносов, которое транспортируется этой системой до моря и отлагается там, соответствует количеству продуктов размыва, удаленных с суши. На рисунке также видно, что накапливающиеся осадки становятся все моложе к верхним горизонтам, а профили потока становятся моложе по направлению к днищу долины, как показывают два ряда цифр, означающих относительное время. На рисунке схематически нанесено также положение вершин холмов, поднимавшихся над долиной во время, соответствующее профилю 1. По мере того как главный водоток врезается, врезаются и его притоки, а склоновые процессы снижают холмы на междуречьях. Вся поверхность снижается, а склоны выполаживаются. Если этот процесс продолжается достаточно долго, поверхность может быть снижена до уровня моря и достичь такого состояния, которое характеризуется низкими пологосклонными холмами и широкими долинами с очень пологим профилем. Такая поверхность представляет собой пенеплен. Этот термин, означающий "почти равнина", преувеличивает сглаженность поверхности. Обычно пенеплены пологохолмисты, подобно рассмотренному ниже примеру.

Пенеплены. Хотя пенеплены занимают очень обширную площадь, они относительно легко разрушаются. Когда при поднятии земной коры уклоны увеличиваются и начинается новый цикл эрозии, пенеплен подвергается разрушению и в конце концов оказывается уничтоженным. Но если участок коры, поверхность которого представляет собой пенеплен, прогибается, то вероятно, что по крайней мере часть пенеплена будет погребена под более молодыми отложениями и тем самым предохранится от эрозии до тех пор, пока снова не будет выведена на поверхность.

Погребенный таким образом пенеплен подстилает слой отложений мелового возраста на большей части Атлантического побережья Соединенных Штатов (рис. 14). По направлению в глубь суши, где перекрывавшие его слои снесены, древний пенеплен выходит на поверхность и лишь незначительно изменен возобновившейся эрозией. Ближе к морю он все еще остается погребенным, но его можно обнаружить на глубине буровыми скважинами и геофизическими исследованиями. Относительные превышения (расстояние по вертикали между вершинами холмов и днищами долин) местами превосходят 120 метров, но обычно гораздо меньше. Как можно было ожидать, холмы образованы плотными, менее размываемыми породами, в то время как понижения сформировались на участках выходов более слабого, легко размываемого материала.

Рис. 14. Погребенный пенеплен у восточного побережья США (изображение схематическое)

Последовательность исторических событий, создавших изображенные на рисунке 14 условия, представляется следующей:

1. Формирование пенеплена деятельностью водотоков и склоновыми процессами, продолжительность действия которых, возможно, достигала 100 миллионов лет.

2. Наклон этого участка коры к юго-востоку, вызвавший погружение части пенеплена под уровень моря. Отложение мощной толщи морских осадков мелового возраста.

3. Дальнейший прогиб поверхности, способствовавший отложению морских кайнозойских осадков поверх меловых пластов.

4. Поднятие суши, вызвавшее выход из-под уровня моря морских отложений в прибрежном районе, увеличение крутизны склонов, эрозионный размыв морских отложений и таким образом "откапывание" пенеплена. В настоящее время наклон пенеплена в сторону моря имеет порядок десятка метров на километр.

Все эти события могут быть реконструированы при внимательном изучении рисунка 14. Подобная интерпретация представляет собой один из главных путей восстановления истории Земли по горным породам.