История Земли
Предлагаемая вниманию советского читателя книга \'История Земли\' принадлежит перу известного американского ученого Ричарда Фостера Флинта. Труд этот, написанный живо и интересно на основе богатого фактического материала, посвящен не только истории геологического развития нашей планеты, но и развитию эволюционных процессов жизни на Земле во всем ее многообразии, от простейших одноклеточных организмов до человека.
Р. Ф. Флинт
Перевод с английского И. И. СПАССКОЙ
Редакция А. К. АГАДЖАНЯНА и К. К. МАРКОВА
Предисловие академика К. К. МАРКОВА
Москва \"Прогресс\" 1978
Редакция литературы по географии
Перевод на русский язык, примечания, \"Прогресс\", 1978
R.F.Flint
THE EARTH AND ITS HISTORY
New York 1973
От редактора
(Издательство \"Прогресс\", 1978 )
Ричард Фостер Флинт - крупнейший знаток новейшей истории Земли, профессор Йельского Университета в США. Его книга \"Ледники и палеогеография плейстоцена\" была переведена на русский язык. Настоящий труд Р. Ф. Флинта по содержанию шире его предыдущих работ, о чем свидетельствует само название книги: \"История Земли\". В данной работе автор излагает всю историю Земли, а не только ее новейшую геологическую историю. В ней уделено большое внимание развитию органической жизни Земли, включая историю и развитие человека. Книга написана интересно и оригинально.
Как и предыдущие книги того же автора, \"История Земли\" должна привлечь внимание советского читателя благодаря ее достоинствам. В ней отражена цельная концепция автора, обобщающая обширный опыт мировой палеогеографической и геологической наук.
Ценной особенностью книги Р. Флинта является мастерство изложения, отражающее не только стилистическое дарование Флинта, но и ясность его мысли. Книга легко воспринимается читателем.
Имея в виду, что Р. Ф. Флинт уже известен советскому читателю, я счел возможным ограничить свои пояснения этим кратким предисловием.
Ричард Фостер Флинт скончался в июне 1976 г. Предлагаемая читателю книга является последним трудом талантливого ученого.
Академик К. К. Марков
Глава первая. Земля как планета
Планета Земля
Фотография, которую вы видите на противоположной странице, была сделана 18 ноября 1967 г. с космического корабля, который находился на расстоянии около 35 тысяч километров от Земли. Всю Землю (Точнее, всю поверхность Земли, обращенную к зрителю. - Прим. ред) - наш дом - можно охватить на этой фотографии одним взглядом. Такое изображение земного шара, на котором мы живем, было получено только после того, как космические корабли впервые покинули нашу планету и началась космическая эра.
Земля из космоса не похожа на Луну с Земли. Формы поверхности Земли не так резки, ясны и хорошо различимы, как формы лунной поверхности. Они расплывчаты, многие из них скрыты облаками, что указывает на существование у Земли атмосферы. Наличие атмосферы делает возможной жизнь на Земле, а также, что менее заметно, но не менее важно, делает возможным разрушение горных пород, слагающих твердую поверхность Земли. На поверхности Луны, не имеющей атмосферы, такого рода разрушения не происходит.
Фото 1. Вид из космоса на планету Земля. Черными линиями показано приблизительное положение берегов континентов. (Фотография сделана со спутника ATS - III, NASA)
Другой отличительной особенностью Земли является, как видно на снимке, наличие воды, образующей океаны. На Луне такое вещество, как вода, не обнаружено. Хорошо известно, что вода, как и воздух, необходима для жизни. В то же время, находясь в движении, вода в реках, озерах и морях переносит частицы горных пород с одного места на другое и отлагает их в виде осадков. Со временем эти осадки становятся слоями осадочных пород.
Наблюдатель, находящийся в космосе, обнаружил бы, что наличие облачности в атмосфере не позволяет ему сразу же получить представление об основных чертах земной поверхности. Для того чтобы получить представление об очертании океанов и континентов, ему пришлось бы сопоставить множество снимков, сделанных в различное время и охватывающих значительную площадь суши. На нашем снимке виден участок береговой линии, достаточно большой, чтобы понять, какая часть поверхности Земли находилась в поле зрения космической фотокамеры. Слева от центра снимка расположена южная часть Южной Америки, а справа находится отделенная от нее Атлантическим океаном огромная глыба западной Африки - ближайшей части Африканского континента. Побережья этих двух континентов, разделенных сейчас обширными пространствами воды, обнаруживают сходство очертаний, подобно двум частям головоломки, подходящим друг к другу. И в самом деле, есть серьезные основания полагать, что на более ранних стадиях истории Земли эти два континента были единым целым. Позднее они разделились и медленно движутся в разные стороны, каждый на своем основании, образуя непрерывно расширяющийся Атлантический океан.
Однако представление о том, что земные материки плавают и находятся в движении, подобно плавучим льдинам, сложилось практически вне зависимости от завоевания космического пространства. Оно явилось плодом упорного труда многих ученых, работавших на поверхности самой Земли и по времени было одним из последних в длинном ряду открытий и исследований, касающихся динамики Земли и создавших основу теоретического учения о Земле. Эта теория формулирует законы, управляющие всеми процессами - физическими, химическими и биологическими, которые вызывают постоянные изменения облика Земли. Теория Земли охватывает не только движение плавающих континентов, но также и все другие процессы, происходящие на нашей планете. К этим процессам относится и перенос воды из океана на сушу через атмосферу, и обратное перемещение воды в океан реками, постепенное разрушение горных пород и перенос их частиц реками, волнами, течениями, ледниками и ветрами, которые постоянно \"подметают\" поверхность Земли. Энергия этих природных сил есть энергия, излучаемая Солнцем. Эта же энергия в виде отраженного от земной поверхности света дала возможность получить космическую фотографию.
Внутреннее строение Земли
Центр нашей планеты находится всего лишь на глубине 6370 километров, что составляет менее двух процентов расстояния до Луны, однако наибольшая глубина, на которую человек проникал в недра Земли (в золотых копях Южной Африки), составляет 3,6 километра. При разведке нефти в западном Техасе твердые породы были пробурены до глубины более 9 километров и подняты образцы пород.
Хотя, строго говоря, мы исследовали лишь самую поверхностную часть планеты, мы все же имеем грубую модель ее внутреннего строения. Эта модель, которая год от года уточняется, явилась главным образом результатом обширных и координированных между собой исследований, проводящихся во всем мире, - исследований путей и скорости перемещения сейсмических волн, этих надежных посланцев, которые проникают дальше и быстрее в земные недра, чем буровые скважины. Данные сейсмических исследований дополняются другими, как, например, изучение свойств пород на поверхности Земли и в условиях больших температур и давлений. Конечно, в деталях наша модель неточна, но вероятность того, что она правильна в общих чертах, достаточно велика. Рисунок (рис. 1), представляющий модель в упрощенной форме, изображает планету как бы состоящей из концентрических оболочек-слоев, подобно луковице, причем каждый нижележащий слой тяжелее, чем вышележащий.
Рис. 1. Если бы Землю разрезать, как яблоко, то обнаружилось бы состоящее из двух частей металлическое ядро, окруженное слоями каменного материала. Земная кора имеет очень небольшую толщину. В верхней части рисунка изображен в увеличенном вертикальном масштабе фрагмент земной коры, включающий и океаническую и континентальную часть
На поверхности находится кора, состоящая из различных пород. Толщина коры по отношению к диаметру земного шара меньше, чем толщина яичной скорлупы по отношению к яйцу. Кроме того, в отличие от яичной скорлупы толщина ее не везде одинакова. Под океанами она всего лишь около 5 километров, а в пределах континентов - от 40 до 60 километров. Мантия(\"белок\" яйца) состоит из материала более тяжелого, чем породы коры. По объему она составляет около 80% всей Земли. Книзу она резко переходит в ядро (\"яичный желток\") - металлическое, очень тяжелое и, вероятно, представляющее собой сплав железа, никеля и, возможно, серы или кремния. Очень вероятно, что богатое железом земное ядро является источником магнитного поля Земли, управляющего стрелками наших компасов.
По сравнению с температурой земной поверхности внутренняя часть Земли очень горяча. Даже в глубокой шахте, хотя она составляет лишь крошечную долю расстояния до центра Земли, очень жарко. Некоторые шахты должны вентилироваться охлажденным воздухом. Это иллюстрирует тот общеизвестный факт, что температура повышается с глубиной, по крайней мере в пределах коры и несколько глубже (насколько - точно неизвестно). Величина этого повышения температуры, называемая геотермическим градиентом, изменяется от места к месту, однако в среднем в пределах коры она составляет от 10 до 50° С на километр. Если принять средний градиент равным 30°, то основание коры должно иметь температуру около 1800°, то есть буквально быть раскаленным докрасна. Считается, однако, что внутри ядра градиент снижается в связи с тем, что металлические породы хорошо проводят тепло. Если это так, то возможно, что температура в центре Земли не превышает нескольких тысяч градусов. Почти половина этих огромных запасов тепла имеет своим источником радиоактивность. Радиоактивные химические элементы, находящиеся в теле Земли, распадаются, и при их распаде выделяется тепловая энергия. Считают, что другая половина запасов тепла сохранилась от тех времен, когда Земля только возникла (Проблему теплового состояния Земли Р. Ф. Флинт изложил очень кратко. Укажем хотя бы на то, что содержание радиоактивных элементов и выделение радиоактивного тепла в Земле уменьшается с глубиной. Выделение радиоактивного тепла уменьшалось и с течением времени, так как радиоактивные элементы постепенно распадались. Сжатие Земли также повышало ее температуру. - Прим. ред).
Каким бы ни был геотермический градиент, мы можем быть уверены, что внешняя часть тела Земли является своего рода термоизоляционной оболочкой. Она допускает лишь очень медленное проникновение тепла из внутренних областей к поверхности, откуда оно медленно излучается в атмосферу; тепловое излучение Земли составляет приблизительно 1/20000 часть того тепла, которое поступает на поверхность Земли от Солнца.
Другое свойство Земли - давление - также возрастает с глубиной. Это возрастание является непосредственным результатом увеличения с глубиной веса вышележащих слоев. Поэтому наряду с геотермическим градиентом существует градиент давления. На поверхности Земли, на уровне моря, давление атмосферы составляет около 1 кг/см2. Но давление, которому подвергается со всех сторон точка в центре Земли, согласно расчетам, превышает 3000 т на 1 см2. Даже на сравнительно небольшой глубине - 10-20 километров - давление настолько велико, что может вызвать существенные изменения в строении пород.
Континенты и океанические впадины
Наш снимок из космоса подтверждает то, что мы уже знаем по своему собственному опыту, - Земля имеет неровную поверхность, представляющую чередование приподнятых и опущенных участков. Самые большие и обширные поднятия - это континенты, а еще более обширные понижения - океанические впадины. Морские воды покрывают 71% земной поверхности, но общая площадь океанических впадин меньше - она составляет всего около 60%. Разница между этими величинами, 11%, относится за счет шельфов (материковой отмели), где воды неглубоки. Шельфы, непрерывной каймой опоясывающие континенты, в большей степени принадлежат континентам, а не океанам. Континенты не только уступают океанам по площади; как можно видеть из следующих данных, величина поднятия их над уровнем моря невелика по сравнению с глубинами океанов:
(Глубина Марианского желоба, являющегося самым глубоким в Мировом океане, достигает 11 022 м. - Прим. ред)
Едва ли поэтому удивительно, что континенты, возвышающиеся в среднем на 5 километров над дном океана, состоят из особого материала, отличающегося от того, который подстилает океанические впадины (рис. 2). Под океанами залегает базальт, тяжелая горная порода, почти черного цвета, содержащая большое количество железа и магния. Ниже базальта находится слой материала, подобного базальту, но еще более тяжелого. Во многих местах базальт изливается на дно океанов в виде лавы и, затвердевая, образует вулканические конусы; многие из них представляют собой острова. В отличие от базальтов породы, слагающие континенты, легче по весу, светлее по окраске и содержат больше кремния и алюминия. Континентальные породы могут быть различными, но общий состав всей этой группы пород приближается к гранитам. Поэтому мы говорим, что континенты состоят из гранитов, а дно океана - из базальтов. Базальтовые породы, однако, не только подстилают океаны, но и опоясывают всю Землю, простираясь также и под континентами. Граниты же, с другой стороны, ограничены в своем распространении континентами и их шельфами.
Рис. 2. Континенты, в том числе и их шельфы, легче, чем подстилающий их базальтовый материал, и поэтому они плавают на базальтах. На рисунке не показана большая часть пространства океана (заключенная между зигзагообразными линиями), где легкие породы отсутствуют
Различие в весе этих двух видов пород объясняет, почему континенты возвышаются над океаническими впадинами. Подобно тому, как лед, имеющий удельный вес около 0,9, плавает в воде, континенты, состоящие из гранита (удельный вес 2,65), могут плавать по поверхности базальтов (удельный вес 2,9) и более тяжелого материала (3,3), подстилающих их. Таким образом, континенты напоминают \"гранитные плоты\", плавающие в море темного тяжелого базальта. На первый взгляд трудно представить, что одни породы могут плавать на других породах, так как мы привыкли считать горные породы такими, какими мы видим их на поверхности Земли, - хрупкое вещество, обычно с трещинами, которое может быть разбито на куски ударом молотка. Однако лабораторные эксперименты показали, что при достаточной температуре и давлении породы становятся пластичными. На глубинах 10-20 километров и более, там, где гранитные породы подстилаются базальтами, температура и давление настолько велики, что породы перестают быть горными породами в обычном смысле этого слова. Они не разрушаются, а медленно текут. Поэтому в некотором смысле гранитные континенты действительно плавают: на огромных глубинах как гранитный, так и базальтовый материал, если на них с одной стороны воздействует сила, текут в противоположную сторону, напоминая зубную пасту, которую выдавливают из отверстия тюбика.
Четыре оболочки
Наше представление о Земле будет ближе к действительности, если мы представим ее себе не как единую сферу, а в виде четырех отдельных, тесно связанных между собой оболочек. Три из них можно частично видеть на космическом снимке: 1) твердая земля, состоящая главным образом из горных пород; 2) жидкий океан, состоящий из воды; 3) подвижные облака, состоящие из водяного пара, входящего в состав атмосферы, горные породы, вода, воздух. Мы видим, таким образом, часть сферы диаметром 12 700 километров, образованной горными породами и окруженной двумя тонкими, подвижными, частично проникающими друг в друга и в толщу тверйой сферы оболочками - жидкой и газообразной. Такова лищосфера (верхняя поверхность ее совпадает с верхней поверхностью земной коры), окруженная гидросферой (вода) и атмосферой (азот и кислород). Все эти три оболочки соприкасаются на поверхности литосферы, и поэтому она является зоной активного проявления разнообразных процессов. Она же является зоной наибольшей концентрации четвертой сферы - биосферы, объединяющей все живое. В настоящее время описано и изучено только полтора миллиона видов ныне существующих животных и растений. Но возможно, что общее количество видов достигает нескольких миллионов. Каждый вид включает множество особей; в некоторых видах число их просто огромно. Едва ли можно сомневаться в том, что общее количество живых организмов поистине неисчислимо.
В состав биосферы входят лишь немногие из химических элементов Земли. В основном она состоит из углерода, водорода и кислорода с примесью, в гораздо меньших количествах, фосфора, азота, серы и железа. Используя энергию солнечных лучей, биосфера осуществляет химический обмен веществ как внутри самой себя, так и с другими тремя сферами. Этот обмен носит различный характер, однако очевидно, что наиболее активно участвует в обмене кислород. И неудивительно, что местом этого обмена и движения является поверхность суши Земли.
Как в природе, так и в области человеческой деятельности, граница между двумя средами - место наибольшей активности. Такую границу представляет собой берег моря или большого озера, отмеченный зоной прибоя, внутри которой волны обрушиваются на береговые скалы, разрушают их и образуют пляж из частиц горных пород. Другим примером границы может служить берег реки, подвергающийся воздействию потока. Подмываемый берег реки и морской пляж - продукты \"граничных условий\", где происходит столкновение двух сил или воздействие силы на противостоящую ей инертную массу. Твердая поверхность земли - это область, где сосуществует множество различных типов природной среды, каждый из которых характеризуется определенным сочетанием четырех оболочек, равно как и отличается по строению каждой оболочки. Именно поэтому так разнообразны на поверхности Земли \"границы\" и взаимодействия различных сред.
Взаимодействие внешних и внутренних процессов
Существует множество границ, на которых происходит столкновение различных сил. Наиболее выражен этот граничный характер у верхней границы литосферы, которая является зоной столкновения динамических процессов, действующих внутри земной коры, и процессов, происходящих в атмосфере и гидросфере. Большая часть этих последних процессов действует на поверхности литосферы или непосредственно над ней, поэтому мы называем их внешними. Изменения, вызываемые всей совокупностью внутренних и внешних процессов, а также возникающие в результате взаимодействия отдельных процессов, обусловливают в основном разнообразие ландшафтов - то, что представляет интерес для людей, населяющих Землю.
Внутренние процессы. Существует три вида основных процессов, происходящих внутри земной коры: движение вещества твердых пород, движение разогретого вещества расплавленных горных пород и преобразование пород, находящихся глубоко под поверхностью Земли, под действием большого давления и высокой температуры. Мы знаем обо всех этих процессах или потому, что можем наблюдать их в действии (излияние лавы из вулкана), или потому, что видим результаты этих процессов (смещение одного большого массива породы вверх, вниз или вбок относительно другого).
На рисунке 3А показано, каким образом перемещения масс твердых пород обычно выражаются на поверхности. Масштаб процесса при этом не важен: глыбы пород могут быть шириной в один километр или десятки километров. Существенно то, что под действием внутренних сил произошло перемещение пород вверх, по крайней мере относительное, вызвавшее в одном случае изгиб, а в другом - движение по четко выраженному разлому. Таким образом, эти внутренние силы вызвали увеличение уклонов поверхности, создав в одном случае почти вертикальный уступ.
Рисунок 3Б показывает два обычных способа воздействия на земную поверхность расплавленных пород, движущихся снизу вверх. В левой части изображена масса расплавленной породы, которая медленно поднялась из глубин земной коры, проделав многокилометровый путь; она деформировала вышележащие пласты, но остыла и затвердела, не достигнув земной поверхности. Справа показано, как расплавленная масса под давлением поднималась по трубкообразному каналу и разливалась по поверхности, образовав последовательность слоев лавы, каждый из которых затвердевал раньше, чем перекрывался следующим. При этом существовавшие ранее породы не были деформированы, а было создано новое конусообразное сооружение - слоистый вулканический конус (стратовулкан). Некоторые из таких конусов превышают 6 километров и имеют крутые склоны. Особенно много их на морском дне.
Наконец, на рисунке 3В показано, что может произойти с породами, подвергшимися не поднятиям, а погружению. Местами слои пород, которые образовались на поверхности Земли, были перемещены вглубь в результате прогибания земной коры. На глубине 10-20 километров эти породы попадают в такие условия, где давление вышележащих слоев (а в некоторых случаях и боковое) настолько велико, что вызывает текучесть породы, придавая ей облик, совершенно отличный от первоначального.
Рис. 3. Примеры действия внутренних (эндогенных) процессов
Все эти три вида внутренних процессов - результат действия существующей внутри Земли тепловой энергии, которая активизирует эти процессы в больших масштабах и настолько велика, что противодействует силе тяжести. Следовательно, как мы видели на рисунках, внутренние процессы местами приподнимают или надстраивают поверхность Земли.
Внешние процессы. Для большей части (хотя и не для всех) внешних процессов движущими силами являются подвижные оболочки, которые мы называем гидросферой и атмосферой. Воздух и вода, даже если они не находятся в движении (особенно воздух, содержащий водяные пары), создают среду, в которой химический обмен между горными породами и водой вызывает распад породы, ослабляя в ней внутренние связи и способствуя ее разрушению. Это химическое взаимодействие происходит повсюду, где горная порода соприкасается с влажным воздухом. Но, более того, вода и воздух постоянно находятся в движении; перемещаясь по поверхности Земли, они вовлекают в движение разрушенные породы, унося с собой их частицы. Движение воздуха - ветер - воздвигает из частиц пород, которые несет с собой, песчаные дюны; движущаяся вода - река - отлагает наносы в своем русле, а морские волны сооружают вдоль берегов пляжи из продуктов разрушения горных пород, смытых с суши. Движущийся лед - ледник - (также представляющий собой часть гидросферы, хотя и в твердом состоянии) несет обломки пород и отлагает их при таянии. Даже подземная вода, медленно просачивающаяся через мелкие поры в породах, уносит с собой в растворенном виде минеральные вещества горных пород.
За немногочисленными местными исключениями, внешние процессы происходят под влиянием силы тяжести (Но к \"немногочисленным местным\" исключениям относятся повсеместные и могущественные химические процессы. - Прим. ред). Они измельчают твердые горные породы и уносят продукты их разрушения. Поскольку деятельность процессов, о которых идет речь, контролируется силой тяжести, они переносят материал с более высоких участков Земли на более низкие. Благодаря этому переносу материала горных пород возвышенности постепенно разрушаются и становятся все ниже и ниже. Рано или поздно продукты разрушения отлагаются на участках, первоначально бывших понижениями, в виде тонких слоев, накапливающихся один поверх другого. Таким образом, понижения \"надстраиваются\", в то время как возвышенности срезаются. Между ними повсюду происходит постоянное движение вниз по склонам продуктов разрушения пород.
Внешние процессы черпают свою энергию в солнечной радиации, поступающей на земную поверхность. Механизмы, посредством которых солнечное тепло приводит в движение потоки воздуха и воды и другие динамические агенты, кратко упомянуты в главе второй.
Взаимодействие процессов. Таким образом, существуют два вида процессов: внутренние, приводящиеся в действие внутренним теплом Земли и действующие в основном в направлении, противоположном направлению силы тяжести, и внешние, приводящиеся в действие солнечным теплом и протекающие под непосредственным влиянием силы тяжести. Эти две группы процессов непрерывно сталкиваются на границе, которой служит твердая поверхность Земли. Представим себе твердую землю гладкой, как бильярдный шар. Сила тяжести на этой гладкой поверхности была бы везде одной и той же. Вода не могла бы течь с одного места на другое. Однако поверхность реально существующей Земли не такова. Внутренние процессы создали на ней возвышенности и низменности, а следовательно, и уклоны. Вода стекает по склонам с высоких участков на низкие и несет с собой частицы пород. Это течение воды, содержащей частицы пород, представляет собой один из внешних процессов.
Со временем этот и другие внешние процессы могли бы выровнять поверхность суши и снизить ее до уровня океана. Это выравнивание действительно происходит, но не на всей поверхности суши одновременно. Вмешательство того или другого внутреннего процесса нарушает его ход. Эти процессы, проявляясь то там, то здесь, создают новые возвышенности и тем самым уничтожают результаты выравнивающей деятельности текучих вод. Всегда где-то образуются возвышенности, причем скорость их поднятия не обязательно постоянна, и в пространственном размещении не всегда улавливается закономерность. Эти поднятия, поддерживая непрерывность внешних процессов, дают им все новый материал для переработки. Они создают склоны, но они же заставляют воду течь быстрее, создают неровности, которые выравнивают текучие воды, и сообщают им новую энергию для выполнения этой работы, заставляют наносы непрерывно перемещаться с приподнятых участков в понижения и отлагаться там в виде слоев, построенных в буквальном смысле из обломков пород, некогда лежавших где-то на возвышенности. Таким образом, происходит взаимодействие внешних и внутренних процессов. Кажется, оно никогда не прекратится, по крайней мере до тех пор, пока внутренняя часть Земли обладает достаточным запасом тепла для поддержания внутренних процессов и пока Солнце излучает тепло на поверхность Земли, сообщая энергию внешним процессам.
Этот беглый взгляд на земной шар со стороны показывает, что Земля - живая планета и что самая активная и наиболее разнообразная зона приурочена к поверхности литосферы, где происходит сложное взаимодействие и столкновение различных сил. В этой поверхностной зоне протекает также жизнь человека и развертывается его история, ход которой определяется условиями жизни, существующими на поверхности Земли. И так как мы живем среди всех этих многообразных процессов, мы не можем не интересоваться тем, что происходит вокруг нас. В следующей главе этой книги рассматривается поверхность Земли. В ней показан9, что основные процессы, постоянно перемещающие и преобразующие материал горных пород, проявляются не случайно, но образуют последовательную и вполне понятную систему, действующую в соответствии с законами природы.
Литература
ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ:
Воtt M. Н. Р., 1971, The interior of the Earth: St. Martin\'s Press, New York.
ОКЕАНЫ:
Hill M. N., ed., 1962-1963: The sea: Interscience Publishers, New York, 3 vols.
БИОСФЕРА:
HutchinsonG. E. and others, 1970. [A group of articles related to the biosphere] \"Scientific American\", v. 223, p. 45-208.
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.)
Глава третья. Слои и геологическое время
Изучая магматические и метаморфические породы, люди узнали многое о температурах, давлении и других условиях, существующих глубоко в толще земной коры. Однако для наших целей важнее изучение осадочных пород. Важнее потому, что структуры пород и ископаемые остатки, заключенные в них, дают нам главную информацию о жизни и условиях среды в прошлом, а история живых существ интересует многих больше, чем все остальное в истории Земли. За редкими исключениями, ископаемые остатки встречаются только в осадочных породах.
Давайте рассмотрим осадочные породы как последовательность слоев, а содержащиеся в них остатки - как ряд живых организмов, сменявших друг друга в исторической последовательности.
Слои и ископаемые остатки
Как показано на рисунке 6, большая часть наносов, которые сносятся с суши, в конце концов осаждается в бассейнах, частично в пределах суши, но главным образом вне суши - в море. Эти осадки широко распространены и образуют почти горизонтальные слои; осадки со временем постепенно переходят в осадочные породы. Впоследствии территория бассейна может претерпеть поднятие и быть прорезана реками. При этом становятся видны слои, как в ломтике слоеного пирога. Если долина глубока и не покрыта растительностью, на ее бортах можно наблюдать весьма впечатляющую последовательность слоев. Перед нами как бы предстают страницы, на которых записана большая часть истории Земли. Едва ли нужно пояснять, что залегающий в самом низу слой должен быть самым древним, так как он отлагался первым, и что выше залегают все более молодые слои.
Большая часть слоев Земли содержит ископаемые остатки, главным образом остатки морских животных. Данный факт свидетельствует о том, что значительная часть (по крайней мере три четверти) известных в настоящее время слоев имеет морское происхождение. Это едва ли удивит нас, если мы представим себе, что моря - это впадины, в которых скапливаются отложения; для осадков, отложившихся на суше, вероятность размыва гораздо больше, чем для морских отложений.
Фото 3. Слои осадочных пород, выходящие в стенке Большого каньона вблизи устья Шинумо-Крик (вид на северо-запад, вниз по течению). Расстояние по вертикали от края обрыва до русла реки Колорадо (на переднем плане) около 1600 метров
Сравнение ископаемых морских организмов с подобными же организмами, живущими сейчас, хорошо показывает, что они жили не в глубоком море, а на мелководье, глубиной около 200 метров, напоминающем современные моря континентального шельфа. Многие виды жили совсем на мелководье, у самого берега. И тут мы подходим к главному пункту в наших рассуждениях. Хотя многие организмы, найденные в ископаемом состоянии в пластах пород, напоминают современные, лишь немногие из них относятся в точности к тому же виду, что и организмы, живущие в настоящее время. Они отличаются, причем эти отличия больше всего выражены в нижних, самых древних слоях и меньше в верхних, молодых. Другими словами, ископаемые организмы постепенно изменяются при переходе от нижних слоев к верхним, а как мы помним, переход от нижних слоев к верхним соответствует движению вперед во времени. Эти различия означают, что организмы изменялись с течением времени, и мы можем проследить эти изменения по остаткам, которые сохранились в пластах. Конечно, перемены происходили очень медленно.
Как мы увидим позднее, процесс эволюционных изменений не является процессом, автоматически совершающимся в самих организмах. В своей основе этот процесс состоит из изменений, являющихся косвенной реакцией на условия среды, в которых живут эти организмы. По мере того как под влиянием медленных движений земной коры или других причин моря заливали сушу или отступали, сообщества морских организмов соответственно распространялись или смещались и при этом медленно эволюционировали, то есть изменяли форму. Скорость расселения организмов была гораздо больше, чем скорость, с которой они сами изменялись. Поэтому измененные формы легко распространялись повсеместно, так что сейчас ископаемые, совершенно одинаковые или близкие по форме, могут встретиться в приблизительно одновозрастных слоях на территории двух и более континентов.
Фото 4. Ископаемые остатки беспозвоночных, обнаруженные на поверхности слоя известняка. Этот слой когда-то был дном мелководного моря, покрывавшего часть американского континента сотни миллионов лет назад
В качестве современного примера быстрого распространения организма можно привести моллюска Littorina littorea, обычно встречающегося в прибрежном мелководье. До 1852 г. этот моллюск обитал только на побережье Европы. Между 1852 и 1857 гг. он обосновался в бухте порта Галифакса (провинция Новая Шотландия, Канада), куда он предположительно был завезен с каким-либо кораблем, прибывшим из Европы. Моллюск быстро распространился к югу и, как было установлено, к 1880г. достиг гавани Нью-Хейвен, .штат Коннектикут, США, причем на сей раз он двигался самостоятельно, не прибегая к помощи кораблей. Отсюда следует, что средняя скорость его движения составляет около 50 километров в год. При такой скорости, если бы он мог двигаться повсюду, не встречая преград, чего в действительности не было, этот моллюск распространился бы по всему земному шару менее чем за 1000 лет.
Сходство эволюционного процесса, которое прослеживается в общих чертах во всем мире, имеет большое значение. Мы можем сказать, что два пласта, встреченные на двух разных континентах, но содержащие близкий комплекс ископаемых, должны быть близки по возрасту. Справедливость этого заключения стала очевидной за сто лет до того, как оно было подтверждено измерениями возраста, основанными на радиоактивности. Благодаря этому соответствию возможно сопоставление или корреляция пространственно разобщенных пластов в различных частях одного и того же континента или на различных континентах (Это утверждение только приблизительно правильно. Земная поверхность своим разнообразием влияет на эволюцию организмов и их расселение. Поэтому одновозрастные слои могут содержать в разных местах и существенно различные ископаемые остатки организмов. - Прим. ред).
Геохронологическая шкала
Корреляция, осуществленная на основе ископаемых остатков, сделала возможным составление стандартного перечня слоев, имеющего форму диаграммы, называемой геохронологической шкалой. Эта шкала составляет основное содержание стратиграфии - науки о слоях. Она является той основой, к которой мы пытаемся привязать большую часть накопленной нами информации о Земле. В ней объединены все известные слои, согласно тому положению, которое они занимают друг относительно друга. Таким образом, получается график, имеющий вид колонки, состоящей из слоев. Простейшая форма его дана в таблице 1, где показаны наиболее крупные единицы стратиграфической шкалы, без многочисленных подразделений. Основные единицы шкалы названы по названиям слоев пород, содержащих характерные ископаемые. Эти единицы группируются в системы, отделы и т. д., как показано на схеме. Названия их обозначают также и соответствующие промежутки времени. Таким образом, мы можем сказать, что слои, составляющие девонскую систему (или просто девонские слои), отлагались в течение девонского периода. Этот период, как показывает таблица, длился от 415 до 360 миллионов лет назад, то есть приблизительно 55 миллионов лет.
В деталях геологическая шкала представляет собой систему, подобную системе расстановки книг на полках большой библиотеки. Новые книги, поступающие в библиотеку, зандсятся в каталог и затем расставляются на полках в соответствии с их положением в системе. Таким образом, библиотека постоянно пополняется. Подобным же образом поступают и с вновь открытыми слоями. В конце 50-х годов двадцатого века, когда геологи начали изучать горные породы Антарктиды на основе имевшейся системы, они нашли в почти неизвестных слоях этого континента характерные ископаемые, по которым смогли выделить в различных районах отложения, относящиеся ко многим крупным подразделениям геологической шкалы. Это один из примеров постоянно происходящего пополнения стратиграфической колонки.
Главная причина, по которой геологическая шкала представляет собой идеализированный, а не реально существующий объект, заключается в том, что ни в одной части континента не встречаются отложения всех крупных и мелких подразделений шкалы, образующие непрерывную последовательность. Это происходит потому, что все слои ограничены в своем распространении. Площадь, на которой встречается какой-либо слой осадочных пород, не превышает площадь соответствующего морского бассейна, в котором отлагались эти осадки. Правда, некоторые мелководные моря были очень обширными. Около 100 миллионов лет назад один из таких бассейнов простирался от южной Мексики к северу через всю Северную Америку до Северного Ледовитого океана, разделяя континент на два отдельных массива суши. Однако большинство морских бассейнов были меньших размеров, и ни один из них не занимал в какой-либо момент времени целый континент. Таким образом, каждый слой первоначально занимал ограниченную площадь. Площадь многих слоев далее еще более уменьшалась в результате эрозии, которая во многих бассейнах уничтожала часть - и даже, большую часть - слоя до того, как этот слой перекрывался следующим. Обычно следы эрозионной деятельности сохраняются на поверхности, разделяющей верхнюю часть эродированного слоя и основание вышележащего (рис. 8).
Рис. 8. Две серии морских слоев, обнажающиеся на склоне современной долины. После того как была отложена более древняя серия А, мелководное море отступило, и поверхность П подверглась размыву. Реки прорезали долины Д. Позднее море вторглось на эту территорию и затопило размытую поверхность Я, которая постепенно оказалась погребенной под новой серией осадков Б. Затем море снова отступило, и осушенная поверхность подверглась расчленению современными долинами СД. Серии А и Б залегают несогласно (с перерывом) по отношению друг к другу, что можно видеть на поверхности раздела П
Таким образом, геологическая шкала представляет собой одновременно схему и каталог. К началу XX в. были уже известны основные подразделения шкалы, показанные в таблице 1, а также характерные для каждого из них ископаемые. Не хватало только временных характеристик, для которых требовалось определение возраста.
Геологическое летоисчисление
Потребность в надежных способах определения времени стала ощущаться задолго до того, как были выделены основные подразделения геохронологической шкалы. Были сделаны попытки определить возраст наиболее древних осадочных пород. Пытались, например, разделить суммарную мощность морских осадочных пород на континентах на толщину слоя осадков, ежегодно выносимого с континентов реками. Считалось, что полученный результат представляет минимальное время, за которое могла накопиться толща осадочных пород. Но этот простой расчет включал некоторые неизвестные факторы, которые поэтому должны были оцениваться произвольно. Наиболее ошибочные выводы влекло за собой предположение о том, что скорость поступления осадков всегда была одинаковой; сейчас мы знаем, что это не так. Величины, полученные с помощью этого расчета - от 100 до 300 миллионов лет - не удовлетворяли большинство ученых, которые полагали, что наиболее древние осадочные пласты должны быть гораздо старше.
Определение возраста радиометрическим методом. Следующий этап в определении времени событий истории Земли начался в 1896 г. с открытием естественной радиоактивности. Исследования, последовавшие за этим открытием, положили конец приблизительности оценок, так как радиоактивность дает способ непосредственного измерения действительного возраста пород. В первой главе книги упоминалось, что внутреннее тепло Земли предположительно наполовину - результат естественной радиоактивности. Химические элементы, обладающие в той или иной степени естественной радиоактивностью, входят в состав большого количества минералов. К таким элементам относятся уран, торий, рубидий, стронций и углерод. Радиоактивные формы этих элементов обладают свойством самопроизвольного и постоянного распада атомов. При этом атомы испускают элементарные энергетические частицы и превращаются в \"дочерние\" атомы, которые по строению отличаются от исходных.
Для любого радиоактивного элемента скорость распада постоянна и может быть измерена с достаточной точностью. На этом основан способ определения возраста некоторых пород, сущность которого сводится к следующему. Породы состоят из минералов, а минералы содержат различные элементы, в том числе и радиоактивные. В любом минерале, входящем в состав магматических пород, радиоактивный распад начинается с того момента, как минерал выкристаллизовался из магмы. Для каждого радиоактивного элемента известны две величины: исходное количество этого элемента в минерале и скорость распада. Третья величина - количество элемента в минерале в данное время - может быть измерена. Если все эти три величины известны, можно рассчитать время, прошедшее с момента кристаллизации минерала из магмы и определить приблизительно - с точностью до 5% - возраст магматической породы, в состав которой входит этот минерал.
Подобным же образом для минерала, входящего в состав метаморфической породы, мы можем рассчитать время, прошедшее с момента кристаллизации новых минералов в породе из элементов, присутствовавших в ней до начала метаморфизма. Таким образом, измерения радиоактивности дают важную информацию о времени образования магматических и метаморфических пород. Иначе обстоит дело с осадочными породами.
В чем же их отличие? Хотя радиоактивный минерал может входить в состав осадочной породы, образовался он не в этой породе. Он был принесен откуда-то извне и представлял собой вещество иного происхождения и более древнее, чем порода, в образовании которой он участвовал. С тех пор, как минерал был отложен, он не подвергался перекристаллизации. Таким образом, естественный радиоактивный распад в некоторой, возможно в значительной, степени уже произошел в этом минерале до того, как он стал частью осадочной породы. Предположим, что мы измерили степень распада в этом минерале и таким образом получили его возраст. Все, что можно сказать на этом основании об осадочной породе как пласте, это то, что порода моложе, чем рассматриваемый нами минерал. Короче говоря, слой осадочной породы не может быть датирован непосредственно радиометрическим способом, то есть путем измерения радиоактивности. На первый взгляд это ставит нас в затруднительное положение, поскольку геохронологическая шкала основана на осадочных породах, и определение возраста требуется главным образом для подразделений этой шкалы.
Выход, однако, был найден. Геохронологическая шкала была датирована, по крайней мере частично, как можно видеть в таблице 1, и эти даты были получены для магматических пород. Каждая дата в таблице соответствует границе между двумя системами или двумя отделами. Большинство таких дат являются производными, не измеренными непосредственно, а полученными путем интерполяции данных, измеренных для образцов магматических пород. Тела магматических пород, выбиравшиеся для датирования, в большинстве случаев залегают на контакте с известными осадочными пластами. В таких случаях характер контакта ясно указывает, старше или моложе магматическое тело соседних осадочных пород. Зная это возрастное соотношение, возраст магматического тела можно принять за верхний или нижний предел возраста осадочного пласта.
Таблица 1. Геологическая шкала, основные планетарные подразделения, датировки и события в развитии жизни (датировки приведены по неопубликованным данным Р. Л. Армстронга, 1971)
Чтобы увидеть этот принцип в действии, рассмотрим рис. 9, на котором показана последовательность осадочных пластов. Принадлежность их к определенным системам устанавливается по содержащимся в них ископаемым, поэтому они поименованы в соответствии с геохронологической шкалой. Между верхними пластами залегают два древних лавовых потока; в нижних пластах имеются две дайки (рис. 5), представляющие результат интрузий магмы. Возраст этих даек по радиометрическим определениям составляет соответственно 250 и 210 миллионов лет. Во время затвердевания магмы, послужившей исходным материалом для образования этих даек, осадочные пласты в узкой зоне соприкосновения с магмой \"спеклись\" и подверглись химическим изменениям в результате воздействия горячей магмы. Однако измененная зона отсутствует на верхней поверхности даек. Это означает, что во время образования интрузии и затвердевания магмы слой, который сейчас перекрывает дайку, еще не образовался. В противном случае, он также подвергся бы изменениям под действием тепла и химических реакций. Поэтому поверхности раздела, к которым приурочены кровли обеих даек, должны быть результатами двух длительных периодов, в течение которых эрозия уничтожила слои, некогда залегавшие выше современных поверхностей раздела. Следовательно, эти поверхности, подобно поверхности (П) на рис. 8, являются поверхностями несогласия. Учитывая радиометрические датировки этих двух даек, можно видеть, что триасовый пласт, который моложе одной из даек, но старше другой, должен иметь возраст менее чем 250, но более чем 210 миллионов лет. Вычитая одну цифру из другой, получаем 40 миллионов лет - максимальную продолжительность триасового периода, определенную для этого частного случая.
Рис. 9. Определение возраста осадочных пластов на основе их соотношения с телами магматических пород, возраст которых известен
Обращаясь к двум древним лавовым потокам, мы применяем тот же принцип. Лава изменила нижележащие породы, но не воздействовала на вышележащие, так как последние отлагались лишь после затвердевания потока лавы. Радиометрический возраст слоев лавы свидетельствует о том, что в данном случае юрские слои не старше 200 миллионов лет и не моложе 140 миллионов лет и что продолжительность юрского времени (по этим данным) составляет 60 миллионов лет. Эти цифры постоянно уточняются с помощью новых радиометрических датировок магматических пород, находящихся в подобном соотношении с осадочными слоями в других частях света. Цифры, приведенные в таблице 1, представляют собой результат, полученный к настоящему времени, однако в будущем и данные цифры должны быть в свою очередь уточнены. Датировка подразделений геохронологической шкалы, как и строение самой шкалы, постоянно уточняется.
Как показывает таблица 1, систематические датировки слоев заканчиваются на уровне 580 миллионов лет, вблизи основания кембрийской системы. Нижележащие докембрийские породы включают лишь небольшое количество осадочных пластов и главным образом состоят из сложного комплекса магматических и метаморфических пород. Многие из этих пород, были датированы. Измеренный до настоящего времени возраст наиболее древних пород достигает 3,7 миллиарда лет, но, конечно, будут обнаружены и более древние. Что касается возраста самой Земли, то он не определен точно, но различные данные, в том числе астрономические, позволяют предположить, что Земля как планета насчитывает 4,5 миллиарда лет.
Радиоактивный углерод. Определение возраста радиоактивных атомов (изотопов) в минералах имеет в большинстве случаев один существенный недостаток. Скорости радиоактивного распада настолько малы, что многими существующими методами измерений нельзя установить различие между совсем молодыми породами, имеющими возраст в несколько сот тысяч лет. Поэтому, в общем, у нас мало надежных определений возраста в интервале, скажем, последних 500 000 лет; одним из исключений являются датировки, полученные измерениями содержания радиоактивного углерода (С14). Этот изотоп углерода распадается довольно быстро, что делает его пригодным для датировки объектов, возраст которых заключен в пределах около 50 000 лет. Радиоактивный углерод играет важную роль в биосфере, что дает возможность определять возраст не самих пород, а органического вешества, содержащегося в горных породах.
Радиоактивный углерод постоянно возникает в атмосфере под действием радиации, поступающей из космического пространства. Он смешивается с обычным, нерадиоактивным углеродом, образует углекислый газ (СО2) и быстро распространяется по всей атмосфере, гидросфере и биосфере. Его количественное соотношение с обычным углеродом остается постоянным во всей системе, так как скорость радиоактивного распада находится в равновесии со скоростью образования радиоактивного углерода, пока последняя сохраняется постоянной. Поэтому концентрация радиоактивного углерода, его \"устойчивое содержание\", должна быть постоянной в пробах воздуха, пресной или соленой воды, древесине или листьях дерева, в тканях тела любого животного до тех пор, пока дерево или животное живы. Но со смертью организма содержание радиактивного углерода в его тканях убывает, поскольку его потери вследствие радиоактивного распада не восполняются. Путем измеоений и расчетов может быть определено содержание радиоактивного углерода (часто с погрешностью всего в несколько процентов), оставшееся в образце органического вещества, и, следовательно, время, прошедшее после смерти организма.
Радиоуглеродное датирование необычайно важно. Оно дает возможность проследить историю первобытного человека, а также животных и растений в течение последних 50 000 лет. С его помощью определяется также время многих событий последнего из великих оледенений, включая грандиозное вторжение льда в Северной Америке и Европе, достигшее максимума приблизительно 20 000 лет назад. В нашем рассказе мы используем многие радиоуглеродные датировки, а также другие определения возраста гораздо более древних объектов, обычно самих горных пород.
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.
Тесно связанная система
Несмотря на то что выпадение дождей, выветривание и работа водотоков представляют резко различающиеся между собой процессы, все они тесно связаны. Совершенно очевидна связь между годовым количеством осадков и числом водотоков на единицу площади. В пустынях водотоки (к тому же большую часть времени сухие) далеко отстоят друг от друга; в дождливых областях расстояние между ними невелико. Если пренебречь другими факторами, такими, как водопроницаемость горных пород, которая также влияет на густоту водотоков, мы можем сказать, что в любом районе густота речной сети как раз такова, что водотоки могут уносить воду, выпадающую в виде дождей и стекающую по поверхности,- не больше и не меньше. Если бы осадков выпадало больше, образовались бы новые водотоки; если меньше - некоторые водотоки высохли бы и, вероятно, с течением времени заполнились рыхлым материалом с соседних склонов.
Другое соотношение существует между скоростью эрозионного углубления долины водотоком (как на рис. 13) и скоростью выветривания и склоновых процессов на склоне долины. Если в результате поднятия земной коры или вследствие других причин профиль водотока станет круче, склоны долины тоже должны стать круче. В результате возрастет скорость движения рыхлого материала по склонам. Но если рыхлый чехол будет двигаться по склонам быстрее, он должен стать тоньше, а если уменьшится толщина рыхлого чехла, химическое выветривание будет более энергично воздействовать на коренные породы и таким образом ускорится превращение пород в рыхлый материал.
Все эти процессы тесно связаны между собой, образуя единую систему. Изменения в одной части системы воздействуют на все остальные ее части.
Место потоков в общей схеме
Пожалуй, большинство людей рассматривает реки и малые водотоки с точки зрения практических нужд повседневной жизни: водоснабжение, орошение, торговые пути, место отдыха. Несомненно, и первобытный человек в своих потребностях в воде зависел от рек и озер. Даже сейчас 75% воды, потребляемой в США, поступает из рек и озер и лишь на 25% используются грунтовые воды. Подобным же образом тысячелетиями реки давали воду для орошения или служили торговыми путями. Но сейчас, размышляя о динамике и истории Земли, мы рассматриваем водотоки в более широком смысле. Водотоки (совместно со склоновыми процессами) - главные агенты, формирующие ландшафт, они прорезают долины и оставляют между ними возвышенности. Хотя в некоторых пустынях нагромождения песчаных дюн созданы ветром, большинство пустынь мира характеризуется хорошо выраженными долинами. Это показывает, что даже в пустынях формирование поверхности осуществляется в основном водотоками. Некоторые области, в особенности в Северной Америке и Европе, во время последнего оледенения были обработаны ледниками. Но гораздо большая часть суши представляет собой закономерное чередование долин и возвышенностей, безошибочный признак деятельности водотоков.
Кроме того, реки являются основным путем выноса материала горных пород с суши в море. Они представляют важное звено в круговороте горных пород, звено, по которому поступает материал для образования осадочных пород.
Литература
Gilbert G. К.. 1886, The inculcation of the scientific method by example: \"American Jour. Sci.\", v. 31. p. 284-299. (Reprinted, p. 24-32 in Cloud. Preston, ed., 1970, Adventures in Earth history: W. H. Freeman and Company, San Francisco.)
Hubbert M. K., 1967. Critique of the Principle of Uniformity: p. 3-33 in С. C. Albrit-ton. Jr., ed., Geol. Soc. America Special Paper 89. (Reprinted, p. 33-50 in Cloud, Preston, ed., 1970, Adventures in Earth history: W. H. Freeman and Company, San Francisco.)
Lоngwell C. R., Flint R. F., Sanders J. E., 1969, Physical geology; John Wiley 8c Sons, New York. p. 135-313. Mather K. F., 1964, The Earth beneath us: Random House, New York.
Глава пятая. Океан: берега и рост континентов
Речные наносы поступают в море
В четвертой главе мы проследили путь наносов через континент, вниз по реке к океану. Попав в океан, речные наносы смешиваются с другими, образующимися при размыве береговых скал волнами. Эта смесь сортируется, распространяется по определенной площади и отлагается в виде слоев. Поняв, как это происходит, мы можем сравнивать слои, которые сейчас образуются на морском дне, с древними пластами морских осадочных пород и таким образом представить себе обстановку, в которой образовались древние отложения. Лучше всего начать с рассмотрения речных наносов, иногда образующих дельты в устьях рек. Скорость течения речной воды, когда она смешивается с водами океана, становится все медленнее и медленнее, а наносы, содержащиеся в ней, постепенно осаждаются на дне океана. Отлагаются сначала крупные частицы, а затем все более мелкие. Наиболее тонкие частицы, взвешенные в воде, опускаются так медленно, что некоторые из них уносятся очень далеко от суши, прежде чем осесть на дно. Однако частицы пород не обязательно сразу же оседают. На мелководье в прибрежной зоне вода далеко не спокойна. Она постоянно находится в движении; волны и течения подхватывают частицы, оседающие или уже осевшие на дно, и переносят их с одного места на другое. При этих перемещениях продолжается сортировка частиц, помимо той, которая осуществлялась при переносе наносов реками. Как и в русле реки, частицы породы неоднократно вовлекаются в движение и снова отлагаются. Рано или поздно они попадают на такую глубину, где волновые движения не достигают их, и там они отлагаются окончательно. К этому времени частицы очень хорошо отсортированы, равномерно распределены по дну и образуют слои, которые в конце концов станут слоями осадочных пород.
Действие прибоя на береговые скалы
Во время перемещения и переотложения принесенные рекой наносы смешиваются с наносами другого происхождения. Эти последние образуются при размыве горных пород, обнажающихся вдоль берега (рис. 15). Породы подвергаются воздействию прибоя, образующегося, когда волна разбивается о берег. Сила ударов прибоя о скалы, особенно во время штормов, может измеряться десятками тонн на квадратный метр. Эта сила сжимает воздух, находящийся в трешинах, и скальная порода раскалывается. Рыхлые отложения, не обладающие такой прочностью, не требуют столь сильного воздействия, они просто смываются. Подрезая и размывая породы, прибой врезается в берег, как пила, врезающаяся в стоящее дерево. Дерево в результате этого в конце концов падает. Породы же, слагающие берег, обваливаются по частям, по мере того как прибой подрезает их на уровне моря, оставляя обрыв нависающим без опоры. Из этих обвалившихся обломков породы начинает образовываться пляж. Набегающие и откатывающиеся волны двигают частицы обвалившихся пород взад и вперед, причем в результате постоянных ударов и трения друг о друга обломки становятся все меньше и меньше и приобретают гладкую окатанную поверхность. Рано или поздно даже самые крупные (первоначально неподвижные) обломки истираются песком и галькой до такого размера, что во время сильных штормов начинают слегка перемещаться. С этого момента измельчение их путем истирания или дробления до такой степени, что они становятся легко подвижными, - вопрос времени. После этого они смешиваются с прочими частицами на пляже, которые движутся то назад, то вперед.
Рис 15. Прибой воздействует на береговые скалы, \'подрезая\' их и измельчая обломки. Обломочный материал перемещается постепенно дальше в море, в направлении, показанном стрелкой
В каком направлении движется эта процессия частиц? За длительный промежуток времени осадки смещаются в море. Пляж представляет собой обширный, но тонкий покров осадков, который начинается у подножия берегового уступа и продолжается в море до линии, на которой происходит опрокидывание волн, образующих прибой и воздействующих на дно на всем своем пути к берегу. Отложения пляжа становятся более тонкообломочными в сторону моря. На многих пляжах у подножия уступа находятся галька и валуны, сменяющиеся в направлении к морю песком. По мере увеличения глубин энергия прибоя убывает, а с ней убывает и максимальный размер частиц, которые могут перемещаться прибоем. Тонкие - илистые и глинистые - частицы остаются взвешенными, пока не осаждаются в более глубокой воде за пределами действия разбивающихся волн. Это другой пример сортировки осадков природными силами. Подобно отложениям в русле реки, которые постепенно измельчаются вниз по течению, отложения пляжа становятся более тонкими в сторону моря. Такая сортировка, сохраняющаяся, конечно, и в пластах осадочных пород, дает нам ключ к определению направления, в котором текли древние реки, и положения древних побережий.
Степень сортировки и окатанности песка и гальки на пляже и в донных отложениях за пределами пляжа очень велика. Причиной этого является главным образом то обстоятельство, что прежде, чем достичь места окончательного отложения, частицы неоднократно перемещаются, и не только вперед и назад в полосе прибоя, но также и вдоль берега. Волны, направление которых зависит от направления ветра, редко движутся строго перпендикулярно берегу. Обычно прибой подходит к берегу под углом. Каждая песчинка и галька в прибое выносится волной на берег по косой траектории. Но когда волна отступает, частица откатывается в море по наиболее прямому пути, перпендикулярно берегу. Таким образом частицы осадков в прибое движутся вдоль берега иногда на многие километры, зигзагообразно перемещаясь каждой набегающей и откатывающейся волной (фото 7). Если меняется ветер и волны начинают подходить к берегу под другим углом, осадки могут перемещаться в обратном направлении. Такая система представляет собой огромную мельницу, измельчающую песчинки и все более окатывающую их.
Фото 7. Прибой на пляже Калифорнии, севернее Сан-Франциско. Пунктирной линией со стрелками показан в обобщенном виде зигзагообразный путь песчинки, движущейся вдоль пляжа в сторону наблюдателя
Сортировка, которая происходит далее в море, подобна сортировке, происходящей в дельте. Она зависит главным образом от глубины и отчасти является причиной того, почему песчаники, алевролиты и аргиллиты хорошо отделяются друг от друга во многих разрезах осадочных пород.
Осадки на дне глубокого моря
До сих пор мы ничего не говорили о том, насколько далеко в море уносятся продукты размыва суши, принесенные реками или созданные прибоем. Однако вопрос этот важен для понимания истории осадочных пластов, накопившихся на дне моря. Решить его можно, взяв образцы донных отложений на различном расстоянии от суши и затем сравнив их между собой.
Тщательное опробование таких отложений влечет множество технических трудностей. Нелегко получить цельный образец грунта со дна, из-под огромной толщи воды. Только в последние десятилетия методика донного опробования была развита настолько, что позволила получить довольно хорошее представление не только о самом дне, но и о подстилающих его отложениях. На рисунке 16 показано различие между континентальными шельфами, на которых глубина воды в среднем не превышает 200 метров, и глубоководными участками дна, где глубина в среднем равна 3,8 километра, а местами составляет до 11 километров. Эти две разные области имеют и различную историю. Мы рассмотрим их по отдельности, начиная с отложений.
Глубоководная область океана по площади в пять раз больше всех шельфов, вместе взятых. Многое из того, что сейчас известно об отложениях на этих огромных глубинах, мы узнали только после 1950 г (Еще позже началось бурение дна океана, производимое с судна США \"Гломар Челенджер\". - Прим. ред). В это время во всем мире начала проводиться обширная международная программа изучения дна океана. Донные отложения слоисты, некоторые образцы содержат слои, представляющие собой результат непрерывного накопления осадков в течение десятков тысяч лет геологического времени.
Рис. 16. Континентальные шельфы (показаны черным), если взять их все вместе, увеличивают площадь континентов примерно на 10%. Карта составлена в необычной проекции, чтобы избежать искажений площади континентов и шельфов. Все они показаны почти в одном масштабе (шельфы нанесены по данным Менарда и Смита, 1966)
После высушивания керн разделяется на тонкие срезы для изучения под микроскопом. Под большим увеличением можно видеть, что осадок состоит из скопления отдельных разнообразных частиц. Произведя их классификацию и выделив три различные группы, можно установить источник и способ образования осадков. Первая группа, наибольшая по объему, состоит из крохотных раковин и скелетов морских животных и растений, представляя огромное количество ископаемых остатков очень небольшого размера. Очевидно, эти осадки являются \"местными\", образовавшимися в самом океане. Многие раковины состоят из минерала кальцита (СаСО3). Кальций, входящий в его состав, имеет долгую историю. Он является продуктом химического выветривания горных пород на континентах. Раствор кальция в грунтовых водах просачивается в реки и выносится ими в море. Там его извлекают из воды мелкие морские организмы и соединяют с углеродом и кислородом, растворенными в морской воде в виде двуокиси углерода. Из этого соединения - кальцита - организмы строят свои панцири.
Другая группа тонких частиц по происхождению чужда океану; она принесена с суши. Эти частицы имеют различное происхождение. Среди них есть глинистые минералы, образованные при выветривании полевых шпатов и других минералов на поверхности континентов и затем вынесенные в море реками. Их частицы настолько малы, что, прежде чем попасть в виде отложений на дно, они уносятся далеко от суши, на которой образовались. Другие глинистые частицы, тоже являющиеся продуктами выветривания, были подхвачены ветром на сухих участках и принесены им в море, где они упали в воду и медленно опустились на дно. Некоторые тонкие частицы были выброшены в воздух при извержении вулканов и в конце концов достигли дна моря. Они, конечно, не являются продуктами выветривания. Это \"новые\" минералы, образовавшиеся непосредственно из магмы.
Таким образом, вторая группа морских донных осадков образовалась на континентах и затем была вынесена в море по рекам или попала в него через атмосферу. Третья группа, незначительная по количеству, состоит из мельчайших частиц, которые попадают в атмосферу Земли в виде метеоритов и в конце концов падают в океан. Они чужды Земле и попадают на нее из космического пространства.
Отложения континентальных шельфов
После того как мы произвели опробование отложений в глубинах океана и разобрались в том, из каких частей они состоят, мы можем обратиться к континентальным шельфам.
Пробы шельфовых отложений более разнообразны. Мы располагаем не только образцами с поверхности шельфа, но также данными буровых скважин, проникших глубоко в толщу его пород. Как поверхностные пробы, так и образцы с глубины свидетельствуют о том, что шельф не похож на дно океана. Шельф слагается в основном слоями песка, ила и глины или их сцементированных аналогов - песчаника, алевролита, аргиллита (Отложения шельфа часто нефтеносны. - Прим. ред). Таким образом, часть осадков еще не сцементирована, а часть представляет собой осадочные породы. Почти все эти осадки образовались на континентах в ходе различных процессов выветривания и были перенесены, главным образом реками, на мелководье в пределах шельфов. Здесь сравнительно крупные и потому довольно тяжелые частицы осадков вскоре оседали на дно. Это происходит сейчас и происходило в прошлом, как свидетельствуют пласты, залегающие под поверхностью шельфа. Мы видим, что в настоящее время, как и в прошлом, осадки, выносящиеся реками в море, оседают на континентальных шельфах, за исключением небольшой доли наиболее тонких частиц, которые достигают глубоководных областей. Таким образом, хотя реки - это, безусловно, основные пути переноса осадков с континентов в океан, они не могут уносить отложения далеко от берегов континентов. Поэтому, когда континент размывается, продукты его размыва уносятся реками и образуют шлейф, окаймляющий массив суши. Эти отложения участвуют в формировании шельфов и постепенно увеличивают площадь континента.
Как растет шельф
Мы можем получить более отчетливое представление о том, как разрастаются шельфы, на примере части Атлантического шельфа Северной Америки, лежащей у берегов штата Северная Каролина. Мы располагаем необычайно богатой информацией о строении этого шельфа, полученной геофизическими исследованиями и глубинным бурением при поисках нефти и газа.
На рисунке 17 можно видеть морские отложения, окаймляющие побережье и подстилающие его. Такие отложения достигают местами 3,2 километра, мощности, однако при детальном изучении выявлены такие их физические свойства, которые присущи мелководным отложениям, и комплекс ископаемых организмов, обитавших на мелководье. Эти слои не могли образоваться на глубине более трех километров. Но тогда как же могли накопиться такие мощные слои? Эта задача может быть решена, если мы предположим, что земная кора вдоль континентальной окраины медленно прогибалась одновременно с накоплением слоев осадков. В этом случае совсем не обязательно, чтобы в какой-либо момент глубина была особенно большой. Таблица 1 показывает, что прогибание, если оно имело место, должно было быть очень медленным. Мы можем судить об этом потому, что меловой период, в течение которого отложилась большая часть осадков, длился более 80 миллионов лет. Залегающие выше кайнозойские слои маломощны по -сравнению с нижележащими. Представляется вероятным, что прогибание и накопление осадков в основном происходило ранее образования позднейших кайнозойских слоев. Если мы предположим (в соответствии с изображенной на рис. 17 картиной), что трехкилометровая толща отложений накопилась за 80 миллионов лет, то средняя скорость прогибания составит немногим более одного миллиметра за 30 лет. С точки зрения человека скорость накопления около 2,5 миллиметра за время жизни одного поколения представляется ничтожной. Но в геологических масштабах времени накапливающиеся отложения очень скоро становятся мощными и тяжелыми, и это влечет за собой важные последствия. Особенно значим вес этих огромных масс породы. Он вызывает прогибание шельфа, что создает условия для накопления сверху новых толщ отложений.
Рис. 17. Прибрежная равнина и континентальный шельф в Северной Каролине, которые сложены кайнозойскими, меловыми и более древними отложениями, накапливавшимися в мелководном (шельфовом) море. Ниже этих слоев, постепенно погружавшихся и достигших большой мощности, залегают палеозойский и более древние метаморфические породы. Отметьте сходство с рисунком 14. Накопление осадков на шельфах увеличивает площадь континентов
Кроме того, на некоторых участках побережья (не показанных на рис. 17) слои, слагающие шельф, изогнуты таким образом, что создают длинные узкие впадины, параллельные берегу. Эти впадины служат как бы ловушками, в которых скапливаются более молодые осадки. Существование впадин является еще одной причиной того, почему большая часть продуктов разрушения континентов отлагается вблизи материковых окраин, а не уносится дальше в океан. Действительно, по данным расчетов, около 9/10 всех осадков, поступающих с суши, отлагается на континентальных шельфах или их внешних склонах. Только 1/10 часть осадков представляет настолько мелкие частицы, что они уносятся дальше и отлагаются в глубоководных областях дна океана.
Таким образом, очевидно, что отложения, которые сносятся с континента, осаждаются вокруг континентальных окраин и образуют своего рода платформы, которые постепенно надстраивают внешнюю часть материка. Объем их огромен. Общая площадь шельфов во всем мире составляет в настоящее время около 57% общей площади материков. Но далеко не вся толща материала, слагающего шельфы, заслуживает названия \"осадков\". Значительная часть его уже преобразована в осадочные породы. Это преобразование явилось в основном результатом воздействия медленно циркулирующих грунтовых вод, постепенно отлагавших в порах между частицами осадка цементирующее вещество. Со временем другие процессы поднимут \"новые\" пласты осадочных пород и сделают их частью собственно континента.
Однако на этом история роста континентов далеко не заканчивается. Новообразованные пласты становятся частью суши и подвергаются разрушительному действию эрозии. При этом продукты эрозии неизбежно будут снова выноситься в море и создавать новый шельф. Мы можем с некоторой уверенностью предсказать это, так как имеющиеся данные показывают, что подобные условия неоднократно были в прошлом. Большая часть морских осадочных пластов, которые мы сейчас находим на континентах, представляет собой мелководные осадки, накапливающиеся на глубине до 200 метров, а не такие, какие мы находим на дне океана на больших глубинах. Размер частиц осадков, особенности слоистости, а также ископаемые остатки, содержащиеся в осадках, - все свидетельствует об одном и том же. Мы имеем дело главным образом с мелководными морскими отложениями, накопившимися или на шельфе у окраины континента, или в ложбинах и впадинах во внутренней части континента.
Рис. 18. Возраст гранитных и метаморфических пород, определенный радиометрическими методами, позволяет выделить в Северной Америке три геологические провинции, последовательно образовавшиеся и в плане образующие концентрический рисунок. Условные обозначения: 3 - моложе 600 миллионов лет; 2 - от 1 до 2,5 миллиарда лет; 1 - старше 2,5 миллиарда лет
Это означает, что ббльшая часть материала горных пород снова вовлекается в кругооборот, не попадая в сферу воздействия больших глубин океана. Действительно, в течение миллиардов лет континенты, по-видимому, надстраиваются путем аккумуляции по мере того, как накопившиеся осадки, преобразованные в породы, включаются в состав континента. Но эти \"новые\" породы по большей части представлены материалом шельфа, состоящим из уплотненных наносов, образовавшихся при размыве самого континента. Таким образом, континент до некоторой степени надстраивается и расширяется частично за счет продуктов своего же разрушения.