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

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

 

Главные персонажи

Как и во всяком другом сообществе, среди осадочных частиц очевидно отчетливое расслоение на классы. В данном случае речь идет о классах гранулометрических, выделяемых в соответствии с размерами частиц. На вершине пирамиды находятся самые весомые в прямом смысле этого слова члены сообщества — валуны, гольцы и блоки древних пород, иногда имеющие весьма впечатляющие размеры (десятки метров в поперечнике). В отличие от валунов блоки характеризуются неокатанной формой, резкими очертаниями, обилием трещин. В геологической литературе их называют олистолитами. Такая «частица» может весить несколько десятков тонн, она способна перегородить русло небольшого горного потока. Именно горного, так как встречаются подобные образования почти исключительно в горах, недалеко от обнажений горных пород — уступов, от которых они оторвались, съехав вниз по склону.

Валуны — гиганты в мире осадочных частиц. Их размеры меняются в пределах от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров. Контуры валунов не так резки и прямолинейны, хотя и у них можно заметить много выступов и острых углов, говорящих о «сильном характере». Они способны противостоять стихиям, и за ними часто скапливается более мелкий материал: гальки, гравий, песок. Валунов особенно много в горной местности, где они катились по склонам и вдоль русел горных рек. В последнем случае они перемещались под давлением мощных водных струй во время паводков. Валуны рассеяны и по северным равнинам, куда их занесли грозные плейстоценовые ледники.

Ступенью пониже на иерархической лестнице располагаются галька, дресва и просто камни. Они составляют класс частиц с размерами от 2 до 30 см по длинной оси. Камни выглядят настоящими увальнями по сравнению с изящной галькой. Пожалуй, это цвет общества осадочных частиц. Округлая эллипсоидальная форма, гладкая поверхность, на которой зачастую проявляются сложные узоры (элементы внутреннего строения материнской породы), разнообразие окраски — свидетельства бурно прожитой жизни. Гальку точила речная вода, били морские волны. Они терлись одна о другую. Полная опасностей судьба вынесла многие из них на берег моря, где под скалистыми уступами гальки выстилают неширокие пляжи и недовольно ропщут, когда большая волна, обрушившись на берег, начинает катить и сдвигать их сначала в сторону суши, а затем обратно к урезу воды. В штормовой день за воем ветра и ударами наката слышится их возмущенный говор. Гальки словно спорят друг с другом, кому занять место подальше и повыше на пляже. Главное — не оказаться у уреза воды и глубже, где неумолимая волна будет швырять их туда и обратно, пока не изотрет в порошок или до гравия, переведя их в разряд более мелких частиц, иначе говоря вырвав из «светского» круга.

Галька речная отличается от морской на первый взгляд не очень существенно. Она также округла и выглажена, имеет разноцветный наряд, но… толстовата и в силу этого неповоротлива. Да и окружение у нее не самое приятное — грубые валуны да камни, которым еще предстоит после долгих столетий шлифовки превратиться в гальку.

Гравийные зерна в мире обломочных частиц — это своего рода слой разночинцев. Они почти всегда сопровождают гальку или находятся невдалеке от нее. В просторечье гравием часто именуют мелкообломочную разнокалиберную массу, отличающуюся угловатыми очертаниями отдельных обломков. На самом деле это щебень, соответствующий по размерам мелкой гальке. К гравийным же относятся зерна и обломки строго определенной величины — от 1 до 10 мм. Гравий чаще всего представлен обломками разнообразных горных пород, слабо окатан, имеет угловатые или округлые очертания, а также зализанные углы. Он обычно встречается в руслах и по берегам рек, там, где сильное течение уносит более мелкие частицы. Им сложены и многие пляжи или же те их участки, которые находятся в волноприбойной зоне. Если галька скрежещет, то гравий шелестит под ударами волн, словно листья на сильном ветру. Этот шелест вписывается в многоголосый оркестр прибоя. Похоже, гравийные зерна «вспоминают» о том времени, когда они были галькой. В строго упорядоченном сообществе обломочных частиц очень легко оказаться в более низком на иерархической лестнице классе.

Подняться же «наверх», увы, нельзя. Хотя как мы увидим дальше, возможны варианты.

Гравийные зерна не обладают заносчивым нравом. Они часто находятся в гуще «народа», особенно же тяготеют к обществу песчаных частиц. Это класс ремесленников, солдат и купцов — наиболее «предприимчивых» индивидуумов, легких на подъем и неутомимых. Именно песок, поднятый сильным ветром, обтачивает скалы. Им сложены береговые дюны и барханы в пустыне, медленно движущиеся, будто римские когорты, по «чужой» территории. Они засыпают водоемы и оазисы, срезают провода, иссушают землю. Остановить их может только растительность, успевшая пустить на гребне дюны глубокие корни. Песчинки — это солдаты пустыни. Не менее опасны они на дне морском, где, вымываемые подводными течениями из-под бетонных опор, они становятся причиной катастроф с морскими буровыми платформами. Песчаный материал в составе мощного гравитационного потока на континентальном склоне рвет подводные телефонные и телеграфные кабели, а на шельфе сметает или засыпает различные научные приборы, установленные на дне.

Эта «воинственность» обусловлена свойствами песчаных частиц, прежде всего их устойчивостью к истиранию и малым весом. Последнее обстоятельство делает возможным их перемещение не только волоком, как большинство других крупных частиц, но и в виде взвеси. Другими словами, они поднимаются потоком над ложем, на короткое время оказываясь взвешенными в воде. Им доступен и совсем уже экзотический способ перемещения — сальтация: песчинки как бы совершают небольшие прыжки после соударения. Сальтация возможна как в воздушной, так и в водной среде. Сальтирующие частицы создают ковер летящих зерен, способных покрыть значительные расстояния. От таких прыжков, вызванных соударением, на поверхности песчаных зерен появляются вмятины и дырочки. Однако разглядеть их удается только в поле сканирующего электронного микроскопа. Ведь размерность песчаных зерен от 0,1 до 1 мм, и требуются большие увеличения, чтобы исследовать их поверхность.

Пески разнообразны по составу. Наиболее частым их компонентом является кварц — удивительно стойкий в условиях земной поверхности минерал, выдерживающий воздействие как физических, так и химических факторов выветривания. Прозрачные и полупрозрачные зерна кварца в поле бинокулярной лупы похожи на кусочки хрусталя. Поверхность многих кварцевых зерен — увлекательный объект исследования. Она хранит шрамы — следы перемещений зерен бурным водным потоком, а также оспины и выемки, оставшиеся от их соударений. Зерна могут носить и своеобразную рубашку из оксидов железа, называемую, как уже говорилось, «пустынным загаром». Другие компоненты, обычные для песка, были описаны выше.

Песчинки, попав в новую для них среду, нередко обретают яркий наряд. Они способны обрастать лептохлоритом — зеленым железистым минералом или одевать черную рубашку, состоящую из вещества фосфатной природы, или пирита. Очень часто песчинки обрастают карбонатом кальция, как бы облачаются в многослойные наряды и переливаются многоцветьем радуги. Размер таких песчинок — их называют оолитами — возрастает в несколько раз. Они даже могут перейти в другой разряд, в класс гравийных частиц.

Однако чаще всего песчаным зернам уготована другая судьба. Истираясь и дробясь в многочисленных столкновениях, они уменьшаются в размерах и опускаются по иерархической лестнице на следующую ступень, в разряд алевритов. Эти частички размером от 0,01 до 0,1 мм обладают другими свойствами и иной судьбой. В сообществе обломочных частиц они никак себя не проявляют. Алевритовые зерна присутствуют в любом осадке, но редко формируют «чистую», т. е. состоящую из частиц только данной размерности, породу. Будучи в примеси, они выполняют роль балласта или наполнителя, забивая крупные поры и мелкие трещины. Они не воители, как песчаные зерна, и не созидатели, каковыми являются глинистые частицы. Однако, собравшись в огромную массу, алеврит способен создавать плодороднейшие почвы — лёссы. На лёссах Великой Китайской равнины зародилась и успешно развивалась одна из древнейших земледельческих цивилизаций мира. Лёссы образуются на границах аридных и гумидных зон в полосе полупустынь, куда выносится ветрами, дующими из соседней пустыни, алевритовый материал — тончайшие зерна кварца, полевых шпатов и слюд. В условиях активного химического выветривания эти зерна частично разлагаются. При этом высвобождаются химические соединения, благотворно влияющие на рост растений.

Из-за малого веса многим алевритовым частицам уготована судьба скитальцев. Это они во время пыльных бурь в Сахаре переносятся ветрами через Атлантический океан, попадая в специальные ловушки, устанавливаемые на Багамских островах и во Флориде. Поднявшись в верхние слои воздушной оболочки, алевритовые частицы вместе с тропосферными вихрями огибают по нескольку раз земной шар. Наряду с тонкой пелитовой взвесью они находятся в составе нефелоидных обвалов в водной толще океана, а у его дна их переносят мутьевые и придонные течения на огромные расстояния. Алеврит заполняет мелкие промоины и бороздины на дне либо образует аккумулятивные валы на границе континентального подножия с абиссальными равнинами океана.

Странная судьба у алеврита. Он может измельчиться до состояния крупного пелита, а затем и вовсе исчезнуть. Большинство алевритовых зерен разлагается, давая начало простейшим химическим соединениям: SiO2, AI2O3, FeO3 и др. А уже из них образуются частицы, составляющие последний и самый многочисленный класс — пелиты (‹0,01 мм) которые в группе обломочных частиц, по-видимому, на 90 % представлены агрегатами глинистых минералов.

Если сравнивать гранулометрические классы осадочных частиц с ранними людскими сообществами, то пелитовые частицы, лежащие в основании гранулометрической пирамиды, можно сопоставить с самым многочисленным их пластом — классом земледельцев. И в этом есть глубокий смысл: ведь глинистое тонкодисперсное вещество составляет каркас разнообразных почв. Глинистые чешуйки вездесущи. Они встречаются во всех обстановках — в воде, в воздухе и на дне океана. В отличие от алевритовых и других обломочных частиц, никак не сцепливающихся друг с другом, чешуйки глин способны слипаться и образовывать более крупные агрегаты. Таким образом они лучше противостоят воздействию различных механических и химических агентов.

 

Другие персонажи

В природе распространены не только обломочные частицы. Другая, самая разнообразная их группа порождена жизнью. Многообразие ее форм находит отражение в структуре этой группы. В нее входят карбонатные, кремнистые и углеродистые остатки различных организмов, живших в разных средах — на поверхности суши, в реках, озерах, болотах, морях, в различных зонах океана. При этом карбонатные и кремнистые остатки имеют для геолога особую значимость, так как в них фиксируются прижизненные черты обитавших в ту или иную эпоху животных и микроорганизмов.

Органический мир находится в непрерывном развитии, и новые формы в меняющихся условиях среды обитания вытесняли (и вытесняют сейчас) архаичные и нежизнеспособные виды, постепенно, а то и очень резко изменяя облик био- и танатоценозов. Однако и новые формы не вечны. С течением времени они также сходят со сцены, оставляя как память о себе раковины, скелетные фрагменты минерального каркаса, прижизненные отпечатки в осадочных породах. Наиболее характерные из подобных остатков становятся символами временного интервала, в котором жили их хозяева.

Впрочем, хорошо сохранившиеся палеонтологические остатки — символы или «метки» своего времени, встречаясь в изобилии в одних слоях осадочного разреза, зачастую совершенно отсутствуют в других. Хороший образец древней фауны сродни княжескому захоронению в степном кургане: оно одно на тысячи других, безвестных могил. Так же обстоит дело с остатками карбонатстроящих и других древних организмов. Огромные их массы, скопившиеся на ограниченном пространстве, могут в силу плохой сохранности не нести значительной научной информации. Однако ими сложены пласты и толщи органогенных пород, которые скрыты в недрах осадочных бассейнов либо выступают в виде горных хребтов. Они интересны тем, что способны вмещать залежи фосфоритов и бокситов, различных металлов, а главное, скопления нефти и газа.

Жизнь пронизывает всю поверхностную оболочку Земли. Здесь также выстраивается своя пирамида. В водной среде в ее основании находятся мельчайшие фотосинтезирующие организмы (планктон), защищающие свои тела кремнистой или карбонатной оболочкой. Именно их остатки микронных и субмикронных размеров, попадающие в алевритовую и пелитовую фракции, составляют основную массу органогенных частиц, взвешенных в водной толще морей и океанов. Они либо растворяются при опускании на дно, либо образуют рыхлые осадки.

Поражают многообразие форм, неистощимость выдумки природы. Рассмотрим для примера группу диатомей и радиолярий. Эти мельчайшие кремнестроящие организмы обитают в поверхностных водах не только океана, но и пресноводных озер, осолоненных лагун, других водоемов. Некоторые из них можно встретить даже в поде одиноких колодцев, разбросанных в пустыне: идеальные сферы с шиповидными отростками, изящные рюмочки, перевернутые ножкой вверх, разнообразные шлемы и кубки, мыльницы и т. д. Эти формы позволяют их владельцам выжить в конкурентной борьбе за пищу и пространство. Не менее удачным дизайном отличаются те многокомнатные плавающие «квартиры» фораминифер, которые они строят в течение всей своей жизни, предпочитая кремнезему карбонатный материал. В этом микромире есть свои карлики и настоящие гиганты. К числу последних можно отнести птеропод, чьи арагонитовые раковинки с игольчатыми выступами, напоминающими антенны, видны невооруженным глазом. Птероподы — типичные обитатели средиземноморских карбонатных илов (их размер от 0,3 до 1 см).

Далекие предки фораминифер — швагерины были еще более искусными строителями. Если раковины современных глобигерин и глобороталий можно сравнить с космическим модулем, к которому «пристыкованы» различной величины жилые отсеки, то швагерины создавали многокамерные диски. В них верхние ряды наслаиваются на нижние и являются одновременно их продолжением наподобие свернутой кинопленки. Подобные образования, плававшие в морской воде, были похожи на космические станции будущего, как их представляют писатели-фантасты.

Однако не только (и не столько) остатки этих гигантов микромира слагают массу тонкозернистых карбонатных отложений, например пласты обыкновенного мела. Как показали исследования в поле электронного сканирующего микроскопа, внедренного не так давно в научную практику, они состоят из фрагментов мельчайших растений, объединенных в группу нанопланктона. Это кокколитофориды — крошечные существа, не способные слепить раковинку и защищающие себя с помощью отдельных кальцитовых дисков. Последние скрепляются органическими молекулами в единое целое. В группу нанопланктона входят и организмы, предпочитающие использовать кремнезем для построения внутреннего каркаса. Он обычно представляет собой кольцо с перекладинами разного вида. Вокруг кольца располагается водорослевая клетка с нитевидными выступами для перемещения в водной среде. Благодаря нитевидным отросткам и кремневому каркасу эти организмы были названы силикофлагсллятами. В нанопланктон включают также динофлагелляты и перидинисвые водоросли.

Естественно, на дно попадают только устойчивые фрагменты организмов, которые в условиях малого поступления с континента или островов обломочного материала становятся ведущими компонентами донных осадков. По размерам остатки нанопланктона соответствуют тонкому пелиту, т. е. в гранулометрическом отношении принадлежат к тому же классу, что и глинистые частицы. Панцири диатомовых и перидиниевых водорослей и раковинки мелких фораминифер примерно на порядок-два крупнее, а многие фораминиферы обладают размерами песчинок. В тех частях моря, где происходит дифференциация осадочного материала по крупности, они, как правило, встречаются вместе с терригенным песком. В то же время тонкие органогенные частицы распространяются и оседают вместе с чешуйками глин.

Зоопланктон и рыбы, питающиеся фитопланктоном, а также другие рыбы и кальмары, живущие за счет зоопланктона и мелкой рыбешки, сохраняются чаще всего в виде отпечатков в породах, редко можно найти части скелета (например, зубы акул). Мезозойские родственники кальмаров — белемниты являлись одной из широко распространенных в юрское и меловое время групп морских организмов. Она хорошо изучена благодаря особому кальцитовому ростру — элементу хвостовой части организма, часто сохраняющемуся в окаменелом состоянии. По их находкам устанавливается возраст вмещающих отложений.

Широко распространены и бентосные, т. е. живущие на дне, организмы: моллюски, мшанки, известь выделяющие водоросли, морские ежи и лилии, кораллы, полихеты и др. У большинства из них тело защищено наружными известковыми покровами, другие имеют внутренний карбонатный скелет, у третьих (водорослей) метаболизм сопровождается выделениями извести. После гибели организмов минеральные форменные элементы оставались на дне, где при благоприятных условиях накапливались огромные массы карбонатных остатков, которыми сложены пласты и мощные толщи известняков.

Бентосом особенно плотно населен шельф — затопленный морскими водами край континента, и прежде всего его прибрежная зона с глубинами дна до 60–70 м. Это область с активным гидродинамическим режимом, где действуют штормовые волны, океанская зыбь, приливно-отливные и разрывные течения. Все они воздействуют на донные осадки, перемещая отдельные его компоненты. Особенно велика роль штормовых волн и зыби, разрушающих и перетирающих в зоне прибоя огромные массы крупнозернистого материала, в том числе раковины, кусочки кораллов и др. Образующиеся при этом разнокалиберные обломки раковин и другие фрагменты организмов получили название органогенного детрита. В количественном отношении детрит обычно преобладает над целыми, с ненарушенной структурой, скелетными остатками, хотя такие устойчивые образования, как коралловые и водорослевые рифы, устричные и другие банки, строматолитовые постройки, как правило, переходят в ископаемое состояние, претерпев лишь частичное разрушение.

Органогенный детрит, имея самые разные размеры, разбивается на те же гранулометрические классы, что и обломочные частицы. Крупные глыбы и отдельные обломки строматолитов или коралловых рифов по форме и размерам нередко соответствуют обычным валунам. Остроугольные обломки, встречающиеся в зоне осушки в лагунах аридных областей, называются интеркластами. Большинство современных органогенных построек сложено пористым, малопрочным материалом. Из них не получается хорошо окатанных, полированных галек. В то же время очень широко распространен карбонатный детрит гравийной и песчаной размерности. Та карбонатная галька, которой изобилуют морские побережья, образовалась из древних плотных и прочных известняков и доломитов, т. е. по своему генезису является обломочной.

Органогенные частицы карбонатного и кремнистого состава не так сильно разнятся по свойствам и поведению в разных средах, как терригенные частицы, о которых говорилось выше. Они сохраняют однородный минеральный и химический состав, попадая в разные гранулометрические фракции. Если обломочные терригенные частицы вездесущи, то органогенный детрит принадлежит водной среде, как и те организмы, производными от которых он является. В основном карбонатный и кремнистый материал «путешествует» водным путем, используя такие транспортные средства, как волны, течения, мутьевые и зерновые потоки.

Существуют, однако, «пассажиры», которые предпочитают воздушный транспорт. Это частицы вулканического происхождения. Они также могут иметь самые разные размеры. При этом самые крупные — глыбы и вулканические бомбы, называемые лапилли, встречаются лишь вокруг жерла вулкана, из которого они были выброшены при извержениях. Это камни неправильной формы со спекшейся ноздреватой поверхностью и застывшие в воздухе сгустки магмы. Для них характерны самые причудливые очертания, черный цвет, оплавленные края, сложная система каверн и канальцев.

Основные продукты извержений — вулканический пепел и пемза могут разноситься на огромные расстояния потоками ветра. Естественно, что большая часть этого вещества оседает в радиусе нескольких десятков — первых сотен километров от вулкана. Однако при некоторых сильнейших извержениях, когда выбросы направлены вверх и не отклоняются ветром, огромные массы тонких частиц поднимаются в верхние слои стратосферы и огибают весь земной шар, сначала в пределах определенной широтной зоны, а затем, распространяясь и над другими районами, от полюса до полюса. Именно таковым было в недавнем прошлом извержение мексиканского вулкана Эль-Чичон, вызвавшее необычные атмосферные явления, похожие на северное сияние, но наблюдались они в средних широтах (в частности, осенью 1984 г. в Париже). Это эксплозивное извержение большой силы привело к изменению в последующие два года климата во многих странах, и прежде всего расположенных в пределах Тихоокеанского кольца.

Пепел — это в основном частички вулканического стекла с размерами от мелкопесчаных до пелитовых. В зависимости от силы вулканического извержения и направления ветра они покрывают черным шлейфом территорию, засыпая посевы, вызывая пожары и гибель людей. Этот воздушный десант опускается и над морем, где вулканические частицы подхватываются волнами, течениями и разносятся наряду с другим материалом, терригенным и органогенным. Большинство частиц вскоре достигает дна, где на огромных пространствах образуется пласт или прослой, датирующий вмещающие осадки.

Таковы три основных источника осадочного материала, из которого построена верхняя оболочка стратисферы, получившая название земной коры. В современных и плейстоценовых рыхлых осадках встречаются и редкие следы космических «пришельцев». Это мелкие, различимые только под электронным сканирующим микроскопом шарики — продукты сгорания в земной атмосфере метеоритов и других мелких небесных тел. Их, как правило, наблюдают при исследовании глубоководных океанических осадков, отличающихся очень низкими скоростями накопления.

 

Время и место действия

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Метод актуализма, или Занавес приподнимается

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

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

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

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

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

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