Великий транспортный конвейер

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

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

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

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

К этому следует добавить примерно 3200·106 т растворенных в водах соединений. Основными поставщиками терригенного осадочного материала в Мировой океан являются реки, стекающие с Азиатского материка (7445·106 т), среди которых выделяются речная система Ганга-Брахмапутры (2177·106 т), Инд (435·106 т), Хуанхэ (1886,9·106 т) и Янцзы (500,8·106 т). Второй по масштабам твердого стока считается крупнейшая река современности Амазонка. В структуре ее выноса общим объемом около 49·107 т/год 95 % составляют частицы алевритовой и пелитовой размерности. Амазонка имеет самый обширный водосборный бассейн, охватывающий Западные, Центральные и Восточные Кордильеры Боливийских и Перуанских Анд, обширные пространства Бразильского и частично Гвианского щитов, а также разделяющих их прогибов, т. е. более трети всей площади Южно-Американского материка. Эта великая транспортная артерия пересекает почти весь континент с запада на восток и выносит за год 3187 км3 воды.

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

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

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

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

 

Пахари Земли

В истории нашей планеты были периоды, когда условия на ее поверхности в высоких и даже умеренных широтах приближались к марсианским. Холод сковывал ледовым панцирем озера и моря, укрощал бег рек, засыпал снегами огромные пространства. Начиналась эпоха оледенений. Горные ледники спускались по речным долинам в предгорья, а на возвышенностях и плоскогорьях возникали ледовые щиты. Отсюда ледники мощными языками распространялись на окрестные низменности, а затем начинали двигаться в более низкие широты, изменяя ландшафты и климат, вытесняя животных и растения из привычных ареалов обитания. Медленным, незаметным для глаза было это движение, не становившееся при этом менее грозным.

Лед, словно гусеницы тяжелого танка, раздавливает подстилающее ложе и выпахивает его, увлекая с собой те ингредиенты, на которые распадается субстрат. Зажатый в лощине или старом речном русле, язык ледника разделяется на несколько твердых потоков, движущихся с разной скоростью. Быстрее перемещается массив льда, находящийся в центре. Медленнее потоки, преодолевающие сопротивление не только снизу, но и сбоку. Благодаря создаваемому льдом давлению не только уносятся слабосвязанные и рыхлые отложения, но и растрескиваются и взламываются прочные кристаллические породы, обломки которых перемещаются ледником на сотни километров. Ледник выпахивает широкую У-образную долину (трог), нередко вычищенную от наносов. Несмотря на перемешивание, между массой льда, находящейся в верхней и нижней частях ледового языка, наиболее нагруженными обломочным материалом (прежде всего валунами, щебнем, дресвой и т. д.) остаются нижние, подошвенные его слои, которыми и производится основная разрушительная работа: выпахивание ложа, раздавливание и перетирание отдельных валунов и обломков. Покрываются трещинками и колются по ним не только крупные камни и гальки, но даже песчаные зерна кварца.

Перемещенный ледником осадочный материал обычно легко узнается по крайней гранулометрической неоднородности, когда вместе оказываются свалены глыбы, валуны и щебень наряду с обломками гравийной и песчаной размерности. Характерны остроугольная и угловатая формы материала, ведь породы распались на ингредиенты, крошась по трещинам. На поверхности особенно крепких обломков, которые волочились по субстрату, можно видеть борозды и штриховку. Тончайшие штришки обнаруживаются даже на песчаных кварцевых зернах, отличающихся к тому же неоднородным погасанием в шлифах, что свидетельствует о раздавленной, трещиноватой внутренней структуре.

Глубоко испещрен шрамами и бороздинами и коренной субстрат, кое-где сохранившийся после таяния ледника.

Плиты докембрийских кристаллических пород, изборожденные позднепалеозойскими ледниками, были обнаружены недавно в южных районах Бразилии, в бассейне реки Парана. Они встречаются и на Балтийском щите, совсем недавно (8–7 тыс. лет назад) освободившемся от льда.

Так как климатические изменения на Земле носят циклический характер, ледники, достигнув определенных размеров, в силу изменившихся условий начинали таять. Все закованные в лед обломки оказывались на земле. Новые языки льда в холодные сезоны поставляли очередные порции обломков. Их масса постепенно росла, особенно в зоне движения наиболее активных ледников. В итоге, когда последние вынуждены были, наконец, отступить, на месте оставались мощные гряды и целые возвышенности, сложенные материалом ледового происхождения. Эти гряды, обозначающие край распространения оледенения, называются конечными моренами. Их много под Москвой, на Валдае, да и во многих других районах Русской равнины. Эти каменистые насыпи, чем-то напоминающие свалки строительного мусора, изначально с трудом заселялись растительностью, так как не были покрыты почвой. Можно предположить, что в первые столетия после начавшегося таяния ледников ландшафты в северных районах Русской равнины могли бы показаться современному человеку совершенно дикими: мертвая каменистая равнина с холмисто-грядовым рельефом и великим множеством крупных и мелких голубых озер в понижениях между моренными грядами. Впрочем, жизнь в конце концов освоила и эти, казавшиеся малопригодными для нее, пространства суши.

Ледники — мощнейший агент выветривания, пахари Земли. В своем равномерном и неторопливом движении они способны разрушить гигантские массивы пород, уничтожить верхний 2-3-километровый слой земной коры. Изучение антарктического ледового щита показало, что в среднем осадочный материал составляет около 1,6 % объема льда. За год в окружающий Антарктиду океан сползает 1000–1500 км3 льда, который в виде полей распространяется над шельфом. Часть льда тает на контакте с морской водой, и осадочные частицы опускаются на дно. Уже в море от этих полей откалываются отдельные льдины и уносятся течениями на значительные расстояния. Это айсберги — гроза кораблей в высоких широтах. Тот осадочный материал, который они заключают, в конечном итоге оказывается на дне глубоководных котловин океана или на вершинах подводных гор. Согласно данным Р. Гаррелса и Ф. Маккензи (1972 г.), только ледниками Антарктиды за год выносится в океан от 1,9 до 2·109 т обломочного вещества. По данным А. П. Лисицына, в процессе ледового и айсбергового разноса в океане садится за год 1,5 млрд т обломочных частиц, или 6,6 % общего выноса с суши.

В арктических широтах, в том числе у берегов Аляски, также образуются поля льдин. В отличие от антарктических льдов они чаще имеют морское происхождение. Кристаллы льда начинают формироваться во время свирепых осенних штормов вследствие резкого выхолаживания воздуха и воды. Штормовые волны, отраженные от берега, выносят много осадочной взвеси. Здесь она схватывается льдом и в конечном итоге включается в состав льдин и ледовых полей. Впоследствии этот материал уносится далеко в море. В данном случае, однако, речь идет о ледовом разносе прибрежных осадков, сложенных частицами, еще раньше вынесенными с суши.

 

В царстве Эола

Пассаты, дующие с континента в сторону океана, — самые устойчивые ветры на Земле. Пока царит пассат, дожди редки. В зоне его господства развивается настоящая пустыня, над которой постоянно висит полог тонких облаков. Пассат отгоняет от берега прогретую у поверхности воду, а на ее место поступает более холодная из глубин. Испаряющаяся влага конденсируется над морем в виде облаков. Однако не только океан влияет на облик пустыни, сама пустыня определенным образом воздействует на океан. Так, пыльные бури, случающиеся в западных районах Сахары, поднимают в воздух огромные массы мелких частиц, которые ветер несет через Атлантический океан на Багамские острова, полуостров Флориду и в Карибское море. Над соседними с Африкой районами Атлантики в это время наблюдается пылевая дымка. Специальные ловушки позволяют захватывать эоловый материал. Наблюдения над пополнением ловушек показали, что пыль, поднятая бурей на одной стороне Атлантики, достигает противоположных ее берегов уже через одни-двое суток. Большая же часть эоловых частиц опускается на поверхность океана и отсюда попадает на дно. За год, по разным оценкам, из Сахары ветром выносится в океан от 60 млн до 200 млн т пыли. Красные или коричневые глубоководные глины, распространенные в абиссальных котловинах аридных зон, могут содержать до 20 % терригенного материала эолового разноса. Это кварц, кристаллики кальцита, кремневые фитолиты, панцири пресноводных диатомей, имеющие тонкоалевритовую и крупнопелитовую размерность (от 2 до 30 мкм).

Согласно подсчетам А. П. Лисицына [1974], ежегодно в результате эолового разноса в океан с суши поступает около 1,6·109 т терригенного материала. Поднимаемые ветром в пустынных и полупустынных районах потоки тонких частиц распространяются в широтном направлении в атмосфере и даже в тропосфере. Тропосферные вихри несутся над землей со скоростью до 500 км/ч и огибают ее многократно, прежде чем тончайшая взвесь опустится вниз. От пустынных побережий к центру океана прослеживается клиновидная полоса осадков, обогащенных эоловой компонентой. Так, от берегов Западной Австралии, где климат имеет резко засушливые черты, в сторону Индийского океана на многие сотни километров простирается шлейф отложений, имеющих во многом эоловое происхождение. Они узнаются по обилию каолинита — глинистого минерала сугубо континентального генезиса. Именно каолинит характерен для кайнозойских кор выветривания, ныне разрушающихся в пустынях Западной Австралии.

Таким образом, царство Эола — древнегреческого бога ветров — не кончается у границ пустыни. Он властвует и над океаном, разгоняя волны, поднимая глубинные воды.

Эоловым процессам принадлежит значительная роль в формировании аккумулятивных побережий. Эоловые дюны, перемещаясь вдоль низменной части берега, создают песчаный барьер на пути распространения волн и приливных течений. Морская вода проникает в низины за этим барьером по отмершим речным руслам, там, где они не перехвачены дюнами. В результате за барьером, получившим название бара, возникает затопляемая равнина, которая заполняется водой во время прилива либо под действием нагонных ветров с моря. Со временем такая равнина может трансформироваться в лагуну.

Другим типом побережий, своим происхождением обязанным эоловым процессам, являются прибрежные себхи, характерные для аридных климатических зон. В районе Умм-Сед на побережье полуострова Катар в Персидском заливе себха протягивается вдоль берега на 49 км. Ее ширина около 7 км. Она образовалась и продолжает расширяться за счет песков эоловых дюн, мигрирующих под действием преобладающих северо-восточных ветров. Часть песка перемывается морскими волнами и разносится течениями вдоль берега К настоящему времени в Умм-Сед сложилась наклоненная к морю песчаная равнина, образованная косослоистыми эоловыми песками (косые слойки падают в сторону моря). Под влиянием нагона равнина время от времени заливается морской водой. Часть воды скатывается через поровые канальцы в песках обратно в море, другая часть испаряется. При этом в порах между песчинками образуются кристаллики гипса. На приподнятых, не заливаемых морской водой участках себхи может аккумулироваться и каменная соль. В отдельных местах себхи Гавиш, расположенной на южном побережье Синайского полуострова, слой соли достигает 20 см. Она образуется в процессе испарения поднимающихся к поверхности соленых грунтовых вод.

 

Послушные власти Селены

Океан дышит. Если понаблюдать сверху за его гладью, то можно увидеть, как 2 раза в сутки в центральных районах она слегка приподнимается (на совсем ничтожную величину), а в промежутках между этими фазами медленно опадает. В такт с этими движениями в прибрежных районах, в основном над широкими шельфами, в момент «вдоха» уровень воды быстро понижается, и происходит отлив, а вместе с «выдохом» вода прибывает, и начинается прилив. Сила, которая приводит в движение поверхность океанских вод, — это притяжение Луны (или Селены — в греч. мифологии богини Луны). Приливные волны возникают во всей толще воды. Однако заметны они только на мелководье, в прибрежных районах океана и окраинных морей, например Охотского. Во внутренних морях приливы и отливы не выражены из-за слишком малой массы воды в этих бассейнах, поэтому они называются бесприливными морями.

На некоторых океанских побережьях масштабы изменений уровня вод в приливно-отливном цикле достигают 10 м и более. Так, в Пенжинской губе на Западной Камчатке (северо-восточный сектор Охотского моря) перепад высот между высшей отметкой прилива и низшей точкой, достигаемой в отлив, составляет почти 12 м. При такой амплитуде приливные и отливные течения превращаются в грозную силу, способную выбросить корабль, слишком близко подошедший к берегу, на скалы или унести в море плохо закрепленный баркас. Как показали расчеты, наибольшего размаха приливно-отливные явления достигают на тех окраинах континентов, в составе которых находится обширная затопляемая материковая отмель: шельф и прибрежная равнина, разделенные низменным побережьем аккумулятивного происхождения. С ним обычно связано множество мелких речных эстуариев, зачастую реликтовых, которые превратились в широкие русла, регулирующие движение приливных и отливных течений. Последние влияют на ритм жизни во всей береговой полосе, включающей сложную систему вдоль береговых островов-баров, затопляемых в приливы равнин и лагун.

Основные формы рельефа, а также седиментационные процессы в береговой зоне почти полностью определяются приливно-отливными явлениями. За вдольбереговыми островами-барами, протяженность которых может меняться в широких пределах (от 10–12 до 60 и даже 200 км), располагается обширная низина, изрезанная сетью мелких и крупных приливных русел (рис. 3). На аэрофотоснимках такая низина напоминает легкое: к морю выходит основной канал, разделяющий два соседних острова-бара. В глубине от него отходят две (или больше) суженные протоки, своего рода трахеи, которые дробятся на все более мелкие и узкие русла. В прилив морская вода заполняет большую часть этих проток и русел, проникая по ним в верхний горизонт осадков. По мере того как уровень моря у побережья начинает падать, вода скатывается из мелких руслиц в более крупные и уже по ним с шумом устремляется в сторону моря, образуя мощный, а нередко и бурный отливный поток.

Рис. 3. Изменения в морфологии баровых островов и систем приливно-отливных русел за последние 200 лет (Восточно-Фризские острова, Северное море) [Fitzgerald, Penland, 1987] I — пляжевые осадки; 2 — подводные аккумулятивные формы; 3 — баровые острова; 4 — приливно-отливная равнина с системами проток и русел; 5 — незатопляемые участки побережья

Постоянная смена воды препятствует возникновению застойных явлений. Вследствие этого приливно-отливная равнина превращается в своеобразный природный питомник, защищенный от неблагоприятных воздействий со стороны океана. В штормовые сезоны лишь самые высокие волны преодолевают гребни песчаных баров, не принося заметного ущерба расположенным за ними низинам. Они лишь разрушают пляж, намытый перед островом в относительно спокойные сезоны. Большая часть низины 2 раза в сутки подпитывается свежей морской водой. Здесь возникают так называемые соляные марши. Низкие марши выступают над средним уровнем морских вод всего на 0,5–1 м. В обычный прилив они заливаются водой и осушаются в отлив. Высокие марши приподняты на высоту 1,5–2 м и более. Приливные воды заполняют их гораздо реже, во время наиболее высоких, или сизигийных, приливов, наблюдающихся примерно раз в две недели. Граница между низкими и высокими маршами обычно прекрасно видна на местности по смене растительности. На низких маршах Атлантического побережья США распространены заросли Thalassia — растения-галофита, развивающегося в соленой морской воде. В мягком илистом грунте, закрепленном корнями трав, обитают разнообразные морские животные: крабы, фораминиферы, мелкие моллюски, морские ежи и др.

Рис. 4. Седиментационные обстановки и различные тины осадков в лагуне Аркашон (Франция) [Fenies, Allen, Faugires, 1986]

Высокие марши заняты травой Spartina. Это тоже галофит, но более стойкий к неблагоприятным засушливым условиям В тропических широтах состав биотопов меняется. Низкие марши заселяются манграми, которые образуют очень плотные заросли. За ними обычно находится надприливная площадка, лишенная растительности. В поровом пространстве осадков благодаря сильному испарению здесь нередко наблюдается выпадение разнообразных минеральных солей — гипса, галита, магнезита и доломита.

Потоки воды, покидающей в отлив забаровые равнины, волокут частицы осадка и раковинки отмерших морских животных. Бурлящий поток не дает им осесть в приливных руслах и обычно выбрасывает за их пределы. Поэтому многие крупные протоки на равнине обвалованы, т. е. вдоль них тянутся невысокие валы, сложенные обычно битой ракушей, а в высоких широтах — песком и гравием терригенного состава, чаще всего материалом, перемытым водными потоками из конечных морен. Часть материала выносится за пределы равнины и отлагается уже на открытом шельфе, близ устья основной, питающей низину протоки. Здесь формируется так называемая отливная дельта.

И все же приливно-отливные равнины являются в целом аккумулятивными образованиями. Как с суши (при ветровом разносе, вместе с дождевыми и талыми водами), так и из океана во время прилива сюда заносится множество тонких осадочных частиц, которые фиксируются между корнями растений-галофитов или в составе невысоких валов. Происходит постепенное нарастание соляных маршей. На них в благоприятные для развития растительности периоды образуются торфяники (рис. 4), а по берегам приливных русел разрастаются аккумулятивные валы, сложенные грубым материалом терригенного и карбонатного состава. Согласно радиоизотопным определениям, в районах, где вмешательство человека в природную экосистему не достигло значительных размеров, соляные марши растут со скоростью 5-13 см/1000 лет. Там же, где крупные приливные русла расширены и углублены для нужд судоходства, процессы эрозии дна доминируют часто над накоплением осадков. При этом зачастую соляные марши разрушаются.

Нередко в глубине приливно-отливной равнины возникает лагуна, окруженная все теми же соляными маршами. В поясе аридного климата осушаемые участки лагун заселены водорослями. Обычно это синезеленые водоросли (цианобактерии), способные выделять карбонат кальция в форме арагонита. Там, где они поселяются, вскоре образуются водорослевые подушки — маты. В разрезе они представляют собой слоистый карбонатный каркас с неравномерно рассеянными по слоям пустотами. Такая текстура получила название слоисто-оконной.

Синезеленые водоросли способны создавать и разнообразные постройки — строматолиты, напоминающие одиночные окаймляющие рифы. По форме и внутренней структуре они мало отличаются от древнейших карбонатных построек, сохранившихся от ранних этапов развития жизни на Земле — докембрия. В настоящее время такие образования обнаружены лишь в двух заливах Западной и Южной Австралии — Шарк и Спенсер. Здесь же известна лагуна Куронг, где в зоне осушки обитают бурые водоросли Botryococcus. Удивительной особенностью этих одноклеточных организмов является способность накапливать в большом количестве жировые вещества, которые позволяют водорослям длительные периоды находиться под лучами палящего солнца. Они выходят из состояния анабиоза лишь после того, как ветры, дующие с моря, пригоняют в лагуну морскую воду. Из погибших клеток Botryococcus, сложенных предельными жирными кислотами, образуется коричневый осадок — сапропель. После погружения в недра и уплотнения он превращается в кеннели или богхеды — жирные угли, являющиеся очень ценным горючим ископаемым.

Мир прибрежных лагун очень разнообразен. Они составляют промежуточное звено между сушей и морем. Вероятнее всего, именно отсюда жизнь, зародившаяся в море, когда-то шагнула на континенты, постепенно приспосабливаясь к распресненной воде и к периодам длительной осушки.

 

Сыновья Геи

Окрестности вулкана — одно из самых красивых и опасных мест на Земле. Застывшие лавовые потоки, следы камнепадов и селей перемежаются с участками, поросшими буйной растительностью, выходами серных источников, озерцами, наполненными безжизненной красноватой или синеватой водой., Над всем этим возвышается величавый конус, устремленный ввысь. Серый, словно закопченный гарью, в высоких и умеренных широтах он покрыт снегами, сквозь которые в небо поднимаются струйки пара.

Самое величественное зрелище поджидает наверху, у края основного кратера вулкана. Здесь в глубине кальдеры мерно вскипает и пузырится красновато-черное варево — магма, источающая ядовитые газы и пар. Вулкан курится, дремлет. Иногда с тяжелым уханьем над кратером взлетает облако раскаленных камней, с гулким треском скатываются они по поверхности застывших лавовых потоков. Но вот вулкан пробуждается, и все живое с трепетом замирает, несется прочь, подальше от оглушительного рева недр, сизого, пропитанного пеплом и серой воздуха, ударов каменных бомб и раскаленных потоков магмы.

Вулканы — это кровоточащие раны Земли. Они вырастают там, где в недрах протекают процессы созидания или уничтожения земной коры. Срединно-океанические хребты, с которыми связано новообразование океанической коры, погружены в большинстве своем в водную пучину. Поэтому происходящее там удается наблюдать только из иллюминаторов обитаемых подводных аппаратов. Впрочем, обзор из них крайне ограничен, исследователь может видеть только локальные события. Вулканизм на океанском дне чаще всего проявляется излияниями базальтовой магмы, которая на контакте с водой быстро охлаждается и затвердевает. Наблюдать момент извержения здесь довольно трудно. Лава распространяется по полым базальтовым трубам, образующимся в результате отвердевания вещества в периферийной части отдельных лавовых струй. Такие пустотелые лавовые подушки покрывают зачастую всю поверхность дна в районах подводных извержений. О недавнем излиянии лавы можно судить главным образом по присутствию свежих базальтов, не прикрытых рыхлыми осадками.

Нередко под сводом срединно-океанического хребта или по периферии трансформных разломов, разбивающих его на отдельные сегменты, вырастают огромные вулканические постройки. Их вершины могут достигнуть поверхности океана за счет частых извержений и активного наращивания конуса. Происходит рождение вулканического острова. Когда сливаются цоколи нескольких вулканов, появляются крупные острова — Вознесения, Реюньон, Пасхи и др. На острове Вознесения находят следы излияний из многих десятков потухших вулканических кратеров.

После прекращения вулканической деятельности остров под воздействием волн и других агентов эрозии постепенно разрушается и погружается под воду. Нередко вокруг вершины вырастают коралловые рифы, образующие после разрушения конуса вулканической постройки кольцевой атолл. Так как океаническая кора очень тонка (всего 5–7 км), она легко проницаема для магматических расплавов. На просторах океанского дна, особенно в Тихом океане, рассеяны десятки тысяч подводных щитовых вулканов. Нередко в так называемых «горячих точках» они группируются в мощные вулканические хребты, протягивающиеся на тысячи километров (например, Гавайский хребет или хребет Лайн). Здесь находятся едва ли не самые грандиозные на Земле вулканы. Так, вулкан Мауна-Лоа на Гавайях вознес свой конус на высоту 4168 м. Если же учесть, что цоколь вулканического сооружения расположен на участке дна с глубинами более 5000 м, то общая высота постройки превышает 9 км. Вулканы, подобные Мауна-Лоа, извергают густую тяжелую лаву и очень редко выбрасывают в атмосферу тучи вулканического пепла. Они никогда не взрываются, что обусловлено высокой вязкостью магмы, имеющей основной состав.

Другое дело вулканы, вырастающие в районах, где происходит поглощение и расплавление океанической коры, т. е. над зонами Беньофа. Одиночные вулканы здесь редки. Обычно они расположены в виде дуги вдоль края континента или образуют гряду островов, получившую название островной вулканической дуги. По форме эти вулканы гораздо стройнее гавайских или им подобных. Отношение высоты к площади конуса у его основания здесь значительно выше, чем для вулканических построек в центральных частях океана. Состав поднимающихся к поверхности магм средний, реже кислый, что определяет эксплозивный, т. е. взрывной, характер извержений. Проснувшись, вулкан выбрасывает в атмосферу тучи пепла, газов и камней, которые создают яркую и страшную картину извержения. Нередко облако пепла поднимается на высоту 7-15 км и рассеивается уже в тропосфере. Подхваченные воздушными вихрями, мельчайшие пепловые частицы проносятся над планетой, постепенно покрывая ее тонким полупрозрачным пологом, препятствующим проникновению солнечных лучей. Следствием подобных катастрофических извержений становятся временные изменения климата в обширных регионах, редкие атмосферные явления вроде северного сияния.

В тех случаях, когда вулканические продукты не достигают тропосферы, они разносятся ветром в полосе шириной в сотни километров, покрывая площади в десятки и сотни тысяч квадратных километров. В составе этих продуктов присутствуют обломки ранее затвердевших вулканических пород — лав, туфов, агломератов; отдельные кристаллы минералов, выделившихся при раскристаллизации магмы (в основном полевые шпаты, пироксены).; вулканическое стекло. Последнее наиболее многочисленно. Это сгустки магмы, которые затвердели так быстро, что не успела сложиться кристаллическая структура образовавшегося вещества. Частички вулканического стекла в шлифах обычно полупрозрачны, имеют зеленую окраску и форму рогулек. Полагают, что они появились в результате разрушения полых сфер, которые возникают при прохождении пузырьков газа через еще горячую лаву.

Опустившись из пепловой тучи на поверхность моря, частицы вскоре оказываются на дне, покрывая тонким слоем вместе с остатками погибших организмов огромные пространства. Входящий в его состав вулканический материал называется тефрой (греч. «пепел»). При прохождении через водную толщу он частично изменяется по химическому составу. Тефра легко узнается среди других осадков благодаря специфической структуре, окраске (чаще всего коричневой или зеленовато-серой) и более высокой плотности. Последняя обусловлена быстрой раскристаллизацией вулканического материала и цементацией его перового пространства. Слой пепла, образовавшийся практически одновременно на огромной площади, является прекрасным маркером, облегчающим синхронизацию прошедших геологических событий. К тому же, используя калий-аргоновый или другие методы абсолютной геохронологии, можно точно датировать время извержения вулкана, с которым связано формирование данного пеплового горизонта. Эти методы широко применяются при изучении третичных и четвертичных отложений в регионах, где в указанное время отмечалась повышенная вулканическая активность.

Подсчитано, что за период с 1500 г. н. э. по настоящее время действовало около 450 вулканов, извергнувших почти 330 км3 вулканических пирокластических продуктов и 50 км3 лавы. Большая часть пеплового материала (310 км3) была выброшена в атмосферу вулканами, образующими островные краевые дуги или приуроченными к активным континентальным окраинам. Именно с вулканами островных дуг чаще всего связаны катастрофические извержения, приводившие к гибели десятков тысяч людей. Подобные извержения могут сопровождаться взрывом и разрушением центрального конуса вулкана. В образовавшуюся после взрыва глубокую кальдеру устремляются огромные массы морской воды, ее заполняющие. Взрыв порождает волну — цунами огромной высоты, которое совершает опустошительные разрушения не только в прилегающих к вулкану районах побережья, но и за тысячи километров от него, иногда на другой стороне океана.

 

Сыпучие «волны» на дне морском

Многое из того, что происходит в пустыне, повторяется на дне морском — с той лишь разницей, что здесь «дуют» другие «ветры», как оказалось, не менее сильные и устойчивые. Роль ветра на дне морском могут играть придонные течения или штормовые волны, действующие в прибрежной части шельфа. Морское дно отнюдь не унылая однообразная равнина. Подводные ландшафты достаточно разнообразны. К тому же их облик может меняться от сезона к сезону, от года к году. Особым непостоянством подводные ландшафты отличаются там, где преобладают сыпучие грунты — пески и алевриты. При этом неважно, какой состав они имеют — терригенный, карбонатный или вулканогенный. Если бы кому-нибудь пришла в голову мысль совершить путешествие по дну морскому, то оно оказалось бы очень увлекательным: разнообразные знаки ряби, гривки как бы застывших песчаных «волн», разделенных ложбинами и желобками, наконец, величественные подводные дюны, гонимые не ветрами, но волнами или течениями. Развитие методов подводного фотографирования и бокового сейсмического зондирования привело к открытию целых полей песчаных валов и гряд. Они выстраиваются в определенном порядке по отношению к береговой линии и меняют ориентацию при перемене направления движущихся к пляжу волн. Больше всего песчаных валов и гряд на глубинах 10–20 м (рис. 5). Отдельные валы, высота которых может достигать 6 м, вытянуты субпараллельно друг другу на расстояние 15–50, а иногда и 200 м. Протяженность песчаных гряд нередко превышает километры. Все они медленно мигрируют вдоль побережья под напором штормовых волн. Это движение ускоряется во время затяжных осенних штормов. Волны и порождаемые ими отливные течения взмучивают песок из ложбин и забрасывают его на гривки валов, откуда он скатывается на противоположный их склон. В результате перемещения песка с одной стороны («подветренной») гребня на другую («наветренную») осуществляется постепенное перемещение вала. При этом в ложбинах остается самый грубый материал, слишком тяжелый и потому слабо взмучиваемый.

Рис. 5. Перенос осадочного материала в береговой зоне и прилегающей части шельфа в различных гидродинамических условиях (Swift, 1975 г.) 1 — баровые пески; 2 — осадки приливно-отливной равнины; 3 — шельфовые наносы; 4 — плейстоценовый субстрат.

Как известно, штормовой режим характерен для умеренных и высоких широт. Поэтому именно здесь, на шельфе, чаще всего попадаются участки дна с застывшими песчаными волнами и обширные поля подводных дюн. Так, они встречаются на атлантическом шельфе США, в Аргентине перед эстуарием Байя-Бланка (провинция Буэнос-Айрес). Гребни подводных дюн, поднимающиеся над окружающим ложем на высоту до 0,6 м, вытянуты в форме дуг поперек эстуария Байя-Бланка. Склоны песчаных волн, обращенные к суше, довольно пологие (около 4°), тогда как со стороны океана они заметно круче (11–16°, иногда даже до 30°). В данном случае форма и размеры подводных дюн определяются скоростью отливных течений. Там, где они стремительнее, подводный вал достигает большей высоты. За год, согласно проведенным измерениям, песчаная «волна» мигрирует примерно на 30 м.

На открытом шельфе промежутки между отдельными песчаными грядами значительно шире, чем в эстуариях, и нередко превышают 2 км. Более тонкий песок аккумулируется здесь на стороне гряды, обращенной к океану.

На участках, где у самого дна действуют слабые, но устойчивые течения, часто наблюдаются эрозионные борозды. Если на пути течения встречается небольшое препятствие, например камень, за ним возникает борозда, напоминающая след метеорита в ночном небе. Это так называемые sole marks — одиночные знаки течений, встречающиеся на дне Северного и Балтийского морей. В зоне действия более сильных течений наблюдаются разнообразные знаки ряби. По мере увеличения скорости движения воды мелкая рябь превращается в мегарябь (крупная рябь с высотой гребней до 60 см и расстоянием между ними от 12 до 15 м), а эта последняя переходит, в свою очередь, в песчаные валы и дюны. Известны также знаки специфической формы, например «хвосты комет» и др.

Совершенно особые образования могут возникать в прибрежной зоне тропических стран. Это так называемые иловые холмы, описанные впервые у побережья Суринама, а затем и у Малабарского берега Индостана в Аравийском море. Их высота обычно превышает 5 м при размерах (50–60)×(10–20) км. Они ориентированы по косой относительно береговой линии, но в то же время вытянуты в своего рода цепочку. Иловые холмы сложены тонкими, в основном глинистыми илами полужидкой консистенции, легко взмучиваемыми при любых движениях в водной среде. Эти подводные отмели играют роль барьеров, принимающих на себя удары океанских волн, под воздействием которых они начинают течь в сторону побережья, где граничат с приливными площадками и мангровыми зарослями. В результате взмучивания концентрация глинистой взвеси в морской воде над иловой банкой может достигать нескольких граммов на литр. Особенно велика она во время прилива и отлива. Подсчитано, что за год вдоль побережья Суринама вместе с иловыми банками перемещается от 15–106 до 65–106 м3 осадков. Можно сказать, что иловые холмы занимают в прибрежной части шельфа тропических стран примерно то же место, что и песчаные подводные «волны» и дюны на шельфах в умеренной зоне. При этом они играют ту же роль, гася частично энергию волн и приливно-отливных течений и защищая таким образом побережье от абразии.

 

Бездонные водовороты и мутьевые облака

Анализ снимков поверхности океана, сделанных со спутников, позволил обнаружить явления, о которых до той поры ученые имели весьма отдаленное представление. Одним из них оказались гигантские водовороты — ринги, наблюдаемые в определенные сезоны. Так, ринги диаметром в несколько километров наблюдались близ южной оконечности Африки, в полосе действия течения Агульяс. Аналогичные образования наблюдались в Северной Атлантике в зоне действия Гольфстрима. Ринги образуются при завихрениях крупных струй поверхностных океанских течений в сезоны, когда происходит заметное ослабление их скорости.

Приборы, установленные на дне глубоководной впадины Сом в районе частого зарождения рингов, зафиксировали значительное и периодическое ускорение движения воды в придонном слое, которое было охарактеризовано как глубоководный шторм. Последние, в частности, наблюдались в осенне-зимний сезон 1985/86 г., когда возросшая гидродинамическая активность у дна продолжалась от 2 до 8 сут. Затем наступала фаза относительного покоя, в течение которого скорость движения воды снижалась до 1–5 см/с. Когда же вновь разыгрывался глубоководный шторм, она возрастала до 10–22 см/с. Было высказано предположение, что зафиксированные у дна аномалии, названные штормами, связаны с образованием на поверхности океана гигантских рингов. «Корни» этих водоворотов захватывают всю толщу воды и ощущаются у самого дна, на глубинах до 5 км и более. Впрочем, описываемые явления еще не получили однозначного толкования, а количество наблюдавшихся подводных штормов пока невелико. Ажиотация воды в придонном слое во время «шторма» приводит к взмучиванию части рыхлого осадка, выстилающего дно. Замеры показали, что концентрация взвеси в двухметровом слое воды над ложем нередко превышала 5000 мг/л. Максимальное содержание взвеси в воде фиксировалось в течение нескольких часов, а общее количество взмученных частиц в расчете на 1 см2 дна достигало 25 тыс. мг/л [Gross et al., 1988].

Выяснилось, что во многих районах океана у дна почти постоянно существует так называемый нефелоидный слой, т. е, слой воды, обогащенный осадочными частицами. Их концентрации здесь на 1–2 порядка выше, чем в остальной водной толще, исключая поверхностный фотический горизонт, в котором сосредоточена большая часть живых существ, главным образом фотосинтезирующих планктонных организмов. Чтобы установить распределение взвешенных частиц, с разных горизонтов (интервалов глубин) отбирают батометрами пробы воды, а затем в лаборатории на борту судна с помощью нефелометра, определяющего степень рассеивания света в среде, оценивают количественное содержание в ней взвеси. Последнюю можно выделить, пропуская воду через фильтры. Это дает возможность исследовать минеральный и химический состав взвешенного материала.

Долговременные наблюдения в океане с использованием специальных седиментационных ловушек, закрепленных на тросе (заякоренном на дне и поддерживаемом в воде с помощью буя), подтвердили существование двух основных нефелоидных слоев — поверхностного и придонного. Облака взвеси в них, однако, распространены отнюдь не равномерно. Как выяснилось, наиболее высокие концентрации взвешенных частиц фиксируются в западных районах Атлантического и Индийского океанов в полосе действия поверхностных пограничных течений — Гольфстрима, Гвианского, Агульянс и Сомалийского. В восточной периферии океанов, находящейся под воздействием пассатов и примыкающей к территориям с засушливым, а то и с сухим, аридным климатом, поверхностный и особенно придонный нефелоидные слои выражены значительно слабее. Облака взвеси, в основном органического генезиса, наблюдаются здесь в полосе устойчивого подъема глубинных вод, или апвеллинга, где происходит бурное цветение фитопланктона. Такие участки в виде отдельных пятен или полос располагаются над шельфом (во внешней его части) и над прилегающими участками континентального склона. Эти «пятна» смещаются во времени, меняют форму, а нередко и рассасываются в периоды ослабления подтока глубинных вод. Однако, когда последний снова возобновляется, концентрации планктона, а вместе с тем и взвеси в воде возрастают на несколько порядков по сравнению с соседними районами океана.

Более детальные исследования последних лет показали, что в составе приповерхностного нефелоидного слоя обособляются области, с которыми связаны устойчивые потоки взвешенных частиц или часто наблюдаемые облака мути. Происхождение некоторых из них до сих пор остается загадкой. Например, к северу от острова Андрос (Багамские острова) в поверхностном водном слое неоднократно отмечалось появление так называемых молочных облаков [Shinn et al., 1989], прекрасно видных на аэрофотоснимках. Размеры этих облаков достигают нескольких десятков километров в диаметре. Исследование проб воды показало, что они образованы тончайшей карбонатной взвесью в концентрациях до 10–20 мг/л. До сих пор трудно определить, связана ли эта муть с эрозией карбонатных отмелей острова Андрос, или речь идет о выделениях кальцита из воды, пересыщенной карбонатом кальция.

Рис. 6. Морское дно на границе шельфа и континентального склона в районе подводных каньонов Гилберта и Лидония. Атлантическая окраина США (Valentine, 1987 г.)

Выше говорилось о том, что речная взвесь является основным источником терригенного материала, поступающего с суши в моря и океаны. Хотя очень большие ее массы оседают в речных дельтах и авандельтах, значительная часть все же проникает через эту область в составе нефелоидных струй или потоков. Самый мощный из них обычно перемещается вблизи дна. В Лионском заливе перед устьем реки Роны толщина такого слоя достигает 20 м. Несколько менее мощных и насыщенных взвесью нефелоидных струй фиксируются над и под поверхностью термоклина. Концентрации суспензированных частиц в них колеблются от 10 до 1 мг/л, а в придонном слое они обычно выше 5 мг/л. Скорости перемещения нефелоидных потоков невелики. В Лионском заливе они не превышают, видимо, 1 км/сут. Чаще всего, доходя до кромки шельфа, потоки взвешенных частиц отклоняются морскими течениями в сторону и рассеиваются над континентальным склоном и прилегающими участками подножия (рис. 6). Масштабы аккумуляции взвешенных частиц, выпадающих на дно из облаковидных нефелоидных скоплений, весьма внушительны. Так, на Атлантическом побережье США скорости накопления тонких однородных осадков, получивших название гемипелагических илов и имеющих в основном алеврито-глинистый терригенный состав, на отдельных участках континентального склона достигали в постледниковое время 22 см/1000 лет. Это очень высокий темп аккумуляции осадков.

Особым типом мути, наблюдаемой в высоких широтах, является так называемая ледниковая мука, поступающая в придонные воды вокруг Антарктиды при таянии льдов, сползающих с суши.

 

Реки без берегов

Самые протяженные и мощные реки на нашей планете, если подразумевать под рекой устойчивый во времени и в пространстве водный поток, находятся в океане. Это океанские течения, способные преодолевать тысячи и даже десятки тысяч километров и переносить гигантские объемы воды. В отличие от привычных нам рек они не имеют берегов, а некоторые и дна. Их истоки трудно проследить, устье же можно лишь условно обозначить на карте. Для океанских речных систем не характерны притоки, зато ответвлений и дочерних водных потоков, становящихся самостоятельным течением, сколько угодно.

Как и реки, текущие по пустыне, океанские течения могут внезапно изменить русло и направиться в другую сторону. Обычно это приводит к катастрофическим последствиям для природы сопредельных районов океана и близ-расположенных континентов — к массовой гибели живых существ и непредсказуемым изменениям климата. Пример — относительно небольшое и до последнего времени малоизвестное течение Эль-Ниньо (исп. «ребенок»). Примерно раз в 7-10 лет оно отклоняется от привычного своего маршрута: от экватора вдоль берегов Южной Америки (Колумбии и Эквадора) и далее к центру океана, а затем на север, образуя с приэкваториальным течением замкнутое кольцо, иначе говоря, циклоническую ячейку тропических широт. Так вот, Эль-Ниньо вдруг пробивается гораздо южнее, к берегам Центрального и Южного Перу, оттесняя холодные, богатые кислородом и другими биогенными элементами воды, что приводит к катастрофическим заморам фито- и зоопланктона, рыб, а также морских млекопитающих и птиц, которые остаются без пищи.

В 1985 г. Эль-Ниньо внезапно повернуло в открытый океан почти у самого экватора, нарушив устоявшуюся систему перераспределения вод в тропических широтах Тихого океана. Последствия этого ощутили миллионы людей по обеим сторонам этого океана. В Гонконге и прилегающих районах Китая три месяца без перерыва шли дожди, а в Австралии установилась непривычная жара, приведшая к лесным пожарам. Отдаленные последствия этих событий ощущались в Европе и Северной Америке. Удивленные люди во многих странах впервые узнали о существовании капризного «ребенка», способного так круто влиять на их повседневную жизнь. Случай с Эль-Ниньо показал, что если бы океанские реки часто меняли свои маршруты, то это привело бы к хаосу на Земле, гибели многих устоявшихся экосистем. К счастью, этого не происходит, точнее сказать, пока не происходит, так как сумбурная хозяйственная деятельность людей еще не способна влиять на систему атмосферных потоков, которые в основном и регулируют круговорот воды в океане.

В этом разделе мы расскажем об океанских реках, имеющих дно, вернее текущих близ океанского дна. Многие из них имеют даже «берег», один из берегов, так как двигаются вдоль подводного края континента над его подводным склоном и подножием. Течения эти самые протяженные, мощные из ныне известных. Поскольку они перемещаются вдоль контура материков, то получили название контурных геострофических течений. В Атлантическом океане они «прижимаются» к западным континентальным окраинам, продвигаясь над подводным склоном Северной и Южной Америки. Эти течения единственные в своем роде. Одно из них, зарождаясь в арктических широтах, проходит все северное полушарие и, пересекая экватор, спускается на юг вдоль контура Южной Америки. Другое прослеживается из приантарктических районов южного полушария к экватору и переходит в северное полушарие, достигая широты полуострова Флорида и Багамских островов. Над подножием атлантического склона Бразилии оба течения встречаются и двигаются в противоположных направлениях, одно над другим. При этом более холодные и тяжелые воды антарктического происхождения оказываются ниже, у самого дна, а над ним текут на юг воды арктического контурного течения. Через проход Вима в северном направлении переносится (3–9)·104 г/с взвешенных веществ.

Скорости движения отдельных водных струй, действующих у дна, по данным измерений, могут достигать 30 см/с, хотя в среднем они ниже, около 10–15 см/с. Этих скоростей достаточно для перемещения частиц не только пелитовой и алевритовой, но и тонкопесчаной размерности. Выяснилось, что с активностью контурных течений связано возникновение придонного нефелоидного слоя в западных районах Атлантики. Здесь же с помощью приборов для подводного фотографирования были обнаружены на дне сыпучие «волны», сложенные песчаными и более тонкими осадками. Все это свидетельства высокой активности придонных течений. Однако самым интересным оказалось открытие гигантских аккумулятивных сооружений — насыпных хребтов протяженностью в несколько сот километров при ширине от 30 до 100 км и более. Они поднимаются над окружающим ложем на высоту 500-2000 м, заканчиваясь либо отчетливо выраженным гребнем, либо довольно покатой вершиной. Эти образования сложены преимущественно тонкозернистыми осадками алевритовой и пелитовой размерности, которые формируют четко выраженные слойки толщиной от 0,1 до 10 см. Алевритовый осадок хорошо отсортирован и иногда напоминает шлих. Впрочем, в других случаях отложения контурных течений описываются как слабо отсортированные, с неясно выраженными контактами между соседними слоями и высоким содержанием карбонатного детрита. Вероятно, структура осадка определяется скоростями отдельных струй придонного течения. Там, где она велика, контуриты имеют грубый состав и лучше отсортированы. Наличие косой слоистости в некоторых горизонтах контуритов свидетельствует о том, что они могут перемещаться в виде подводных дюн или «иловых» волн.

Аккумулятивные хребты вытянуты в направлении действия придонного течения, однако формируются по периферии того ареала, в котором действует основной поток. Этот последний очень чаете эродирует дно, что приводит к появлению перерывов в осадочном разрезе. Полагают, что основными эпохами, когда происходило активное развитие указанных подводных хребтов, были периоды максимальных оледенений. Впрочем, это мнение оспаривают некоторые исследователи. Глубоководное бурение показало, что средние скорости накопления осадков в пределах хребтов, сложенных контуритами, составляли 12 см/1000 лет, т. е. были довольно высокими.

Наиболее известные аккумулятивные глубоководные поднятия находятся в Северной и Центральной Атлантике. Это Гардар, Хаттон, Фени, Ньюфаундлендский и Блейк-Багамский хребты. Последний, вероятно, является самым крупным насыпным сооружением. Его размеры 800×400 км при высоте около 2000 м. В результате бурения на Большом Антильском хребте удалось уточнить время его формирования. По данным Дж. Кеннета (1987 г.) оно продолжалось по меньшей мере в течение последних 10 млн лет.

 

Три возраста камня

 

 

Рождение и младенчество (состояние осадка)

В этом мире не вечны даже камни. Впрочем, жизнь у них очень долгая, иногда настолько долгая, что теряются истоки. Ведь возраст самых древних пород на Земле достигает 4 млрд лет, т. е. приближается к возрасту самой планеты. И все-таки в этой длинной жизни, по крайней мере у осадочных разностей, были детство, отрочество, зрелость, а у многих и старость.

В предыдущих разделах мы имели возможность познакомиться с наиболее распространенными в земной коре породами осадочного генезиса, а также с теми ингредиентами, из которых они состоят. В процессе отложения или новообразования отдельных частиц происходит рождение осадка, будущей породы. Действие это во многих случаях мучительное и многоактовое. Среди осадочных частиц есть и «счастливчики», и явные «неудачники». Первые, едва попав на великий транспортный конвейер, оказываются на обочине и быстро выходят из игры. Они оседают в виде наносов недалеко от области разрушения и мобилизации древних пород и вскоре захороняются, после того как их перекрыли более молодые образования. Другие зерна обретают лишь временный покой. Их моют речные струи, поднимает в воздух ветер, катает морская волна, подхватывает приливное или отливное течение. Они проходят через множество седиментационных обстановок, в каждой из которых возможно образование осадка. Собственно говоря, оно и происходит здесь на самом деле. Но для частиц-неудачниц мытарства продолжаются, они теряют в весе и объеме, дробятся, переходят из одного гранулометрического класса в другой. Наконец они достигают океана, где их подхватывают придонные течения. Частицы отсюда на гребнях подводных дюн и вместе с ними мигрируют на сотни километров.

Таким образом, от момента высвобождения частицы из древней породы до ее фиксации в составе вновь образованного и захороненного осадка может пройти огромный диапазон времени. Что касается коллоидных и субколлоидных частиц, то их странствия были бы вообще беспредельными, если бы природа не изобрела механизмы самоочищения. Дело в том, что вес пелитовых частиц настолько ничтожен, что в условиях даже незначительной подвижности водной среды (а большинство из них попадает в конечные водоемы стока) они были бы обречены на постоянное пребывание во взвешенном состоянии, во всяком случае, в центральных частях морей и океанов. Легко себе представить, как бы выглядели наши водоемы! Вода в них была бы мутной и черной от обилия глинистой взвеси, т. е. такой, какой она бывает в авандельтах некоторых крупных рек или над иловыми банками. Подобно водам Ганга, в море плавали бы слепые дельфины и другие животные, ориентиром которых в пространстве служили бы акустические сигналы.

В природе, однако, нашлись механизмы, облегчившие перевод тонкой взвеси в осадок. Один из них физико-химический, другой — биологический. Первый заключается в образовании флаков — агрегатов чешуек, соединившихся краями в сложные образования звездчатой или округлой формы. Вес флаков значительно больше, чем у каждой из составляющих их чешуек. Поэтому они гораздо легче садятся на дно. Этот механизм эффективно работает над континентальными окраинами, прежде всего в пределах шельфовых зон, там, где концентрации взвеси в воде достигают неких критических значений.

В настоящее время, вероятно, более универсальное значение имеет биологический механизм очищения океанских и морских водоемов. Он связан с жизнедеятельностью организмов-фильтраторов, пропускающих за год через свои крохотные тела огромное количество воды для извлечения фитопланктона, бактерий и различных органических остатков. Все взвешенные в воде частички проходят через желудки фильтраторов, в качестве которых выступают мельчайшие рачки — копеподы и другие представители зоопланктона. Под влиянием пищевых ферментов из собранного материала извлекаются необходимые для поддержания жизни субстанции, а оставшиеся минеральные вещества, склеенные в так называемые пеллеты (фекалии), выделяются в водную среду. Так как размеры и вес пеллет намного выше, чем у исходной взвеси, они опускаются через водную толщу на дно, где вскоре распадаются на изначальные компоненты.

Скопления частиц на суше или на дне водоема образуют отложения, потенциально способные превратиться в породу. Однако этот процесс не всегда доходит до логического конца. Вновь образованные осадки долгое время бывают рыхлыми, насыщенными влагой. Они состоят из множества ничем не связанных друг с другом частиц, которые при неблагоприятных воздействиях внешней среды легко разделяются, что нередко приводит к распаду всего сообщества зерен или чешуек. Факт рождения осадка может быть зафиксирован лишь после того, как он будет погребен под плащом более молодых образований, осадочных или излившихся, Но и тогда еще долгое время сохраняется вероятность возвращения совокупности захороненных частиц на пути переноса и переотложения. Действительно, активность некоторых геологических агентов приводит к эрозии — размыву больших объемов осадков.

Седиментационные процессы удивительно многообразны. Осаждение частиц — это лишь одна сторона медали. Другая заключается в новообразовании и кристаллизации как в толще воды или в воздушной среде, так и на дне в самом осадке или на поверхности коренного субстрата. Кристаллизация солей в воздухе происходит чаще всего в зоне заплеска осолоненных лагун или на приливно-отливных равнинах. Вода испаряется в воздухе, и на Землю со звоном сыплются мелкие кристаллики соли. Нечто похожее наблюдается при выбросе магмы. Все же основная масса солей образуется при испарении концентрированных рассолов, называемых рапой. Как правило, это имеет место в замкнутых мелководных водоемах аридных зон, где испарение значительно превалирует над поступлением воды. Кристаллы гипса, галита, доломита, карналлита и др. зарождаются прямо в рассоле, из которого затем выпадают на дно.

Очень широко распространены в природе различные корки и стяжения. В пустынях часто встречаются слоистые карбонатные корки — каличе, связанные, как полагают, не в последнюю очередь с деятельностью микроорганизмов. Вблизи источников теплых или горячих минерализованных вод возникают натечные формы карбонатов — травертины. Известны корки железистого, марганцевого и кремнистого состава. Чаще всего они образуются в субаквальной среде. В специфических условиях глубоководных рассольных впадин, открытых в Красном и Средиземном морях, на поверхности твердых субстратов — выступов магматических и древних осадочных пород — вырастают причудливые гипсовые розочки (впадина Баннок в Ионическом море) или арагонитовые корки волокнистого строения (впадина Атлантис в Красном море).

Многие наслышаны об удивительных натечных образованиях в подземных пещерах — сталактитах и сталагмитах. Первые в виде причудливых каменных сосулек свисают со сводов пещер, вторые, более приземистые и шишковатые, поднимаются им навстречу со дна. И те и другие имеют кальцитовый состав и растут за счет выпадения карбоната кальция из капель воды, стекающих по сталактитам или срывающихся со сводов пещеры вниз. Каждая капля оставляет несколько молекул труднорастворимого карбоната. В результате за десятки и сотни тысяч лет в подземных гротах возникают целые каскады, огромные занавеси из кальцита наподобие тех, что украшают зал Тбилиси в Новоафонской пещере. Этим монументальным творениям природы нет равных по красоте.

Мир осадочных новообразований богат и весьма причудлив. Об оолитовых микростяжениях уже рассказывалось. Помимо них, однако, существует целая гамма близких по размерам (0,07-0,8 мм и более), но отличающихся по составу стяжений, характерных для морских осадков, — глауконитовых, бертьериновых, хлорит-смектитовых и др. Самые известные твердые осадочные стяжения образуются на поверхности дна некоторых глубоководных котловин океана и содержат примеси меди, никеля, а иногда и кобальта. Эти стяжения — конкреции округлой или овальной формы — лежат на поверхности рыхлого осадка, иногда так плотно друг к другу, что дно становится похожим на мостовую.

 

Юность камня

Под диагенезом понимают все те процессы, которые ведут к превращению рыхлого осадка в породу, в камень. Поэтому синонимом этого слова в русском языке является окаменение, хотя последнее и не полностью отражает всю совокупность метаморфоз, происходящих с осадками. По ассоциации с онтогенезом живых организмов этот период существования камня может быть определен как «юность» (или «возмужание»). Она протекает на фоне постепенного уплотнения осадка и сокращения его объема за счет удаления седиментационных, а затем и части поровых вод. В этом смысле «возмужание» в неживой природе — процесс, обратный тому, что происходит с живым организмом, который на этой фазе развития растет и увеличивается в объеме.

Уплотнение протекает под нагрузкой перекрывающих (более молодых) осадочных образований. Поэтому для завершения данною процесса необходимо накопление все новых и новых масс осадков. Если последнее застопорилось или прекратилось вовсе, то останавливается или, во всяком случае, резко замедляется дальнейшее уплотнение. Тогда осадок на неопределенное время может остаться незрелым, хотя возраст его будет исчисляться миллионами лет. Он так и состарится, не став настоящей породой, хотя со временем будет по некоторым параметрам приближаться к ней. Впрочем, такие случаи редки, так как находящиеся близ земной поверхности рыхлые образования неминуемо уничтожаются эрозией. Поэтому в осадочных толщах достаточно древнего возраста рыхлые отложения встречаются редко. Как правило, это несцементированные пески или реликтовые почвы, сохранившиеся только потому, что были перекрыты другими окаменевшими осадками — глинами, известняками или мергелями.

В отложениях разного состава и уплотнение протекает неодинаково. В песках и в других зернистых осадках обломочного происхождения оно реализуется достаточно быстро, если в них есть или успевает образоваться цементирующее вещество. Каркас будущей породы возникает после того, как отдельные зерна вступают в плотный контакт с соседними. Далее уплотнение идет до достижения наиболее компактной упаковки зерен и частичного их растворения на контактах (плагиоклазы и другие неустойчивые компоненты). Глины уплотняются за счет изменения пространств венной ориентации отдельных чешуек и их агрегатов, их упорядочения. Последнее достигается при упаковке чешуй глинистых минералов преимущественно параллельно поверхности раздела вода-осадок, или, как говорят геологи, параллельно напластованию. При этом вследствие компактности упаковки постепенно достигается наименьший объем. Лишняя вода между отдельными чешуйками выдавливается из осадка вверх, в менее плотный осадок, и вниз, в так называемые коллекторские горизонты (ими обычно служат пески и гранулярные карбонатные, реже кремнистые отложения).

По мере погружения в недра давление вышележащих осадков все более возрастает. Чешуйки глинистых минералов плотнее соприкасаются друг с другом, а седиментационная вода полностью изгоняется из глины. Количество вытесняемой воды по мере возрастания геостатического давления (давления вышележащих отложений) со временем уменьшается. В целом процесс уплотнения глинистых осадков описывается гиперболической кривой, отражающей следующую закономерность. В начале процесса окаменения при небольшой нагрузке вышележащих наносов осадок теряет много влаги; в дальнейшем же увеличение нагрузки на порядок, а потом и на два дает все более скромный результат. Это и понятно, так как в глине остается со временем все меньше свободной воды, а та, которая в ней находится, связана с чешуйками слоистых минералов различными силами, т. е. является адсорбированной. Чтобы преодолеть эти силы, требуется все большее давление и, кроме того, более высокая температура среды.

На определенном этапе глинистый осадок теряет способность течь и формоваться (из него не вылепишь фигурки, не сделаешь какую-либо форму), а через некоторое время и вовсе перестает размокать в воде. На этом завершается превращение осадка в породу. Стадия диагенеза пройдена. В обычных условиях это происходит при погружении в недра на глубины 500–800 м. Плотность глины, в начале процесса уплотнения не превышавшая 1,4–1,5 г/см3, возрастает до 2–2,1 г/см3. Соответственно пористость уменьшается с 60–70 до 18–20 %. Чешуйки глинистых минералов плотно прилегают теперь друг к другу, словно кирпичи в фундаменте дома, между которыми почти не остается зазоров. Глина становится непроницаемой для флюидов, даже для многих газообразных, исключая метан.

Мы так подробно описываем диагенез глинистых осадков потому, что они в количественном отношении преобладают в осадочных разрезах земной коры. К тому же процессы окаменения протекают в них дольше, нежели в других образованиях, литификация которых заканчивается обычно раньше. На фоне длительного уплотнения глин, продолжающегося нередко миллионы лет, особенно быстрыми кажутся диагенетические трансформации кремнистых осадков. С этим явлением столкнулись буровики с американского судна «Гломар Челленджер» в начале осуществления программы глубоководного бурения в океанах. Среди рыхлых и слабоуплотненных образований, слагающих верхний слой чехла абиссальных котловин, бур то и дело натыкался на крепкие породы. При их преодолении снашивались или сбивались коронки. Тогда, в конце 60-х — начале 70-х годов, еще не был разработан механизм смены бурового инструмента в море, позволяющий продолжать бурение ствола в той же точке, где оно было приостановлено. По этой причине проходка многих скважин прекращалась задолго до достижения расчетной глубины. Оказалось, что бур натыкался под дном морским на горизонты крепчайших кремней, наличие которых в разрезе прекрасно фиксировалось сейсмическими методами. Эти кремни были, по существу, уже породой, тогда как окружавшие их осадочные образования находились еще в процессе окаменения.

Стоит напомнить, что кремнистые осадки изначально сложены скелетными остатками кремнестроящих организмов — диатомей, радиолярий, силикофлагеллят и др. Эти осадки характеризуются высокой пористостью и служат каналами для выведения воды, которая выдавливается на соседних, более тонких по размерности отложениях. Вода эта поначалу недосыщена кремнеземом, поэтому растворяет многие органические остатки. Часть растворенного кремнезема оседает тут же в поровом пространстве осадка. Затем из окружающих илов начинает поступать вода, обогащенная кремнеземом, так как там с течением времени происходит разрушение ряда малоустойчивых минералов, содержащих в структуре кремний. Вследствие изменений pH и Eh на границе двух сред кремнезем оседает в горизонте-коллекторе, В результате этого последний быстро теряет проводящие свойства (проницаемость) и трансформируется в непроницаемые и очень плотные образования — кремни. В этом случае переход от осадка к породе произошел не столько из-за уплотнения, сколько в результате процессов перерастворения и осаждения вещества, часть которого привнесена извне, из соседних горизонтов разреза.

Таким образом, диагенез — это не только уплотнение, но и сложный ряд физико-химических реакций, приводящих к перераспределению вещества как внутри осадков одного типа, так и между осадками разного состава. Осаждение новых минералов из иловых (седиментационных) вод особенно часто наблюдается на границе между двумя разными типами осадков. Здесь же садятся многие растворимые фазы, мигрировавшие вместе с вытесняемой водой. Например, под прослоем вулканического пепла в колонках осадков из Ионического моря очень часто обнаруживается прослой фиолетового цвета, обогащенный оксидами марганца, выделившимися из поровых вод. Толщина таких прослоев может достигать 3–5 см.

В других условиях на границе между пластами разного состава, а иногда и внутри самих пластов начинается формирование конкреций. В одно место как бы стягиваются вещества, находящиеся в избыточной концентрации в перовой воде. Вокруг определенного центра, которым может оказаться линза грубого материала или карбонатная раковина, образуется «рубашка» карбонатного, кремнистого или железистого состава. За одним слоем с течением времени нарастает другой, и постепенно за тысячи лет возникает очень плотное осадочное образование шаровидной или дискообразной формы с размерами от нескольких сантиметров до полуметра в диаметре. По плотности и крепости конкреция резко отличается от вмещающей породы. Если она сформировалась в еще мягком осадке, т. е, в диагенезе, то границы пласта, в котором расположена конкреция, над ней и под ней изгибаются. Пласт как бы раздувается в толщину в этом месте.

Интересно, что в глубоководных условиях, главным образом на подножии континентальных склонов и в абиссальных котловинах океана, уплотнение многих осадков, в первую очередь глинистых, происходит гораздо медленнее, чем на континенте или на его подводном продолжении, хотя на осадок здесь давит огромный столб воды (4–6 тыс. даже 8-10 тыс. м, что соответствует 400-1000 атм). Превращение осадка в породу завершается в этих условиях на гораздо больших глубинах в недрах осадочного чехла: 1200–1500 м вместо 500–800 м на континентах. Описываемое явление получило название парадокса глубоководного диагенеза. Оно объясняется несколькими причинами, в частности затрудненностью оттока выдавливаемых из осадков седиментационных вод, так называемым взвешивающим эффектом и др. Важно отметить, что благодаря незавершенному диагенезу в океане встречаются очень древние осадочные образования, в том числе мелового и даже позднеюрского возраста (140-80 млн лет), которые все еще не преобразовались в породу. Такой феномен неизвестен на суше.

 

Пора зрелости

Осадок, став камнем, приобретает новые черты. У юноши в период возмужания появляются усы и борода, а вот в песках, еще недавно сыпучих и рыхлых, Армируется цемент. Благодаря ему они становятся породой — песчаником. В качестве цемента часто образуется кальцит, кристаллы которого вырастают в порах между зернами терригенных минералов в результате выпадения карбоната кальция из воды, постоянно мигрирующей по песчаникам. В недрах они служат коллекторами — проводниками флюидов. Формирование карбонатного цемента — это прелюдия к целой цепи превращений, происходящих в песчаниках в пору зрелости. К наиболее значительным относятся: новообразование глинистых минералов, вырастающих в крупных порах; разложение неустойчивых компонентов, например полевых шпатов, и коррозия кварцевых зерен; вдавливание этих зерен одно в другое на контактах; наконец, появление каемок обрастания вокруг кварцевых зерен. Изучение этих явлений важно потому, что все они влияют на структуру порового пространства, ведь песчаники служат коллекторами не только воды, но также нефти и газа.

Изменения, наблюдающиеся в песчаниках, алевролитах и других обломочных породах, во многом обусловлены процессами, протекающими в их постоянных спутницах — глинах. Правда, глины, как разборчивые невесты, отдают иногда предпочтение известнякам или кремнистым породам. А вот песчаники с этими породами встречаются относительно редко. Так что песчаникам и глинам волею судьбы приходится сосуществовать. Глинам в этом союзе принадлежит главная роль. В зрелую пору песчаники явно находятся «под каблуком» у глин. Впоследствии распределение ролей между ними несколько меняется.

Глины, став породой, приобретают особую функцию, в чем-то сравнимую со способностью всего живого к деторождению. Многие из них, но далеко не все, при определенных обстоятельствах способны генерировать углеводороды, как жидкие (нефтяные), так и газообразные. Недаром геологи-нефтяники называют глины нефтематеринскими породами. Речь, конечно, идет о глинах, изначально обогащенных органическим веществом, иначе говоря, углеродистыми остатками растений и животных, содержащими как извлекаемые (фульво- и гуминовые кислоты, битумоиды), так и не извлекаемые растворителями компоненты. Последние названы керогеном, В его состав входят аминокислотные остатки, нуклеотиды, жирные кислоты, фрагменты клеточных мембран, в том числе целлюлоза, гемицеллюлоза и хитин. Органические соединения располагаются между чешуйками глинистых минералов и зачастую образуют с ними сложные органо-минеральные комплексы. Из них-то при определенных условиях и образуются углеводороды.

Способность глин генерировать микронефть не в последнюю очередь связана с выделением при катагенезе больших количеств воды, находящейся в особом переуплотненном состоянии, близком к состоянию жидкого кристалла. Как уже указывалось выше, вода эта заключена в межслоевых промежутках слоистых силикатов глин и в отличие от седиментационных вод, занимающих поры в осадке или породе, является чистой в химическом отношении. Это очень важное обстоятельство, ибо такая вода, да еще разогретая в недрах до температуры в несколько десятков, а то и до 100–150 °C, оказывается весьма агрессивным химическим агентом, обладающим повышенной растворяющей способностью.

Межслоевая вода образует своего рода слои близ поверхности трехэтажных пакетов разбухающих разностей глинистых минералов и связана с ней, а также с межслоевыми катионами определенными связями. Поэтому она очень устойчива по отношению к геостатическим нагрузкам и остается в межпакетных промежутках даже при давлении в несколько сот атмосфер. Нарушение структуры межслоевой воды вызвано повышением температуры в недрах. Известно, что, чем дальше в глубь земной коры, тем выше температура. В одних районах это повышение, называемое геотермическим градиентом, составляет всего 1–2° на 100 м, в других — на порядок выше. Геотермический градиент определяется тектонической активностью литосферы. На платформах он невелик, в передовых прогибах и меж-горных впадинах горно-складчатых областей обычно значительно выше. Но особенно резко с глубиной погружения осадков температура возрастает в районах рифтогенеза или раскрытия океанского дна. Например, в осадках Красноморского рифта уже на глубинах 0,3–0,5 км от поверхности дна температура, вероятно, достигает 80-100 °C. Отсюда следует, что одна и та же температура в разных регионах должна фиксироваться в совершенно различных диапазонах осадочного чехла.

Критической для межслоевой воды температурой считается 80-100 °C (до 120 °C). Упорядоченная структура этой воды разрушается, и она выходит из межслоевых промежутков в микропоры, еще сохранившиеся в глинистой породе. К этому времени они частично или полностью забиты вторичными минеральными образованиями или молекулами органического происхождения. Вода растворяет наименее устойчивые компоненты и выделяется из глины в песчаники или алевролиты. По ним она мигрирует в область разгрузки, где пополняет запасы грунтовых вод либо выходит на поверхность в виде родников и источников. По пути наверх из воды выделяются те минеральные фазы, которые были растворены в микропорах глинистой породы. Образуются и другие минералы. Поэтому пустотное пространство песчаников и других зернистых пород становится ареной новообразований. Здесь в микроскопических формах происходят, по существу, те же процессы, что и в подземных карстовых пещерах, где вырастают сталактиты и сталагмиты. Микрокристаллы и агрегаты минералов формируются в порах на путях миграции флюидов. Это удлиненно-пластинчатые иллиты и смектиты, прекрасно окристаллизованные шестигранные пластинки каолинита, которые наложены одна на другую и напоминают стопки монет. Реже встречаются веретеновидные сростки вермикулита, зато широко распространены яснокристаллический кальцит, ромбоэдры доломита, а вблизи границы раздела глина-песчаник выделения пирита, сидерита и других железистых минералов.

Случается и обратное. Чистая и агрессивная в химическом отношении межслоевая вода растворяет различные минеральные фазы в составе цемента. Может наблюдаться и коррозия породообразующих минералов — полевых шпатов, кварца и слюд. Возникающее при этом дополнительное поровое пространство называется вторичной пористостью.

Не менее фундаментальные превращения происходят в глинистых породах. По мере удаления межслоевой воды часть трехслойных пакетов со структурой смектита теряет способность к разбуханию. Эта перестройка сопровождается довольно сложными замещениями как в кристаллической решетке (часть кремния в тетраэдрах замещается алюминием), так и в межслоевых промежутках, где место кальция и натрия постепенно занимает калий. Он-то и стягивает «намертво» соседние пакеты. В промежутки, где засел К+, уже не могут проникнуть ни вода, ни тяжелые органические молекулы. В результате возникают минеральные структуры с промежуточными свойствами: хотя часть трехэтажных пакетов еще не утратила способности набухать, другие уже жестко сцеплены друг с другом. Подобные минералы, называемые смешанослойными, широко распространены в глинах на стадии катагенеза. По мере погружения в недра в их составе все больше увеличивается количество неразбухающих пакетов, построенных по типу иллита, и уменьшается доля разбухающих смектитовых разностей. К моменту завершения катагенетической стадии эволюции осадочных пород из глинистых образований полностью исчезают разбухающие фазы, а каолинит начинает превращаться в диккит.

Не менее серьезные трансформации наблюдаются и в других осадочных породах, в частности в известняках и силицитах. В известняках широким фронтом идет перекристаллизация первоначальных органогенных компонентов — раковин и других форменных элементов организмов, которая обычно сопровождается доломитизацией кальцита. Возникшие при этом кристаллы доломита занимают меньший объем по сравнению с кальцитом. В зоне больших температур и давлений, где под воздействием поровых растворов определенная часть кальцита растворяется, образуются зачастую новые пустоты, лишь отчасти занятые доломитом. Таким образом, катагенез — этап изменения осадочных пород при их погружении в зону воздействия повышенных температур и давлений — завершается значительными изменениями структуры и минерального состава этих пород. С катагенезом связано образование таких важнейших для экономики полезных ископаемых, как нефть и газ, появление (развитие) ряда оруденений, облагораживание углей.

 

Переход в новое состояние

При проходке глубоких поисково-разведочных скважин на нефть и газ в диапазоне 4–5 тыс. м начинают проявляться признаки старения осадочных пород. Для геологов-нефтяников они заключаются в резком сужении пор и сокращении порового пространства в горизонтах песчаников и алевролитов. Керн разделяющих их глинистых пород выглядит иначе, чем на глубинах 2–3 тыс. м. Плотность их резко возрастает (до 2,2–2,4 г/см3). Они покрываются микротрещинами, по которым крошатся на кусочки, легко раскалываются на пластинки в направлении слоистости. Такие породы полностью теряют способность к размоканию в воде. Их даже называют уже не глинами, а аргиллитами. В известняках вместо множества мелких зерен и обломков, разделенных пустотами, формируются крупные ясно очерченные кристаллы кальцита, плотно прилегающие друг к другу, а на их границах нередко возникают так называемые стилолитовые швы — структуры растворения на пути перемещения флюидов, а также микротрещины.

Глинистые породы в основном утрачивают способность генерировать жидкие углеводороды (микронефть), хотя метан и его ближайшие гомологи еще поступают в горизонты-коллекторы. Впрочем, этих последних становится все меньше и меньше. Под воздействием огромных давлений зерна и обломки пород в песчаниках вдавливаются на контактах друг в друга с образованием инкорпорационных структур, а растворенный кремнезем отлагается рядом, наращивая зерна, в основном кварца, со стороны еще сохранившихся пустот. Благодаря этому вокруг кварцевых зерен появляются каемки обрастания. Эта новая, относительно чистая фаза отчетливо видна в шлифах: прежние границы зерен трассируются мельчайшими пузырьками флюидов, захваченных в плен при осаждении новой фазы. Вследствие сдавливания и обрастания пустотное пространство песчаников резко сокращается, а в его цементе, если он имеет глинистый состав, появляются хорошо окристаллизованные мусковит, хлорит и биотит. Нередко отмечается образование микроклина и адуляра — минералов из группы полевых шпатов.

По основным параметрам песчаник все более приближается к кварциту или гнейсу — породам метаморфическим, широко распространенным в глубоких недрах Земли, а именно в той части литосферы, которую именуют фундаментом. На платформах граница между осадочным чехлом и фундаментом обычно четко выражена, тогда как в передовых прогибах, разделяющих платформы и горно-складчатые пояса, провести ее труднее, в основном из-за того, что породы в подошве осадочного чехла по физико-механическим параметрам приближаются к породам фундамента, который нацело сложен древними (метаморфическими) и магматическими породами, в том числе и интрузивными, т. е. выделившимися из застывших на глубине магматических расплавов.

Точный рубеж, где первично-осадочная порода переходит в метаморфическую, установить очень сложно из-за широкой гаммы переходных состояний. Этот переходный этап, на котором завершается преобразование осадочных пород в метаморфические, был назван метагенезом (от слова «мета» — переходный, меняющийся). Довольно четкие количественные критерии разработаны лишь в отношении глинистых пород, главным образом благодаря применению дифрактометрического метода исследования. Дело в том, что по мере усиления возрастных изменений в породе многообразная гамма глинистых минералов сводится к двум наиболее широко распространенным формам — иллиту и хлориту.

На дифрактограммах изучаемых образцов с больших глубин резко возрастают высота и симметричность рефлексов, характеризующих иллит. Речь идет главным образом о его первом рефлексе. Окристаллизованность — показатель, отражающий степень совершенства кристаллической структуры. У иллита он непрерывно и довольно быстро возрастает по мере увеличения температуры и давления, господствующих в недрах осадочных бассейнов. Этот показатель, выраженный через отношение ширины первого пика иллита, замеренной в его средней части, к высоте, меняется в метагенезе от 1:5 до 1:15. При более высоких значениях выделяется так называемая эпизона — область, где наблюдаются такие изменения в породах, которые позволяют отнести их к разряду метаморфических образований. Тем не менее следует подчеркнуть, что момент перехода осадочной породы в новое состояние пока еще определяется весьма условно. Аргиллиты при этом превращаются в глинистые, а затем и в слюдистые сланцы. Кремнистые породы в метагенезе трансформируются в кремнистые сланцы или яшмы, известняки становятся мраморовидными и мраморами, угли достигают стадии полуантрацитов и антрацитов, в дальнейшем превращаясь в графит.

 

Специализация пород

Каждая порода интересна по-своему. Почти с каждой из них связаны те или иные полезные ископаемые. Впрочем, и сами осадочные породы находят применение в различных отраслях народного хозяйства. Многие из них играют важную роль в процессах нефтегазообразования и нефтегазонакопления. Одни служат генераторами углеводородов, другие — коллекторами для них, третьи — породами-экранами, не допускающими разрушения залежей. Нефть по большому счету — это детище глин, хотя жидкие углеводороды продуцируются и другими породами, а именно теми, что содержат рассеянные и концентрированные формы органического вещества (силициты, сапропели, карбонатные образования и в небольших количествах даже угли). Однако в региональном масштабе, т. е. в пределах целого региона (осадочного бассейна), генерирование нефти протекает главным образом в глинистых породах, если, конечно, они обогащены органикой сапропелевого или смешанного типа, а при диагенезе в них господствовали восстановительные условия. Речь идет преимущественно о субаквальных осадках, которые быстро перекрывались более молодыми наносами и переставали контактировать с богатой кислородом водной средой. Хотя углеводороды нефтяного ряда образуются из органических остатков, сама нефть абиогенна. Имеется в виду, что подавляющая масса углеводородов возникла отнюдь не в процессе жизнедеятельности животных и растений, хотя в тканях некоторых организмов и накапливаются в небольшом количестве отдельные углеводороды или близкие к ним по строению структуры.

Нефть как полезное ископаемое рождается в земных недрах в основном на стадии катагенеза, т. е. на зрелой стадии существования пород, когда они попадают в область повышенных температур и давлений. Основной фактор, обеспечивающий и даже инициирующий генерацию нефтяных углеводородов, — температура. Уже в диапазоне 80-120 °C начинаются термолиз и термокатализ, благодаря которым из органического вещества выделяются углеводородные структуры разного типа — алканы, нафтены и арены. Важнейшим процессом, стимулирующим эти реакции, помимо температуры, является разрушение переуплотненной структуры межслоевой воды в разбухающих глинах. Воздействие этой воды на органические субстанции приводит к разложению сложных гетерополиконденсатов гуминовых кислот и молекул керогена, а также к образованию широкой гаммы легких углеводородов. Значительная их часть переносится ею из глины в коллектор, где происходит разделение фаз и нефть в виде пленок начинает мигрировать по пластам к местам концентрации. Из этих пленок по прошествии сотен тысяч, а то и миллионов лет формируется нефтяная залежь.

Роль природных резервуаров или накопителей углеводородов выполняют породы, сохранившие в недрах развитую систему пустот или трещин, связанных между собой. Чаще всего это песчаники и крупнозернистые органогенные известняки, хотя в роли коллектора нередко выступают диатомиты, вулканогенные породы (туфопесчаники) и даже полуразрушенные выветриванием магматические и метаморфические породы фундамента. Впрочем, последнее случается достаточно редко.

Как указывалось выше, самыми выдающимися емкостными возможностями обладают рифовые известняки, изначально характеризующиеся большим объемом порового пространства. На окраинах континентов с погребенными рифовыми массивами связаны крупные и даже гигантские скопления углеводородов (более 21,9 млрд т нефти и 5,3 трлн м3 газа). Однако первое место принадлежит песчаникам прибрежно-морского и дельтового генезиса (около 41,6 млрд т нефти и 19,4 трлн м3 газа). Второе место занимают лагунные и шельфовые известняки и доломиты (29,2 млрд т нефти и 16,7 трлн м3 газа) [Геодекян и др., 1988].

Нефть, подобно газу, собирается в залежь в так называемых ловушках, откуда углеводороды уже не могут уйти ни вверх, ни в стороны. Снизу залежь подпирается водой. Углеводородные флюиды всплывают над ней, как более легкие. Они никогда бы не создали залежей, если бы не были изолированы от вышележащих пластов-коллекторов и земной поверхности. В роли экранов выступают все те же глины, а также соли и глинистые известняки. Наиболее надежными породами-флюидоупорами считаются соли. Они не содержат пор, связанных друг с другом, потому через них не могут диффундировать даже самые легкие углеводороды, в том числе метан. В глинах множество микропор, но многие из них не сообщаются между собой либо соединены очень узкими канальцами, в которые не помещаются молекулы углеводородов. Оттого многие разности глин практически непроницаемы. Известняки могут служить довольно надежными экранами для нефтяных скоплений, но не для газа, особенно метана, который способен просачиваться по микротрещинам и уходить из залежи.

Таково распределение ролей между осадочными породами в генерации, аккумуляции и консервации важнейших для современной цивилизации полезных ископаемых — нефти и газа. Эта «творческая» специализация частично нарушается по мере «старения» основных участников процесса — глин и песчаников. Первые, превращаясь в аргиллиты, теряют непроницаемость вследствие появления трещиноватости — сетки микротрещин, нарушающих сложившуюся структуру. К этому времени их нефтематеринский потенциал в целом исчерпывается, хотя простейшие газообразные углеводороды, главным образом метан, еще образуются в породе. Песчаники утрачивают большую часть порового пространства и перестают быть коллекторами. Нередко в позднем катагенезе и метагенезе они становятся весьма слабопроницаемыми для углеводородов и могут играть роль горизонтов-экранов. Обычно это наблюдается в том же диапазоне глубин, где глинистые породы становятся трещиноватыми и могут исполнять функцию коллектора. Таким образом, на заключительной фазе эволюции некоторые осадочные породы как бы меняются местами. Впрочем, в реальной практике это случается не часто.

Следует подчеркнуть, что когда мы говорим о старении породы, то имеем в виду те необратимые изменения, которые происходят в ее структуре и минеральном составе по мере погружения в недра, в зону все более высоких температур и давлений. Речь, следовательно, не идет о геологическом возрасте осадочных образований. Например, кембрийские и даже позднепротерозойские (свыше 600 млн лет) отложения нередко остаются слабо преобразованными, так как не испытали воздействия глубинного жара и давлений. Обычно такие «молодцеватые старички» встречаются на платформах, например в окрестностях Балтийского щита, где осадочный покров тонок, а фанерозойский этап развития не был отмечен тектоническими катаклизмами.

Напротив, относительно молодые по возрасту породы, в том числе раннекайнозойские (60–30 млн лет), оказавшись в зоне активных тектонических взаимодействий, например в полосе столкновения литосферных плит, быстро изменяются. Этому способствует погружение на глубину нескольких километров, где господствуют температуры порядка 200–300 °C и давления 500–600 атм. В короткий отрезок времени такие породы превращаются в метаморфические образования.

Помимо обычного метаморфизма, связанного с влиянием высоких температур, в некоторых условиях, в основном при погружении океанической коры в зону Беньофа, наблюдается метаморфизм высоких давлений. Исходные осадочные породы при этом метаморфизуются также, однако приобретают совсем иной облик (и минеральный состав), чем при обычном метаморфизме.

В осадочных бассейнах, где в течение длительного времени в широких масштабах накапливались однородные глинистые осадки, наблюдается целый ряд интересных явлений. Отсутствие обычных спутников глин, а в этой роли чаще всего выступают песчаники, реже известняки, нарушает обычную саморегуляцию системы в недрах. Она становится замкнутой. Определенная часть седиментационных вод, отжимающихся из глин, успевает покинуть осадки в процессе их уплотнения. Однако огромные массы межслоевой воды, высвобождающейся в довольно узком диапазоне глубин с температурами 100–120 °C, оказываются как бы запечатанными в глубине осадочной толщи. Здесь возникают аномально высокие пластовые давления, не соответствующие геостатической нагрузке.

Строго говоря, абсолютно однородных толщ не бывает. В однородных глинах также обычно присутствуют, хотя и в подчиненном количестве, линзы и отдельные горизонты песчаников, которые все же не могут обеспечить разгрузку выделяющихся из глин поровых вод. Давление флюидов в редких изолированных песчаных телах становится настолько большим, что они превращаются в плывуны. Последние нередко продавливают вышележащие осадки. Их сплошность нарушается. В образовавшийся канал устремляется не только песчаная пульпа, но и масса разуплотненных глин. Со временем здесь образуются мощные глиняные диапиры, часто достигающие земной поверхности. В результате зарождаются грязевые вулканы. В частности, их много в Приазовье, Предкавказье, на Апшеронском полуострове и полуострове Челекен (восточное побережье Каспия). В последнее время были обнаружены подводные грязевые вулканы на дне западной котловины Черного моря на глубинах более 2000 м. Их диаметр не превышает 1–2 км, а высота колеблется от 30 до 80 м. В сопочной брекчии, поднятой с вершины одного из этих вулканов, были обнаружены кристаллы газогидратов.