Читая каменную летопись Земли...: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Однако самое суровое испытание ожидает песчаные частицы там, где основным агентом переноса является ледник. Под давлением движущегося льда зерна растрескиваются и распадаются на более мелкие частицы, различающиеся исключительно неправильной формой с острыми углами и отчетливо выраженными поверхностями скола. На крупных обломках и гальке остаются борозды — характерные следы волочения, на зернах песчаной размерности наблюдаются насечки и трещинки.

Таким образом, бесчисленные песчинки, прилипающие к нашему телу на пляже, это не скопление одинаковых безымянных частиц, а собрание индивидуальностей с различной судьбой, отраженной в их форме и структуре поверхности. И все-таки самая последняя фаза их жизни на свободе — наиболее важная. Именно в это время стираются или затушевываются старые отметины и появляются новые. Поэтому в барханах пустыни множество песчинок с «пустынным загаром» и почти нет зерен с типичным для ледниковых отложений обликом. А вот в морских наносах субтропических и аридных зон вместе с хорошо отполированными под ударами волн частицами можно увидеть зерна с «рубашкой» из оксидов железа. Их приносит сюда ветер из соседних пустынь и полупустынь. На шельфах некоторых других аридных областей встречаются пески, где большинство зерен одето в черную «рубашку» из фосфатов. Это зачаточные ядра будущих фосфоритовых конкреций — ценного полезного ископаемого. Самый же однородный по составу, отполированный и чистый (без рубашек и примесей) песчаный материал накапливается в дельтах крупных рек. Он почти нацело состоит из хорошо окатанных кварцевых зерен. Река так долго несла песчинки по равнинам, что на этом пути потерялись, истерлись минеральные компоненты, малоустойчивые к переносу. Так, отношение кварцевых частиц к зернам полевых шпатов — второго по распространенности компонента в составе песков — в дельте реки Амазонки, например, колеблется от 40: 1 до 98: 1, тогда как во многих песках морского генезиса оно не превышает 10:1 и даже 4: 1. В некоторых же седиментационных обстановках полевые шпаты могут преобладать над кварцем. Пески с высоким содержанием полевых шпатов называют аркозовыми. Чистые кварцевые пески такое же полезное ископаемое, как и руды. Знаменитое венецианское стекло во многом обязано своей славой кварцевым пескам с небольшого островка Мурано, который находится в глубине венецианской лагуны. Эта последняя возникла, как показали палеогеографические исследования, на месте отмершего участка древней дельты реки По.

Те речки, у которых короткий пробег, доставляют к морскому побережью обломки многих пород, обнажающихся на водосборах, вдоль притоков и основного русла. Если это граниты, то среди песчаных частиц будут преобладать кварц, полевые шпаты и слюды. Если в пределах водосборной площади преобладают магматические образования, то песок в устье реки будет иметь темный цвет, так как в его составе основную роль играют обломки базальтов, андезитов или ультрамафитов, окрашенных, как правило, в темные цвета. Эти пески не годятся для производства стекла. Из-за своей окраски они получили название граувакк (темно-серый песчаный осадок) и встречаются в областях активного вулканизма, например на островах вулканического происхождения в центральных частях океана.

Таким образом, песок песку рознь. Самыми распространенными являются полевошпат-кварцевые пески, которые объединяются в группу аркозов и субаркозов (в аркозах от 10 до 25 % приходится на зерна полевых шпатов, в субаркозах — от 5 до 15 %, почти все остальное — кварц). Такие пески в изобилии присутствуют на морских побережьях, на открытых шельфах. Много их и на суше, особенно в окрестностях так называемых платформенных щитов, где на поверхность выходят породы гранитного фундамента. Кварцевые пески встречаются как в устьях крупных рек, так и на равнине, где они выполняют древние отмершие речные русла или слагают погребенные дюны, некогда мигрировавшие вдоль берегов озер. Песок в пустыне также в основном кварцевый, хотя и имеет желтый цвет из-за пленки «пустынного загара». В горах и вблизи горных массивов распространены пески многокомпонентного (полимиктового) состава, включающие обломки пород, зерна кварца и полевых шпатов в разных сочетаниях.

На небольших островках близ Атлантического побережья Франции описаны «поющие» пески: под ногами идущего по пляжу человека они издают мелодичное поскрипывание, которое можно услышать лишь в тихую погоду. Дело в том, что между песчинками в порах находятся мелкие кристаллики гипса. Ломаясь под тяжестью ступни человека, они издают звук, похожий на звон стеклянной посуды на столике в купе движущегося поезда. Гипс и другие соли кристаллизуются в поровом пространстве пляжевых песков при испарении морской воды, насытившей осадок при заплесках волн во время шторма.

В песках, захороненных под плащом других, более молодых осадков, сохраняется не только исходный состав, иначе говоря минеральная структура, но и другие специфические признаки, позволяющие судить об условиях их формирования. Эти признаки, называемые текстурными, включают слоистость, различные знаки и неровности на поверхности пластов, а также следы жизнедеятельности древних организмов: ходы илоедов, копролиты и т. д. По этим признакам можно воссоздавать палеоландшафты, определять направление водных течений, розу ветров, если речь идет об эоловых наносах, климатические особенности эпохи. В песках прекрасно фиксируется косая, волнистая, перекрестная и бугристая слоистость. Первая типична для песков из речных русел, вторая и третья наблюдаются в подводной части пляжа и на открытых участках шельфа, четвертая — на приливно-отливных площадках.

По комплексу этих признаков, иначе говоря текстур, можно судить об обстановках аккумуляции песков и проследить их изменение во времени. Так, в обнажениях киргизской части Ферганской долины в песчаниках раннемелового возраста прекрасно выражена крутопадающая косая слоистость, характерная для мигрирующих под действием ветра песчаных дюн. Поля этих дюн погребены под наносами, отложенными водными потоками. Гребни дюн оказались срезаны водой, и остались лишь их основания, слившиеся вместе. Таким образом, в недрах был захоронен пустынный ландшафт, существовавший в Средней Азии в начале мелового периода.

Древние песчаные дюны и барханы недавно идентифицированы в толще Красного Лежня — в песчаниках триасового возраста (около 200 млн лет назад). Они распространены в акватории Северного моря и были вскрыты нефтепоисковыми скважинами под дном на глубинах нескольких тысяч метров. Выяснилось, что около 200 млн лет назад здесь существовала пустыня. Подобных примеров можно привести множество.

Волна легко смывает следы, оставленные ступней человека на песке. У Р. Брэдбери есть рассказ о рисунках, сделанных на пляже известным художником. В задумчивости он рисовал их тростью на песке во время ночной прогулки вдоль моря. К утру разыгравшийся шторм уничтожил рисунки, и только один, случайный свидетель успел насладиться зрелищем нечаянного шедевра. Оказалось, однако, что волна, смывая различные следы, оставляет собственные отпечатки в виде крупной и мелкой ряби, желобков, проложенных стекающей водой, волноприбойных знаков.

В районах, где пески залегают среди пластов мощных влагонасыщенных глин, при погружении в недра наблюдаются интересные явления. Вода, выдавливаемая из глин в процессе их уплотнения, переходит в соседние пески, сохранившие высокую пористость. Возникает аномально высокое давление. Песчаный пласт превращается в плывун, обладающий огромной «таранной» силой. Через ослабленные зоны, например вдоль разломов, он прорывается к поверхности, образуя так называемые нептунические дайки. Одновременно происходит разгрузка излишней воды, уже не помещающейся в песчаном горизонте. Подобные дайки широко распространены на полуострове Челекен в Западной Туркмении, где их прекрасно описал известный литолог В. Н. Холодов.

Другой интересный феномен, наблюдаемый уже в горных районах Дагестана, — это септариевые конкреции — крупные круглые шары, словно ядра торчащие в вертикальных откосах над дорогами. Они возникли в песчаниках и в близких к ним породах — алевролитах альбского возраста. Исследования ученых показали, что речь идет о конкрециях — стяжениях, сложенных железистым карбонатом (сидеритом) и сформировавшихся в песчаниках уже после погружения в недра на стадии диагенеза, с которой связано превращение осадка в породу.

Что такое глина?

Глина в повседневной жизни у многих людей ассоциируется с обыкновенной липкой грязью. Чтобы смыть ее с обуви, надо приложить изрядные усилия. Это досаждающее в быту свойство глин является одним из самых ценных в индустриальном производстве.

Важнейшие качества глин — это связность и пластичность. Если другие рыхлые отложения легко распадаются на отдельные ингредиенты (зерна, обломки, комочки), то агрегаты, составляющие глину, как бы сцеплены друг с другом и, будучи разъединенными, легко связываются вновь при контакте. Хотя глина не обладает магнитными свойствами, на ее поверхности легко адсорбируются разные тонкие частицы, а сама она запросто пристает к нашим рукам и одежде.

Еще одним качеством, отличающим глину от других осадочных образований, является способность размокать в воде. Если мы размешаем комок глины в стакане воды, она быстро помутнеет и будет оставаться такой в течение многих часов, а иногда и дней. Любой же другой осадок, размешанный в воде, почти сразу оказывается на дне. Чтобы заставить опуститься глинистые частицы, приходится добавлять в воду вещества — коагулянты, например сильные электролиты. В лабораториях глинистую суспензию осаждают в центрифугах.

Необычна и способность некоторых глин к разбуханию. Если нанести на поверхность препарата из такой глины глицерин или этиленгликоль — тяжелые неполярные жидкости, то этот препарат на глазах начинает вспухать. Объем некоторых разновидностей глин при этом способен возрасти в несколько раз.

Пластичностью можно объяснить способность глины сохранять приданную ей форму. Кто из нас не лепил в детстве забавных зверушек из пластилина? А ведь в его основе лучшие сорта формовочных глин. Можно еще много рассказывать о специфических свойствах глин и слагающих их минералов, которые определяют широкий спектр применения этих образований в народном хозяйстве. Вначале, однако, полезно познакомиться с их внутренней структурой, определяющей отмеченные выше необыкновенные качества.

Глины и производные от них глинистые породы — аргиллиты, сланцы, филлиты — чрезвычайно широко распространены в осадочной оболочке Земли. Они составляют от 50 до 70 % ее объема. Это связано с высокой устойчивостью глинистых минералов в условиях земной поверхности и относительно глубоких ее недр (7-10 км). Подобная устойчивость обусловлена лабильностью кристаллической решетки слоистых силикатов, к которым принадлежит большинство глинистых минералов, ее способностью к трансформациям при изменении температур и давлений, других физико-химических параметров среды. Конечным продуктом на пути превращения глинистых минералов при погружении в недра являются слюды. Последние, отличаясь значительной устойчивостью к высоким температурам и давлениям, в поверхностных условиях, как правило, легко преобразуются обратно в глинистые минералы.

Кристаллическая решетка слоистых силикатов устроена наподобие слоеного торта: примерно одинаковые по толщине его листы наложены один на другой, а между ними помещается «начинка». В структуре глинистых минералов роль теста играют двух-, трехэтажные пакеты, построенные октаэдрами и тетраэдрами. И те и другие образуют самостоятельные слои, жестко сцепленные между собой. Наиболее широко распространены две комбинации таких слоев-сеток: сочетание тетраэдрического и октаэдрического слоев, формирующих двухслойный тип пакета, и сочетание двух тетраэдрических сеток с октаэдрической между ними, что позволяет говорить о трехслойной структуре единичного пакета.

Не разбирая подробно, как устроены тетраэдры и октаэдры, отмстим, что в вершинах тех и других находятся анионы, тогда как внутри каждой (или почти каждой) ячейки расположены катионы. Анионы — обычно жестко связанные друг с другом О^—2 и ОН^— — играют роль стенок в блочном доме. Некоторые даже являются общими для соседних «квартир». В качестве же «постояльцев» в этих «квартирах» выступают двухвалентные магний и железо, трехвалентные железо и алюминий, а также четырехвалентный кремний. Для первых трех из перечисленных катионов в качестве жилища годятся только октаэдры, для последнего, кремния, — только тетраэдры. Лишь алюминий может располагаться (в определенном количестве) и в тех и в других.

Интересно, что если «квартирки» в тетраэдрических этажах все до одной заняты «жильцами», то октаэдрический этаж может быть полностью заселен только двухвалентными катионами — Fe²⁺ и Mg²⁺. Трехвалентные алюминий и железо требуют для себя улучшенных условий и размещаются лишь в двух из каждых трех «комнат» октаэдрического этажа. Это обусловлено необходимостью соблюдения относительного баланса отрицательных и положительных зарядов в каждом домике-пакете. Если оно не будет соблюдено, домик рассыпется. Естественно, что при преобладании трехвалентных катионов в октаэдрах общий баланс зарядов поддерживается меньшим их количеством, чем в случае, если «квартирантами» в этом этаже будут двухвалентные железо и магний.

Минералы, в структуре которых находятся пакеты-домики повышенной комфортности (с заселенными на две трети комнатами в октаэдрическом этаже), получили название диоктаэдрических. Соответственно минералы с пакетами, заселенными «под завязку», называются триоктаэдрическими. Это важные понятия, так как и ди- и триоктаэдрические минералы образуются в строго определенных физико-химических условиях среды на поверхности Земли или в ее недрах.

В отличие от анионов, изъятие которых из структуры приводит к ее разрушению, катионы обладают большей свободой. Например, они могут в определенных условиях меняться «квартирами» или выезжать из них с последующим заселением новыми «жильцами». Эти изменения в составе катионов называются изоморфными замещениями. Так, Mg²⁺ может заместиться Fe²⁺ и, наоборот, Аl³⁺ нередко сменяется Fe³⁺. Речь в данном случае идет о более просторных, октаэдрических «квартирах». Что же касается тетраэдров, то тут обмен жилплощадью может происходить только между кремнием и алюминием. Последний отличается неприхотливым нравом и частично замещает кремний при постепенном погружении глинистых отложений в недра, где этому четырехвалентному катиону становится тесно в сузившейся каморке — тетраэдре, и он стремится покинуть ее.

Вот таковы основные правила общежития в домиках-пакетах, которыми составлены глинистые минералы. Если вернуться к сравнению структуры глин со слоеным тортом, то придется упомянуть и о «начинке», находящейся между отдельными пакетами. В этом отношении глинистые минералы выпечены по разным рецептам. В одних роль «крема» играет обособленный октаэдрический слой. Таковы минералы группы хлорита. В других — это слои из упорядоченных молекул воды с обменными катионами (смектиты), в третьих — катионы калия (иллиты или гидрослюды). Четвертая группа минералов — каолинит, диккит, галлуазит вообще лишены «крема». Это — «сухое печенье». Отдельные пакеты, а они, кстати, имеют необычное двухслойное строение (один тетраэдрический на один октаэдрический слой), сцеплены вместе ван-дер-ваальсовыми силами чисто электрической природы (рис. 1). Впрочем, во многих каолинитах отмечается присутствие небольшого количества сорбированной воды и обменных катионов.

Межпакетное, или, как чаще его называют, межслоевое, пространство играет в глинистых минералах огромную роль. В сущности, его содержимое во многом определяет различия между отдельными их группами и видами.

Свойства и содержимое межслоевого пространства зависят от общего электрического заряда соседних двух- или трехэтажных пакетов («домиков с жильцами»). Так как в структуре слоистых силикатов преобладают анионы, несущие электрический заряд, а катионы в глубине тетраэдров и октаэдров лишь компенсируют его (в глинистых минералах далеко не полностью), то и суммарный заряд единичного пакета является отрицательным. Для того чтобы структура минерала была полностью уравновешенной, необходима полная компенсация общего заряда. Эту функцию в глинах выполняют межслоевые катионы. Они располагаются в углублениях тетраэдрической сетки, внешняя поверхность которой сложена основаниями тетраэдров. Вершины же их обращены в сторону октаэдров и частично являются общими для них.

Большинство межслоевых катионов играют роль «молнии» или своего рода «липучек». Некоторые из них, например Са²⁺ или Mg²⁺, стягивают соседние пакеты совсем нежестко. Другие связывают пакеты более крепко (Na⁺). Все эти катионы относятся к обменным. С помощью нехитрой химической обработки их можно вывести наружу, заменив другими, скажем Li⁺, Н⁺, NH₄⁺. Благодаря небольшому отрицательному заряду, рассеянному по поверхности трехэтажных пакетов и в основном компенсированному обменными катионами, в межслоевом пространстве может помещаться вода, образующая слои или сетки. Последние составлены ориентированными молекулами воды, находящимися в состоянии жидкого кристалла. Возникает структура более плотная по сравнению со структурой льда. Такая вода называется переуплотненной. Полагают, что она является химически чистой, т. е. не содержит примесей, а потому агрессивна в химическом отношении.

В зависимости от типа обменного катиона, находящегося в межслоевом пространстве, там может образоваться один, два или более слоя структурированной воды: при преобладании натрия — один слой, при наличии кальция или магния — два слоя. Присутствие воды значительно растягивает межслоевое пространство. Высота двухслойного пакета (по оси с) равна 7,14 А^о, трехслойного — около 10 А^о. Но так как единичные пакеты разделены довольно широким межслоевым промежутком, в котором находятся вода и обменные катионы, то реальное расстояние между нижними поверхностями двух соседних трехэтажных пакетов возрастает до 12,4 или даже до 15,4 А^о. Это расстояние называется межплоскостным и широко используется для идентификации (диагностики) глинистых минералов.

Более того, в широкие межслоевые промежутки легко проникают тяжелые неполярные органические молекулы, например этиленгликоля или глицерина. И тогда межплоскостное расстояние увеличивается до 16,5 А^о в первом случае и до 17,8 А^о во втором. Минералы с подобной кристаллической решеткой называются разбухающими. В большинстве своем они относятся к группе смектита (рис. 2). Их несколько: смектит, бейделлит, сапонит, железистый смектит и некоторые редко встречающиеся минералы.