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

Минералы группы хлорита характеризуются межплоскостным расстоянием, близким к таковому смектитов. В межслоевом промежутке (d_хлорит = 14,3 А^о), как уже упоминалось выше, место структурированной воды и обменных катионов занимает отдельно лежащий октаэдрический слой. В отличие от смектитов минералы этой группы не разбухают в присутствии глицерина или этиленгликоля. Эффект разбухания наблюдается лишь в том случае, если октаэдрический слой разорван на отдельные блоки, между которыми, частично раздвинув межпакетное пространство, могут внедриться неполярные органические молекулы.

Наконец, самым крепким видом соединения трехэтажных пакетов в том слоеном пироге, которым является чешуйка глинистого минерала, является сочленение через катионы К⁺, находящиеся в межслоевом промежутке. Крупные катионы этого элемента лежат как бы полуутопленными в пустотах, окруженных шестью соседними тетраэдрами. Если верхняя половина катиона оказывается в точно такой же ячейке тетраэдрического слоя соседнего пакета, межпакетное пространство запирается словно на кнопки. Чтобы «расстегнуть» их, необходимо удалить К⁺. Подобное строение характерно для минералов группы слюд (мусковита, биотита, флогопита) и сохраняется в производных от них образованиях — иллитах (гидрослюдах). Жесткость сцепления обеспечивается сильным отрицательным зарядом трехэтажных пакетов у всех этих минералов, который как раз и нейтрализуется калием. В отличие от слюд у иллитов кнопки расставлены далеко не равномерно, т. е. часть пакетов не пристегнуты «намертво». Там, где отсутствует К ⁺, могут находиться молекулы воды. Именно поэтому эти минералы нередко именуют гидрослюдами. Они практически не разбухают и имеют межплоскостное расстояние около 10 А^о.

Таким образом, мы познакомились со структурой основных глинистых минералов — смектитов, каолинита, иллита и хлорита. Существует масса разновидностей этих образований, а также переходных между ними форм. Родственными являются также структуры, относимые к псевдослоистым силикатам, — палыгорскит и сепиолит. Они возникают в условиях дефицита основных строительных кирпичиков — кремния и алюминия, а поэтому отличаются игольчатой или волокнистой формой кристаллов, прекрасно идентифицируемых на электронных микрофотографиях.

Диагностируются глинистые минералы преимущественно с помощью дифрактометрии, которая является одним из методов рентгенографического анализа. Фиксируя на дифрактограммах рефлексы отражений разного порядка от внутренних поверхностей минеральных структур, ориентированных на стеклянной пластинке, легко рассчитать межплоскостные расстояния тех глинистых минералов, которые находятся в составе препарата. При этом используют целый ряд дополнительных обработок — насыщение глицерином или этиленгликолем, прокаливание до 500 °C и др., что дает возможность распознавать минералы сходного строения и состава, имеющие близкие межплоскостные расстояния, например иллит, смектит и хлорит.

В воде глины распадаются на мелкие чешуйки и микроагрегаты. Их исследуют в поле электронного микроскопа либо методом просвечивания, либо путем сканирования напыленной золотом поверхности. Многие минералы узнаются по характерным очертаниям: палыгорскит и сепиолит присутствуют в виде иголочек или волокон, галлуазит — в виде обломанных или полураскрытых трубочек, хорошо окристаллизованный каолинит — в форме шестигранных пластинок. Менее надежно диагностируются другие глинистые минералы. На электронных микрофотографиях смектит обычно представлен мелкими облаковидными агрегатами с нечетко выраженными краями. Для иллитов характерны крупные плотные агрегаты неправильной формы с четкими очертаниями.

Таковы некоторые «интимные» подробности строения минералов, входящих в состав грязи, которую мы досадливо смываем в распутицу с наших ботинок.

Известняк — кладбище древних обитателей морей и озер

Если поместить в поле оптического микроскопа шлиф, приготовленный из обломка известняка, то в поляризованном свете перед глазами исследователя предстанет скопление обломков и зерен причудливых очертаний, мерцающих бело-розовыми тонами интерференционной окраски. Впрочем, встречаются и другие разности, сложенные мелкозернистой массой зерен, ромбоэдрами кальцита или овальными в плане ооидами, погруженными в тонкозернистый матрикс, в составе которого трудно различить индивидуальные частицы.

Мир известняков чрезвычайно разнообразен. В большинстве своем это светлые и плотные породы, сложенные кальцитом и (или) арагонитом — кристаллографическими разновидностями углекислого кальция. Кальциту отвечает характерная упаковка последнего, дающая ромбоэдрическую форму кристаллов, арагониту — упаковка в виде удлиненных сростков, напоминающих кусочки древесины. Встречаются и кристаллиты игольчатой формы. Арагонит — метастабильный минерал, который при погружении в недра, а нередко и у поверхности трансформируется в кальцит или доломит (CaMgCO₃).

В ту далекую эпоху, когда примитивные организмы стали переходить от хемосинтеза к фотосинтезу, основанному на разложении углекислого газа с выделением кислорода и углерода, они научились связывать избыток углекислого газа, растворенного в морской воде, с кальцием. Это приводило к образованию трудно растворимой в воде соли и переводу ее в осадок. Первыми продуцентами известковых осадков были, вероятно, предшественники современных цианобактерий, называемых еще синезелеными. Эти водоросли, одни из самых древних форм низших растений, обитают в настоящее время в глубине лагун, обрамляющих побережья в аридных поясах климата. В лагунах Мормона и Фигерса в Нижней Калифорнии колонии цианобактерий заселили среднюю и верхнюю части приливно-отливных площадок, где в результате их жизнедеятельности возникают бугорчатые подушки, сложенные выделяемым водорослями арагонитом. На вертикальном срезе через подушку можно видеть слоисто-оконную текстуру известняка, в которой плотные однородные слойки чередуются со слойками, испещренными порами и кавернами, напоминающими маленькие оконца. В одних пропластках можно заметить зерна кварца и другие минеральные примеси, в других — окрашенные в черный цвет органические включения. Каждый из слойков отвечает определенному этапу в жизни водорослевой колонии и фиксирует обычно сезонные климатические изменения. Нарастая от года к году и сливаясь друг с другом, водорослевые подушки формируют за тысячелетия значительный по толщине и протяженности массив известняка.

Разнообразные и причудливые по форме постройки создают цианобактерии на побережье залива Шарк в Западной Австралии, где они занимают обширную прибрежную полосу вплоть до зоны, заливаемой только при максимальном приливе. Хотя эти площадки защищены барами от океанской зыби, штормовые волны все же воздействуют на водорослевые постройки. Под влиянием волн и отливных течений одни из них приобретают гладкую и приплюснутую форму (нижняя часть приливной зоны), другие становятся похожими на столбы, выступающие из воды во время отлива. Эти образования, напоминающие рифы, затрудняют высадку с лодок на берег. В верхней, редко заливаемой части береговой зоны распространены бугорчатые подушки со следами явной деградации. Как считают многие исследователи, в лагуне Шарк воспроизведены условия, существовавшие 1–1,5 млрд лет назад (т. е. в докембрии) на нашей планете. От этих эпох остались мощные комплексы строматолитов — известняков водорослевого происхождения, по форме и внутренней структуре аналогичных современным водорослевым постройкам.

Многие из древнейших разновидностей известняков были погружены впоследствии на большие глубины в недра Земли. Здесь под воздействием высоких температур и давлений они превратились в мрамор — породу, в которой изначальные элементы полностью перекристаллизованы, а поровое пространство заполнено карбонатами поздней генерации. В мраморах можно видеть следы оползания или течения карбонатного вещества либо в период отложения на дне водоема, либо под влиянием огромных нагрузок в глубоких недрах. Эти текстуры придают отдельным кускам мрамора неповторимый, притягательный для глаз облик. Многообразные примеси, окрасившие первоначально белый или палевый известняк в различные тона кремового, коричневого, красного и других цветов, делают мрамор ценнейшим отделочным материалом. Недаром самые известные из памятников архитектуры, начиная с древнегреческого акрополя, строились из мрамора или по крайней мере отделывались мраморными плитами и колоннами. Одна из древнейших каменоломен, где добывали этот материал, была обнаружена на острове Мармора в Геллеспонте (Мраморное море). Отсюда и пошло название этого вида перекристаллизованных известняков.

Возникшие в конце докембрия (0,7–0,6 млн лет назад) многочисленные формы морской фауны и флоры вытеснили своих примитивных предшественников в периферийные экологические ниши — лагуны и заливы. Многие из новых организмов унаследовали от них способность связывать углекислый газ и кальций в минеральную соль. Это были багряные водоросли, литотамнии, кишечнополостные (губки) и конодонты. Другие животные — трилобиты стали строить панцирь из хитина. Известняки накапливались по всему миру, и особенно быстрыми темпами в раннем палеозое. Однако подлинная революция произошла после того, как появились колониальные формы мельчайших животных — предшественников современных кораллов. Они принялись строить настоящие города под водой, да еще в тех условиях, где не выдерживала самая крепкая порода. Действительно, только рифы, заселенные живыми кораллами, способны устоять под непрерывными ударами океанских волн, разрастаясь при этом в высоту и ширину. На безбрежных пространствах древних эпиконтинентальных морей и океанических шельфов распространились и одиночные морские организмы, защищенные карбонатными раковинами: брахиоподы, моллюски, морские лилии и ежы, мшанки. Наконец появились и свободно плавающие в воде организмы, использовавшие для построения скелета карбонат кальция: аммониты, фораминиферы, нанопланктон. Кальцит и арагонит стали формироваться по всему океану, исключая высокие широты и глубоководные зоны, где преобладали холодные воды. Остатки свободноплавающих организмов опускались на дно. Здесь органические составляющие полностью или частично разлагались, но оставались компоненты скелета, накапливавшиеся в виде осадка. В эпохи высокого стояния океанических вод, когда значительные площади суши оказывались под водой и поступление обломочного материала резко сокращалось, карбонатные отложения становились самыми распространенными в морях и океанах. Они формировались и в крупных озерных водоемах на суше.

Одной из эпох преимущественного карбонатонакопления была позднемеловая. Уровень океанических вод в то время поднялся на 150–200 м выше современного. Вследствие этого береговая линия резко отступила в глубь суши. Периферийные и часть центральных районов крупнейших платформ — Восточно-Европейской, Северо-Американской и Африканской — заняло море. Водосборные площади рек сократились; в результате в океан с суши перестали поступать огромные количества песка и тонкой взвеси. В толще воды распространились мельчайшие карбонатстроящие организмы — кокколитофориды. Из их остатков, опустившихся на дно, образовались тончайшие белые илы, которые затем, уплотнившись, превратились в мел. В поле электронного сканирующего микроскопа образцы мела предстают совершенно иными. Здесь можно увидеть различные структуры в виде щитов, шлемов, колес, спиралек и т. д. Мел — это гигантское кладбище нанопланктона, формировавшееся миллионы лет. Название этой породы было присвоено и тому периоду, в котором она получила широкое распространение.

Не только мел, но и мергели, а также многие разновидности тонкозернистых известняков сложены мельчайшим детритом карбонатстроящих организмов. По характерным их остаткам легко установить время образования карбонатных отложений и возраст всей толщи пород. Именно в известняках палеонтологи нашли и определили большую часть ископаемых моллюсков, кораллов, мшанок и др., обнаружили древние карбонатные банки и отмели, огромные рифовые массивы. В частности, выяснилось, что рифовые острова и атоллы протягивались в раннепермское время и в позднем карбоне вдоль восточного края Русской плиты, от Тимана до Башкирии и далее на юг, в Прикаспийскую впадину, т. е. как современный Большой Барьерный риф Австралии. Последний возник у края шельфа в Коралловом море и состоит из тысяч островков и рифов кораллового происхождения, вытянутых с севера на юг на расстояние более 2000 км. Еще больший по протяженности барьерный риф позднеюрско-раннемелового возраста распадается на отдельные кольцевые комплексы шириной 150–200 км. Он выявлен с помощью геофизических методов и бурения под шельфом и континентальным склоном атлантической окраины Северной Америки, от Ньюфаундленда до Багамской банки и далее по северному контуру Мексиканского залива до полуострова Юкатан. Здесь при бурении на глубине нескольких тысяч метров в районе банки Кампече были открыты гигантские месторождения нефти. Залежи находятся в высокопористых рифовых известняках. Высота некоторых из них превышает 1000 м.

Крупные месторождения нефти, приуроченные к древним погребенным рифовым массивам, были обнаружены во многих районах мира. Однако пальма первенства в этом отношении принадлежит Персидскому заливу, где в рифах, да и вообще в известняках, сосредоточены огромные запасы углеводородного сырья (около 21 млрд т нефти и 11,5 трлн м³ газа).

Значение карбонатных пород, известняков и доломитов как коллекторов нефти и газа очень велико. Во многих крупных нефтегазоносных бассейнах в них заключено более половины запасов углеводородов. Объясняется это хорошими емкостными возможностями благодаря большому количеству пор или каверн, унаследованных от первичной структуры рифа или возникших при выщелачивании карбоната кальция во время погружения в осадочные бассейны.

Карбонат кальция обладает повышенной растворимостью в холодных водах. Поэтому организмы, строящие из него скелет или раковины, слабо распространены в Высоких широтах и не живут в глубоководных зонах океана, где температура воды не превышает 4–8 °C. Более того, карбонатные раковины и различные минеральные компоненты карбонатного планктона, обитающего в поверхностном водном слое морей и океанов, опускаясь после отмирания на дно, постепенно растворяются. Существует так называемая критическая глубина карбонатонакопления, т. е. тот уровень, ниже которого не способны проникнуть остатки карбонатного планктона, так как по пути на дно они должны полностью раствориться. В современную эпоху она соответствует в океане 4500 м. В другие геологические эпохи этот условный уровень поднимался или опускался. Скелетные остатки из арагонита растворяются быстрее, чем кальцитовые раковинки. Поэтому критическая глубина растворения арагонита на 800-1000 м выше приведенного выше значения.

Таким образом, абиссальные котловины и желоба в океане с глубинами более 4500 м лишены карбонатных осадков. Зонами развития последних являются районы континентальных окраин (шельф — континентальный склон — подножие) и области срединно-океанических поднятий. Многие подводные горы, представляющие собой потухшие щитовые вулканы, также перекрыты шапкой карбонатных отложений мощностью от нескольких сот до полутора тысяч метров. Среди них много древних атоллов, погрузившихся в морские пучины.

Не все карбонатные породы можно отнести к разряду биогенных, т. е. сложенных остатками организмов. Встречаются и хемогенные известняки, например оолитовые породы. Как и песчаники, они сложены зернами примерно одинаковой величины (от 0,2–0,5 до 1–2 мм), между которыми в порах располагается тонкоотмученный карбонат кальция, играющий роль цемента. Строение зерен необычно. Они представляют собой шарики или сфероиды с ядром и рядом концентрических оболочек вокруг него. В качестве ядра могут выступать мелкие зерна кварца или других минералов, комочки глинистого вещества, обломки раковин или другие форменные элементы. Оболочки сложены карбонатом кальция и часто имеют радиально-лучистое строение: отдельные кристаллы образуют игольчатой формы сростки, ориентированные поперек самой оболочки, от центра зерна к его поверхности. В шлифах на срезе в скрещенных николях оолиты напоминают глаз с хрусталиком посредине.

Оолиты образуются в затишных участках лагун и заливов на мелководье, там, где воды пересыщены карбонатом кальция. Такие условия обычно складываются у побережий тропических и субтропических стран, где невелик вынос с суши обломочного материала. Песчинки или комочки глины под действием небольших волн или приливно-отливных течений перемещаются по дну, становясь в условиях избыточного испарения воды центрами кристаллизации карбоната кальция. Оболочки нарастают одна за другой, до тех пор пока оолитовое зерно не оказывается слишком тяжелым и перестает перекатываться по дну. Оолиты образуются в настоящее время в лагуне за островом Андрос (Багамские острова), в одной из неактивных лопастей дельты реки Ориноко, в других местах. В прошлом этот процесс был распространен шире Оолитовые известняки известны на Кавказе и в Крыму, описаны на Копетдаге и на востоке Русской плиты, во многих других районах.

Арагонитовые корки хемогенного происхождения покрывают базальты ложа и выступы коренных пород в глубоководных впадинах Красного моря. Это стяжения желтовато-коричневого цвета с бугорчатой поверхностью. В поле электронного сканирующего микроскопа видны сростки игольчатых кристаллов арагонита, направленные в одну сторону. Формирование подобных корок в Красном море, видимо, связано с наличием рассолов в глубоководных его впадинах. Впрочем, хемогенная садка карбонатов происходит и на побережье этого моря в небольших рассольных ямах и пересыхающих соляных озерах, заполняемых морской водой в периоды нагонных ветров. После испарения значительной части воды на дно выпадают карбонатные минералы — доломит и арагонит.

Доломит часто развивается по кальциту при погружении известняков в недра. При этом возникают вторичные пустоты.

Яшмы — реликты дна океанов

После растворения карбонатного детрита, опускающегося сквозь многокилометровую толщу воды на дно абиссальных котловин, остаются аморфные субстанции и частицы, захваченные при жизни организмами. Все это вместе с компонентами пеллетного транспорта (фекалии зоопланктона) составляют осадки специфического состава — красные глубоководные глины, занимающие ныне от 30 до 55 % площади дна в различных океанах. Основная масса в глинах — это частицы коллоидных и субколлоидных размеров, среди которых преобладают оксиды металлов (главным образом железа) и глинистые минералы. Алевритовая и крупнопелитовая фракции обычно сложены материалом эолового разноса (кварц, полевые шпаты, слюды), микростяжениями железа и марганца, а также аутигенными минералами — цеолитами, феррисмектитами и др. Аутигенные минералы — новообразования, возникшие в осадке in situ за счет разложения других составляющих или поступления вещества снизу вместе с поровой водой, отжимаемой из более глубоких слоев осадка. Микростяжения тоже новообразования, включающие в основном оксиды металлов. Наконец, самые крупные компоненты представлены зубами акул, костями рыб и железомарганцевыми конкрециями. Так как скорости накопления красных глубоководных глин очень низкие, они не образуют мощных осадочных тел, не в пример глинам, песчаникам и известнякам на континентах и в переходной зоне от этих последних к океанам.

В разрезе или по простиранию красные глины часто сменяются кремнистыми осадками, особенно широко распространенными в приполярных и экваториальных широтах Мирового океана. В поле оптического и электронного сканирующего микроскопов можно увидеть частицы, которыми сложены кремнистые илы. В большинстве случаев это мелкие (0,03-0,3 мм) скорлупки и раковинки, принадлежащие планктонным организмам с так называемой кремневой функцией, т. е. они строят скелетные элементы из кремнекислоты, в форме SiO₂ — рентгеноаморфной фазы, известной как опал-А. В кремнистых илах высоких широт важнейшим компонентом являются панцири диатомей, в тропических же широтах — раковинки радиолярий. И те и другие относятся к фитопланктону, т. е. живут за счет фотосинтеза там, где фотический слой океана обогащен или постоянно пополняется питательными веществами-биогенами: нитратами, нитритами, фосфатами, кислородом и кремнекислотой. При наличии всего необходимого для жизни кремнестроящие организмы способны создавать огромные популяции, которые обычно наблюдаются в районах перемешивания поверхностных вод с глубинными, богатыми биогенами. После отмирания остатки диатомей, радиолярий и силикофлагеллят опускаются на дно.

Кремнезем в отличие от карбоната кальция более устойчив к растворению в морской воде. Поэтому детрит, сложенный опалом-А, проходя водную толщу океана, почти не разрушается. Как правило, скорости аккумуляции кремнистых морских осадков значительно выше, чем карбонатных. После захоронения под плащом более молодых отложений в кремнистых илах начинаются активные процессы трансформации и перераспределения вещества, приводящие к растворению или перекристаллизации многих органических остатков. При этом аморфная фаза (опал-А) переходит в кристаллическую (опал-КТ), а затем в халцедон и кварц. Все это сопровождается резким сокращением порового пространства и образованием прочных, отвердевших разностей — кремней и порцелланитов. Это уже породы, горизонты которых отличаются большой прочностью. Кремнистые осадки, залегающие среди глин или карбонатов, зачастую окаменевают первыми. Однако даже в этих условиях в них сохраняются отдельные раковинки или панцири кремнистых организмов, свидетельствующие об их биогенной природе.

Остатки диатомей и радиолярий встречаются и в очень древних отложениях, широко распространенных в Альпийском складчатом поясе. Радиолярии гораздо более древняя группа, чем диатомеи. Сложенные ими породы, радиоляриты и яшмы, часто соседствуют в разрезах с базальтами и пестрыми или красными сильно преобразованными сланцами. Отсутствие в тех же разрезах карбонатов и терригенных отложений, типичных для континентов и их окраин, дало повод думать, что древние кремнистые породы аналогичны современным радиоляриевым илам, т. е. они возникли в центральных глубоководных частях древнего океана.

Радиоляриты занимают промежуточное место в ряду от радиоляриевых илов к яшмам. Последние нацело перекристаллизованы в недрах, в условиях воздействия высоких температур и давлений. В них очень редки идентифицируемые органические остатки. Яшмы широко используются как поделочный камень, и мало кто знает, что это всего-навсего маленький реликт дна давно исчезнувших морей. И сложен он мельчайшими остатками организмов, обитавших на Земле в палеозойскую или мезозойскую эру. Основной минеральной фазой яшмы является халцедон или скрытокристаллический β-кварц.