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

Уголь и горючие сланцы — окаменевшие леса и топи

Если немыми свидетелями древних пустынь и прибрежных соляных ванн остались ископаемые соли и песчаные тела дюнного происхождения, то бурые и каменные угли хранят память об иных обстановках и климатических условиях. Говорят, что в углях запечатана энергия солнечных лучей, падавших на Землю в отдаленные эпохи. Впрочем, и соли — продукт солнечной активности, когда под действием его лучей испарялись воды древних водоемов. Однако соли уже не способны отдать энергию солнца обратно. Ценность же углей именно в этом. Они — природные аккумуляторы солнечной энергии, хранители тепла, столь расточительно расходуемого человеком с началом промышленной революции.

Угли не только запасенное тепло. Это еще и огромный резерв углерода, выведенного в свое время из круговорота в природе. В конечном итоге уникальностью нашей биосферы, ее пригодностью для обитания высокоразвитых существ, в том числе и человека, мы обязаны низшим и высшим растениям, изменившим в свое время состав атмосферы от углекислой к кислородной. Ими в остатках прижизненных клеточных структур было запасено огромное количество энергии.

Горючие сланцы стали накапливаться сначала в морских, а затем и в пресноводных бассейнах уже в среднем и позднем докембрии (от 2 до 0,6 млрд лет назад). Так как с тех пор эти древние породы сильно видоизменились и в большинстве своем были метаморфизованы, в них редко удается выделить какие-либо форменные органогенные структуры. Однако элементный и химический состав так называемых черносланцевых пород очень близок к более поздним образованиям того же состава. В них в достаточно большом количестве сохранились реликты клеточных растительных структур и даже отдельные отпечатки организмов, участвовавших в формировании этих специфических осадков. В настоящее время среди ученых нет расхождений относительно происхождения горючих сланцев. Начало им дали многие поколения водорослей — примитивных одноклеточных или более сложно устроенных с многоклеточной структурой.

Поиски современных аналогов привели исследователей в лагуну Куронг на южном побережье Австралии, где за крупным песчаным баром, защищающим лагуну от штормовых волн, в пределах литорали обитают бурые водоросли Bothr yoccocus. Они обладают удивительной способностью сохраняться в неблагоприятные засушливые сезоны, когда морская вода на приливно-отливных площадках частично или полностью испаряется под жаркими лучами солнца. Клетки этих водорослей почти на 40 % состоят из жироподобных веществ, которые не дают им высохнуть и погибнуть. Эти очень устойчивые соединения полимерного строения удается разложить на фрагменты только после обработки горючей щелочью. Лагуна Куронг стала обиталищем мириадов водорослей, тельца которых после гибели остаются на дне, образуя черную органическую массу — так называемый сапропелевый ил. Этот осадок после захоронения обезвоживается, уплотняется и дает резиноподобную темно-коричневую массу — сапропель, что в переводе с французского означает жироподобный. Действительно, в составе сапропеля главную роль играют липиды и жиры; распадающиеся на длинноцепочечные жирные кислоты. Последние имеют длинную углеродную цепь с числом атомов углерода от 20 до 40 и более. Эти соединения разлагаются с большим трудом и в конце концов минерализуются в плотную породу черного цвета, содержащую от 15 до 40 % С_орг. Образцы этих пород способны гореть, за что и получили название горючих сланцев. С помощью пиролиза из них можно получать нефтеподобные продукты, которые идут на те же цели, что и настоящая нефть. В Швеции таким образом используются горючие сланцы силурийского возраста. Получаемая из них нефть дороже природной… У нас горючие сланцы, например кукерситы из Прибалтики, применяются в качестве топлива и химического сырья. Из некоторых разностей получают асфальтовое сырье. Однако широкомасштабная разработка месторождений горючих сланцев еще не начиналась.

После того как низшие растения расселились по наземным водоемам, сапропели и горючие сланцы стали накапливаться в озерах и лиманах. Мягкие сапропелевые илы из озер средней полосы России являются прекрасным удобрением, способным резко повышать плодородие почв. В отличие от горючих сланцев каменные или гумусовые угли образованы остатками высших растений, которые сложены лигнином и целлюлозой — прочными биомолекулами на основе поликонденсированных ароматических ядер. При отсутствии доступа кислорода эти компоненты высших растений хорошо сохраняются и формируют угольные пласты. Благоприятные для аккумуляции торфа, а впоследствии и угля условия складываются в болотах, прибрежных топях и в дельте крупных рек. На пути превращения растительных остатков в каменный уголь выделяется несколько стадий: торфяная, бурых углей, длиннопламенных, жирных, коксующихся и тощих (каменных) углей, наконец, полуантрацитов и антрацитов. Процесс превращения гумусовой растительной органики в угли называется углефикацией. На первом этапе в болотах или прибрежных топях при затрудненном доступе кислорода преобладают биохимические реакции, протекающие при участии бактерий и ферментов. Растительные остатки превращаются в рыхлую, слабо дифференцированную массу — торф, в которой, однако, еще можно различить многие форменные органические структуры: корневые остатки, измененные стебли, стволы деревьев, листья, кутикулу, пыльцу. При погружении в недра под влиянием всевозрастающих температуры и давления торф постепенно обезвоживается, а входящие в его состав лигнин-целлюлозные гетерополи-конденсаты в результате отщепления многочисленных кислородных, гидроксильных, аммиачных и других групп постепенно обогащаются углеродом. Происходит все большая конденсация структуры, ее обуглероживание. На каждой последующей стадии преобразования гумусовые угли теряют определенные компоненты, выделяющиеся главным образом в форме газов. Основная масса остатков, спрессовываясь в породу, теряет свою индивидуальность. Тем не менее и на разных стадиях углефикации в углях еще различаются обуглероженные стволы деревьев, отпечатки листьев и других тканей растений. Специальные микроскопические исследования позволяют выделять несколько характерных компонентов, известных под названиями фюзена, витрена, ксилена и других, более редких.

В фюзене наиболее ясно сохраняется изначальный облик растительной ткани, прижизненных клеточных структур. Витрен и ксилен отвечают разным стадиям распада этих структур и их остудневанию. Образцы с витреновой структурой — витринит — используются для определения максимальной палеотемпературы, при которой в недрах протекали процессы углефикации. Она устанавливается по отражающей способности витринита и играет важную роль при реконструкции тех условий, при которых происходили превращения осадочных пород на больших глубинах в недрах. Как выяснилось, это необходимо для оценки масштабов нефте- и газообразования в отложениях того или иного возраста.

Листая каменные страницы

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

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

Главные персонажи

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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