Основы геологии. Учебное пособие. Плякин А.М.. Основы геологии
 Скачать 7.69 Mb.
|
|
ЧАСТЬ 2. ЭКЗОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Экзогенные геологические процессы являются выражением атмосферных и гидросферных геологических процессов, то есть процессов, происходящих на поверхности Земли. Важность их объясняется, прежде всего, тем, что они яв- ляются главной причиной образования одной из трех важнейших групп горных пород – пород осадочных, образованных из первично накопленного осадка. Сам осадок в зависимости от способа его получения может быть обломочным (со- стоящим из обломков), хемогенным (образованным в качестве нерастворимого осадка при химическом взаимодействии различных веществ) или органогенным (биогенным, образованным из остатков живых организмов или продуктов их жизнедеятельности). В случае одновременного накопления разных типов осад- ков образуются смешанные осадочные горные породы. С ними связано огром- ное количество разнообразных полезных ископаемых: газообразных, жидких и твердых. Одной из важнейших особенностей экзогенных геологических процес- сов является стадийность их геологической деятельности, приводящей к обра- зованию горных пород. Начальной стадией такой деятельности является разрушительная, которая сменяется транспортировочной и завершается нако- пительной – аккумулятивной. Характеристика всех этих стадий для каждого экзогенного геологического процесса приводится в этом разделе работы. Поскольку экзогенные геологические процессы являются выражением деятельности атмосферы и гидросферы, рассмотрим некоторые общие особен- ности этих наружных оболочек Земли. 2.1. АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ И СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ПРОЦЕССЫ Атмосфера как непосредственная геологическая сила проявляется в про- цессах выветривания, ветровой и ледниковой деятельности. Она представляет собой газовую оболочку планеты, окружающую и вращающуюся вместе с ней как единое целое. Атмосфере принадлежит важнейшая роль в возникновении и развитии жизни на Земле. Произошла атмосфера, вероятнее всего, из газов, выделенных литосферой после образования Земли. В процессе развития планеты состав атмосферы сильно изменялся в связи с уходом атмосферных газов в космическое про- странство, непрерывного выделения новых порций газов из литосферы, хими- ческого взаимодействия газов с литосферой, эволюцией жизни на земле и др. причинами. Огромное количество углекислого газа растворялось в водах морей 35 и океанов и осаждалось в виде карбонатных горных пород. Атмосферная угле- кислота используется постоянно в питании растениями, а выделяемый при этом кислород – в дыхании животными. Современный состав атмосферного воздуха до высоты 100 км (%): кисло- род – 20,95; азот – 78,08; аргон – 0,93; углекислый газ – 0,03. Остальные газы составляют тысячные доли процента (водород, неон, гелий, водяные пары и прочие). Одной из важнейших составных частей атмосферного воздуха для гео- логических процессов является пыль, которая благодаря очень мелким разме- рам частиц поднимается на большие высоты и может находиться там значительное время. Источниками атмосферной пыли могут быть мелкие час- тицы минералов и горных пород с поверхности Земли, водяные пары с водной поверхности планеты, вулканическая пыль, поднятая в воздух воздушными течениями, а также космические частицы. В ходе эволюции Земли состав атмосферы постоянно изменялся. В древ- ние геологические эпохи, например, в докембрийское время в ее составе преоб- ладал углекислый газ, значительную роль играли химически активные хлор, фтор и др. газы. Близкой к такому составу является современная атмосфера та- ких планет Солнечной системы, как Марс и Венера. В процессе эволюции на- шей планеты осаждение в морях и океанах огромных количеств карбонатных горных пород – прежде всего известняков и доломитов, связывало углекислый газ атмосферы, а развитие жизни привело к выделению значительных коли- честв кислорода: от долей процента в докембрийское время до первых процен- тов в девонское и почти 21% в наше время. Появление жизни на земле, и особенно животного мира, привело к интенсивному накоплению кислорода в атмосфере в связи с поглощением растениями углекислого газа в процессе фо- тосинтеза и выделением кислорода. О составе древней атмосферы ученые судят по составу газов в виде мелких включений – пузырьков в древних осадочных горных породах, образованных в атмосфере и гидросфере. По этим включениям и было определено преобладание в догеологические эпохи развития Земли в со- ставе атмосферы аммиака и метана, которые при окислении привели к образо- ванию азота и углекислого газа, замененного в процессе дальнейшего развития жизни, в значительной мере кислородом. Усиленное образование кислорода способствовало, кроме того, образо- ванию в атмосфере озонового слоя. Это произошло на высоте 1–30 км. Важ- ность этого процесса и самого озонового слоя заключается в том, что озон способен поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца и передавать его на 36 Землю в виде тепловой энергии, одновременно защищая жизнь на планете от губительного для нее ультрафиолетового излучения. В строении атмосферы наблюдаются некоторые интересные закономерно- сти. Прежде всего, она состоит из нескольких оболочек, различающихся специфи- ческими физическими параметрами (температурой и давлением) и их динамикой. Эти оболочки образуют концентрически-зональное тело. Нижняя часть атмосфе- ры называется тропосферой, протягивающейся на высоту от 8-10 км на полюсах Земли до 16-18 км на экваторе. По мере удаления от поверхности Земли темпера- тура в тропосфере понижается до – 40 – 90 0 С, а давление – до 100–300 мбар. Ко- лебания температуры в тропосфере зависят от климатической зоны и сезона года. Максимальные колебания отмечены в полярных областях, минимальные – в зоне экватора. Атмосферой Земли поглощается 45% тепловой энергии, поступающей от Солнца. Способность атмосферы поглощать и аккумулировать тепловую энер- гию Солнца называется парниковым эффектом и определяется содержанием уг- лекислого газа и водяных паров. В верхнем слое тропосферы температура стабилизируется, и этот слой называется тропопаузой. Над тропосферой располагается следующая концентрическая оболочка, называемая стратосферой. Стратосфера простирается до высоты 55 км. В от- личие от тропосферы температура в этой сфере с удалением от поверхности Земли повышается, достигая в верхней части 0 0 С, а иногда и выше. Повышение температуры в стратосфере происходит на 1-2 0 С через каждый километр высо- ты. Именно в стратосфере расположен озоновый слой с максимальным содер- жанием озона на высоте 25 км. Верхний слой стратосферы характеризуется постоянной температурой около 0 0 С и называется по аналогии с тропосферной зоной постоянных температур стратопаузой. Еще выше располагается мезосфера – до высоты 80-85 км. От страто- сферы она отличается тем, что температура в ней с удалением от Земли снова последовательно понижается до – 60 – 80 0 С и верхняя ее зона – мезопауза ха- рактеризуется также постоянными температурами. Одной из примечательных особенностей мезосферы является приуроченность к ней такого интересного атмосферного явления, как полярное сияние, вызываемое высоким содержани- ем в ней ионов газов. Над мезосферой находится предпоследняя сфера атмосферы, прости- рающаяся до высоты 800 км и называемая термосферой, которая, в свою оче- редь, сменяется экзосферой, высота распространения которой достигает 2000 км. В составе экзосферы преобладают ионы легких газов: водорода и гелия, а также 37 элементарные частицы. Она является переходным слоем от атмосферы к меж- планетному пространству. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет 2000 км. Состояние атмосферы изучается по трем важнейшим факторам: темпе- ратуре воздуха, содержанию водяных паров (давление), а также характеру и на- правлению перемещения воздушных масс (ветер). Температура воздуха в атмосфере очень изменчива. Общепризнанным северным полюсом холода является метеостанция Оймякон в Якутии с отме- ченным минимумом температуры воздуха -67,7 0 С. Близкие температуры отме- чены на севере Канады, в Гренландии и на Аляске. Южным полюсом холодного воздуха является станция «Восток» в Антарктиде с минимальной температурой воздуха -88,3 0 С. Установлены на планете и самые горячие точки. Они расположены в США, в пустыне Мехаве, где воздух прогревается до +56,7 0 С, и в Ливийской пустыне – до +57,8 0 С. Приведенные температуры воздуха характеризуют толь- ко нижние слои атмосферы. Непосредственно на поверхности Земли темпера- тура выше также в тропической зоне и ниже в полярных областях. Так, в Туркмении температура песка составляет +77 0 С при температуре воздуха всего +45 0 С. В Заполярье при температуре воздуха -67,7 0 С температура снега дости- гает -69,9 0 С. Для природных геологических процессов часто большое значение име- ют не сами температуры, а их колебания, диапазон которых достигает на земле 160 0 С. Но в большинстве районов этот интервал не превышает 40-50 0 С. Напри- мер, в Республике Коми амплитуда колебаний температур воздуха весьма зна- чительна: при минимальной -45 0 С максимальная достигает +35 0 С, составляя амплитуду температур воздуха до 80 0 С. При характеристике природных процессов, происходящих на поверх- ности Земли, обычно оперируют среднесуточными, среднемесячными и средне- годовыми температурами. Значительные различия в среднегодовых температурах связаны с положением района относительно экватора, что объяс- няется в значительной мере отражательной способностью поверхности Земли, т.е. слагающих эту поверхность горных пород. Эта способность зависит от рельефа поверхности планеты, наличия или отсутствия снежного покрова, про- должительности нахождения этого покрова, степени запыленности атмосферы и некоторых других причин. Вторым важнейшим фактором интенсивности геологических процессов является влажность – содержание водяных паров в атмосфере. Влажность тесно 38 связана с температурой воздуха – повышение температуры воздуха приводит к уменьшению влажности, а понижение – к ее увеличению. При 100%-ной влаж- ности происходит конденсация водяных паров и образование облачности. При этом огромную роль играет атмосферная пыль, выступающая в этом случае в качестве ядер конденсации. Количество выпадающих осадков также очень не- равномерно распределено в разных районах планеты и в разное время. Оно за- висит от географического положения района, особенностей рельефа (равнина или горная область), влажности воздуха, скорости и направления ветра и дру- гих причин. Минимальное количество осадков выпадает на Земле в Чили – 0,8 мм/год, а максимальное – на Гавайских островах – 11684 м/год. Количество осадков весьма неравномерно распределяется и в течение года. Так, в Западной Африке, например, они выпадают только в сезон дождей, когда дожди идут практически ежесуточно и полностью прекращаются в сухой сезон, продол- жающийся в течение полугода. В полярных районах Северного полушария ос- новная часть осадков выпадает в зимний сезон в виде снега. Характер осадков, частота их выпадения и количество являются чрезвычайно важными для таких экзогенных геологических процессов, как выветривание, образование и таяние ледников, образование и деятельность рек и других. Третий важный фактор, определяющий характер экзогенных геологи- ческих процессов, – это перемещение масс воздуха, основной причиной кото- рых является неравномерная плотность атмосферы, находящаяся в теснейшей зависимости от вращения Земли и неравномерности ее прогревания Солнцем, а также от рельефа поверхности Земли. Таким образом, на интенсивность и направленность геологических эк- зогенных процессов прямое влияние оказывают температура и влажность воз- духа и его перемещение над поверхностью Земли. Состояние этих трех факторов в определенной местности в данный момент и определяет погоду. По- года характеризуется большой изменчивостью в течение суток или даже дня или ночи: дождливая погода может быстро смениться солнечной. Быстро изме- няют погоду изменяющаяся температура или ветер. Изменение погоды во вре- мени для определенных участков земной поверхности создает климат – закономерную последовательность метеорологических процессов, определяе- мую географическими условиями участка и выражающую многолетний режим погоды. Поэтому при изменчивой погоде климат конкретного района является всегда постоянной характеристикой, являющейся выражением закономерности смены погодных условий. В связи с этим климат является одним их важнейших условий и факторов, которые обусловливают характер и основные закономер- 39 ности направленности экзогенных геологических процессов. Различают четыре основных климатических пояса нашей планеты: арктический и антарктический, умеренный, тропический и экваториальный. Для каждого их этих поясов выде- ляют по четыре типа климата: континентальный, океанический, западных побе- режий и восточных побережий. По соотношению температур воздуха и влажности атмосферы в тропическом и экваториальном поясах различают аридный – засушливый климат и гумидный – влажный климат. 2.1.1. Выветривание Выветривание представляет собой совокупность процессов изменения и разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли под действием физических, химических и органических агентов. Результатом выветривания является кора выветривания – комплекс горных пород, возникших в верхней части литосферы в результате преобразования в континентальных условиях магматических, осадочных и метаморфических горных пород под влиянием ат- мосферных процессов. Различают два основных типа выветривания: физическое (механическое) и химическое. Некоторые исследователи выделяют в качестве самостоятельно- го типа органическое выветривание. Мы рассматриваем его непременной со- ставной частью физического и химического выветривания. Например, рост корней деревьев разрушает горные породы, в которых они произрастают, меха- нически раздвигая трещины в породах – поэтому в данном случае растения вы- ступают в качестве действующей силы механического (физического) разрушения. В другом случае, когда те же растения вместе с соками втягивают через корневую систему некоторые химические элементы в зоне выветривания, они способствуют химическому разрушению горных пород и являются дейст- вующей силой химического разрушения этих пород. И в том, и в другом случае разрушение пород растениями является только частью общего разрушительно- го процесса при выветривании, а самостоятельная их роль не так существенна. Физическое выветривание – это разрушение горных пород, вызванное колебаниями температур и вызванными этими колебаниями процессами. Гор- ные породы сложены из минералов, имеющих разные окраски, в связи с чем разные части этих пород подвергаются воздействию солнечной энергии по- разному. Более темноцветные минералы (роговые обманки, биотит, пироксены и др.) нагреваются значительно сильнее, а более светлые (кварц, полевые шпа- ты и др.) – слабее. Соответственно они при нагревании по-разному расширяют- 40 ся, а при остывании по-разному сжимаются в объеме. Многократные периоди- ческие расширения и сжатия приводят сначала к образованию микротрещин на границе минералов, по трещинам спайности и другим направлениям, а позже порода полностью превращается в обломки разных размеров. Как видно из это- го примера, разрушение при физическом (механическом) выветривании проис- ходит физическим способом. Физическое выветривание также может происходить при замерзании воды в трещинах, повторяемом неоднократно. Механическим способом разрушаются горные породы под воздействием расте- ний и животных. О растениях и их роли в механическом выветривании было сказано выше. Животные механически разрушают или разрыхляют горные по- роды, принимая посильное участие в этом виде выветривания, примером чего могут служить роющие организмы (кроты, черви и др. животные), проделы- вающие ходы в горных породах. Химическое выветривание представляет собой химическое разложение минералов и горных пород под воздействием температуры воздуха, химически активных растворов и атмосферных осадков, которые вступают в химическое взаимодействие с этими минералами и горными породами. Главными агентами химического выветривания, производящими разрушение минералов и горных пород, являются кислород, водород, вода, углекислота, органические и другие химически активные вещества. Процесс химического выветривания реализуется при благоприятных климатических, геоморфологических, тектонических и литологических услови- ях, о которых речь пойдет ниже. Климатические условия обеспечивают необходимые для интенсивного химического изменения горных пород температуру атмосферы и режим атмо- сферных осадков, что соответственно характеризует тот или иной тип климата: аридный или гумидный. Экспериментальными работами и расчетным путём ус- тановлено, что наиболее благоприятны для химического выветривания средне- годовые температуры в пределах +20 +25 0 С без резких колебаний. Такой режим температур обеспечивает интенсивность и непрерывность химических процес- сов. Поэтому более благоприятны для глубокого химического выветривания районы тропической зоны Земли, в то время как физическое выветривание ин- тенсивнее происходит в условиях резко континентального климата с резкими колебаниями температур. Среди ученых, изучающих химические коры вывет- ривания, нет пока единого мнения о типе тропического климата, благоприятно- го для глубокого химического преобразования горных пород до латеритной стадии. Одна группа ученых считает, что для латеритного процесса необходим 41 постоянно влажный климат, так как постоянно поступающие осадки являются и источником химически активного раствора, и фактором удаления из профиля выветривания растворенных химических элементов. Именно постоянный при- ток осадков в виде дождя способствует и созданию хорошей дренажной систе- мы. Другая группа доказывает необходимость для полного химического выветривания переменно-влажного климата с чередованием дождливых и су- хих (без осадков) сезонов, что в настоящее время наблюдается в Западной Аф- рике. В случае недостаточного обеспечения дренажа в профиле химического выветривания могут создаваться застойные явления, и процесс выветривания прекращается. Геоморфологические условия обеспечивают также два направления в про- цессе химического выветривания: временное и дренажное. Для интенсивного химического выветривания необходимо продолжительное воздействие на гор- ные породы атмосферных факторов, а это возможно только при относительно ровном рельефе поверхности выветривания. При неровной поверхности релье- фа разрушающиеся горные породы постоянно удаляются с места выветривания в пониженные участки местности и не испытывают глубокого химического преобразования. В таком случае выветриванию будут подвергаться всё новые и новые горные породы, степень выветривания которых остаётся весьма низкой. В то же время на выровненной поверхности породы получают возможность длительное время подвергаться воздействию процессов выветривания и дости- гают глубокого химического преобразования. Дренажное направление обеспечивает возможность фильтрации через профиль выветривания больших объемов химических растворов, которые, про- сачиваясь сквозь толщу горных пород, растворяют их и удаляют из профиля растворённые химические элементы: щелочные металлы, щелочные земли и другие в порядке их химической активности и подвижности. Опытным путём установлено, что наиболее активные процессы химического выветривания про- ходят в условиях достаточно расчленённого рельефа с наличием выровненных поверхностей и перепадом высот в 100-150м между поверхностями выветрива- ния и уровнем грунтовых вод. Такой перепад обеспечивает условия дренажа и глубину максимальной химической переработки толщи горных пород в этом профиле. Тектонические условия призваны обеспечить стабильное положение по- верхностей выветривания и благоприятные геоморфологические условия, о ко- торых сказано выше. Поверхность выветривания должна находиться в относительном тектоническом покое или испытывать медленное поднятие, при 42 котором улучшаются дренажные условия за счет большей расчлененности рельефа. В тектонически подвижном районе, особенно при интенсивных текто- нических движениях, не может быть реализована достаточная продолжитель- ность химического воздействия на выветриваемые горные породы, так как поверхность выветривания превратится либо в сильно расчленённую местность (в условиях интенсивного поднятия), либо (в условиях погружения) опустится слишком близко или даже ниже уровня грунтовых вод. В таких условиях про- цесс выветривания прекращается. Литологические условия или условия благоприятного субстрата обеспе- чиваются соответствующим составом горных пород. Так, бескварцевые алюмо- силикатные породы подвергаются химическому разложению легче и быстрее, чем кварцевые, алюмосиликатные минералы (полевые шпаты, слюды и др.) превращаются в железистые и алюминиевые породы или руды (бокситы, же- лезняки), каолинитовые глины; никельсодержащие могут стать исходным мате- риалом для образования никелевых руд и т.д. В процессе химического выветривания минералы и горные породы пре- терпевают глубокое химическое изменение, которое происходит в результате химического взаимодействия твёрдого вещества с корообразующими раствора- ми. При этом можно рассматривать следующие типы химических реакций: окисления, гидратации, растворения и гидролиза. Реакции окисления приводят к образованию в профиле выветривания окислов (оксидов). Например, при окислении в зоне выветривания пирита – сульфида железа образуется водная окисная форма этого металла – лимонит. Гидратация – это процесс связывания частиц растворимого в воде вещест- ва с водой. Присоединение молекул воды изменяет минеральный состав породы в связи с образованием новых минералов, содержащих гидратную и кристалли- зационную воду. В результате гидратации ангидрит превращается в гипс. Обрат- ная реакция – дегидратация заключается в освобождении минерала от воды, т.е. в ее потере. Следствием дегидратации также является изменение минерального состава вещества: в случае с гипсом мы наблюдаем превращение этого водного сульфата в безводный сульфат – ангидрит в результате дегидратации. Реакции растворения приводят к образованию специфических карстовых форм: полостей, трещин, пещер, провалов и др. В результате растворения минера- лы переходят в раствор и в растворенном виде выносятся из зоны выветривания, за пределы профиля выветривания. К наиболее растворимым минералам относят- ся галит, сильвин, карналлит, гипс, ангидрит, карбонатные минералы, поэтому они растворяются в первую очередь и удаляются за пределы профиля выветривания. 43 Гидролиз представляет собой процесс разложения минералов с разруше- нием кристаллической решетки, выносом продуктов разрушения в растворен- ном состоянии и гидратацией, реакцией обменного разложения между водой и разлагаемыми химическими соединениями, способными под воздействием во- ды расщепляться на более низкомолекулярные соединения с присоединением элементов воды: водорода и гидроксильной группы по месту разрыва связи. В результате гидролиза происходит разрушение минерала сложного строения с образованием на его месте более простых форм. Например, гидролиз алюмоси- ликатного минерала микроклина приводит к образованию целого ряда новых минералов: на первых стадиях выветривания и в зависимости от условий вы- ветривания – каолинита, а при более глубоких процессах (при латеритном ха- рактере выветривания) – окислов алюминия, железа и титана. Процесс выветривания приводит к превращению первичной (материн- ской) горной породы в совершенно новую, иногда практически не сохраняю- щую видимых связей и признаков исходной горной породы. Процессы физического и химического выветривания часто проходят параллельно, при этом процессы физического разрушения увеличивают удельную поверхность горной породы и готовят благоприятные условия для глубокого химического преобразования минералов в зоне выветривания. При физическом выветрива- нии часто создаются условия для интенсивного дренажа поверхностных рас- творов через толщу горных пород, что также способствует интенсификации корообразовательного процесса. При любом типе выветривания образуется новый генетический тип гор- ных пород – пород коры выветривания, среди которых выделяется два основ- ных типа: остаточные – элювиальные и переотложенные, представленные несколькими разновидностями в зависимости от способа перемещения этих продуктов и места накопления. Элювиальные отложения или элювий – это горные породы, которые по- сле своего образования в профиле выветривания остаются на месте или, во всяком случае, практически не перемещаются. Элювий может быть продуктом как физического, так и химического выветривания. Для элювиальных горных пород химического выветривания, в составе которых преобладают оксиды и гидрооксиды алюминия, железа и титана, принято название латеритов или ла- теритного профиля выветривания. Если к тому же в этих образованиях резко преобладают оксиды и гидроксиды алюминия, такие продукты выветривания называют бокситами. 44 Переотложенные продукты выветривания, перемещенные от места сво- его первичного образования к месту накопления, также могут быть результата- ми и физического, и химического выветривания. В первом случае их перемещение происходит в растворенном состоянии (в виде растворов), во вто- ром – механическим способом в виде разных размеров обломков. При неровном рельефе продукты физического выветривания перемещаются вниз по склону от более высоких отметок рельефа к более низким под действием различных сил. Если это перемещение происходит под действием собственной силы тяжести, такие отложения называются коллювиальными (коллювий, рис. 8); продукты, смытые со склонов дождевыми потоками или талыми водами (при таянии сне- га), называются делювиальными (делювий); смытые временными потоками (на- пример селевыми), называют пролювиальными (пролювий). |