«Читая каменную летопись Земли...»

Читая каменную летопись Земли... (fb2) - Читая каменную летопись Земли... 3136K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Александр Иванович Конюхов

Александр Иванович Конюхов Читая каменную летопись Земли…

Человек и камень

Там, где обитали предки человека

Родиной первых людей считается Африка. Среди других континентов она занимает особое место, являясь сердцевиной древнего праматерика — Гондваны, распавшейся на фрагменты в мезозое. Африка на протяжении последних эр оставалась как бы в стороне от основных геологических событий. Ее почти не коснулись мощные горообразовательные процессы киммерийской и альпийской тектонических фаз. Она до позднего кайнозоя не была втянута ни в лобовое столкновение с другими литосферными плитами, как материки Нового Света и Евразия, ни в стадию непрерывного дробления и рифтогенеза наподобие более восточного осколка Гондваны, который распался на Австралию, Индостанский субконтинент и Антарктиду. В других частях света рушились и дробились континентальные массивы, исчезали старые и появлялись новые, молодые океаны, бушевали и затихали вулканы. Лишь Африка долгое время оставалась оазисом спокойствия в меняющемся мире. Древний «красный» континент последние 210–175 млн лет располагался в благоприятных климатических условиях. Лишь периферийные его области были залиты морскими водами в эпоху великих позднемеловых трансгрессий.

Однако именно в этом «заповеднике» на просторах саванны и тропических лесов, где оставалось не так уж много экологических ниш, животный мир эволюционировал особенно быстро и достиг невиданного на других континентах разнообразия. В числе прочих групп млекопитающих широко распространились приматы, среди которых в позднем кайнозое выделились высшие формы — предки горилл и шимпанзе, и одновременно с ними исчезнувшие впоследствии австралопитеки. Эти последние признаны антропологами ближайшими предками человека. В пользу подобного вывода свидетельствуют прямохождение, прочно освоенное этим обезьяночеловеком, широкое использование им в качестве орудий различных предметов (в основном нижних челюстей и рогов копытных животных), а главное — строение черепа и относительно большой объем мозга.

Судя по географии находок черепов и других остатков австралопитеков, основным ареалом их обитания была Восточная Африка. Именно здесь они появились 8–7 млн лет назад. Здесь же через 4–5 млн лет свершилось величайшее таинство природы: из австралопитеков выделилась самая загадочная группа гоминидов, о существовании которых еще 30 лет назад никто не догадывался. Английский антрополог Л. Лики, обнаруживший в ущелье Олдувэй кости этого животного, назвал его презинджантропом. Дело в том, что за несколько лет до этого им был открыт зинджантроп (восточноафриканский человек) — относительно высоко развитая особь из числа австралопитековых. Однако, несмотря на то что кости презинджантропа были найдены в слоях более древних, чем те, в которых были сделаны предыдущие открытия, именно презинджантроп по основным параметрам оказался ближе к современному человеку. Но самым главным доводом в пользу того, что презинджантроп является нашим предком, стали находки в тех же пластах отложений первых, самых древних и примитивных каменных орудий. Это были не простые камни, которые обычно валяются на земле. Они несли следы обработки — неправильной формы ячеистые выемки по краям, сделанные направленным ударом камня о камень. Слегка оббитые по краю и приобретшие заостренную форму, камни стали орудиями рук человеческих. Открыватель презинджантропа присвоил ему имя Homo habilis (человек умелый).

Длительные поиски наших пращуров привели к удивительному выводу: почти половина всей истории человечества пришлась на ущелья и плоскогорья Восточной Африки. Здесь, по существу, произошло превращение Homo habilis в Homo erectus (человек прямоходящий). К настоящему времени выкопаны останки почти 2 тыс. древнейших представителей рода людского и их прямых предшественников — австралопитеков, кениапитека и мотопитека. Наиболее значительная находка последних лет была сделана археологом Доном Джохэнсоном. Он обнаружил отпечаток скелета самки австралопитека, которая с тех пор фигурирует в археологической литературе под именем Люси. Возраст находки 3,5 млн лет [Колэн, 1989].

Так почему же именно Восточная Африка стала колыбелью человечества? Виной всему, по-видимому, геологические события, разыгравшиеся здесь в позднемиоценовую-плиоценовую эпохи (8–2 млн лет назад). С этим временем связаны раскол до того единой Африкано-Аравийской платформы, раскрытие Красного моря и формирование мощной Восточно-Африканской системы континентальных рифтов, протянувшихся в виде гигантского шрама от долины Азаль в Джибути на севере до Мозамбика на юге. Великие африканские озера Танганьика, Виктория и др. возникли на месте гигантских провалов — грабенов, которые с востока и запада опоясаны вздыбившимися блоками земной коры, образовавшими высокие плато и плоскогорья, Великие африканские разломы — свидетельство неотектонической активизации, охватившей дотоле благополучный в тектоническом плане континент.

Согласно гипотезе И. Колэна, подтверждаемой палеоботаническими исследованиями, горы и плоскогорья, поднявшиеся по периферии разломов, стали препятствовать поступлению в восточные районы континента циклонов, приносивших влагу с Атлантики. Высокие плато, располагавшиеся западнее рифтов, оставались покрытыми тропическими лесами, тогда как восточнее рифтов леса исчезли, уступив место саванне и степям. Эти преобразования круто изменили судьбу обитавших здесь приматов, заставив их спуститься с деревьев и освоить прямохождение на задних конечностях. В пользу концепции И. Колэна говорит география находок черепов и костей разных предшественников человека к востоку от системы Великих африканских разломов. В то же время здесь не было найдено ископаемых останков предков современных человекообразных обезьян — гориллы и шимпанзе. Таким образом, африканские рифты разделили два мира. В одном развитие приматов привело к совершенствованию основных их признаков и появлению горилл и шимпанзе. В другом, где сложились новые, во многом экстремальные условия, эволюция пошла по другому пути: вначале возник австралопитек, а затем и человек умелый.

Следует отметить, что древесная растительность все же сохранялась на значительных пространствах Восточной Африки. Ведь, по данным того же И. Колэна, Люси — самка австралопитека — питалась фруктами и корнеплодами. На стоянках австралопитеков обнаружено множество пробитых черепов обезьян-бабуинов, которыми они также не брезговали. Известно, однако, что бабуины обитают на деревьях, хотя и спускаются на землю. Следовательно, не только климат, ставший в Восточной Африке более засушливым, определил появление пралюдей. Этому способствовали очевидная изоляция и ландшафтно-геоморфологические особенности рифтовых зон. Рифт — это гигантская трещина в земной коре, шириной от нескольких десятков до первых сотен километров. На дне провала возникают крупные и мелкие озера, подпитываемые грунтовыми водами и иногда гидротермальными растворами, поднимающимися из недр. В эпоху заложения и развития рифта здесь нередки излияния базальтовых лав. Возникают и мощные вулканические постройки, с которыми связаны как лавовые излияния, так и выбросы вулканического пепла. Знаменитая гора Килиманджаро является древним потухшим вулканом, активность которого была связана с развитием Восточно-Африканской рифтовой системы.

Рифт обрамлен крутыми, зачастую отвесными стенками блоков земной коры, поднявшихся по разломам и наклоненных в сторону от центральной рифтовой долины. Именно они и составляют плоскогорья с глубоко врезанными в них долинами рек и ущельями. Видимо, в них и обитали австралопитеки. Здесь было где укрыться от хищников, росли различные, в том числе и фруктовые, деревья. В одном из таких ущелий по прошествии нескольких миллионов лет потомок австралопитека поменял кость антилопы на каменное орудие, оббитое им по краям. Благо, что недостатка в материале у него не было. В стенках ущелий обнажались древние породы, а на дне долин рек концентрировалась окатанная галька тех же пород.

В течение предшествующих эпох эти районы Африки находились под пологом тропических лесов, что благоприятствовало развитию латеритного процесса выветривания горных пород. Последний ведет к полному разрушению исходного материала до оксидов и оксигидратов с образованием на поверхности так называемой железистой кирасы — уплотненного слоя осадков, пропитанных оксидами железа и потому имеющих красный цвет. Под воздействием обильных атмосферных осадков и органических кислот из пластов разложившихся горных пород выносилось большое количество различных веществ, в том числе и кремнезем. Образовавшаяся кора выветривания при этом обогащалась соединениями алюминия. Кремнезем поступал в нижележащие проницаемые пласты, где оседал в виде стяжений и конкреций — крупных и мелких желваков неправильной формы. Этим желвакам была уготована роль одних из самых распространенных каменных орудий, изготовление и использование которых превратили нашего пращура в человека.

По нашему мнению, это обстоятельство, а именно обилие кремневых стяжений в восточной, более засушливой половине Восточно-Африканского рифта, сыграло главную роль в том, что этот регион стал очагом рождения человека. В западной его части, остававшейся под пологом тропических лесов, эрозионный врез был менее выражен, а местность закрыта. Обнажений коренных пород здесь было много меньше.

Восточно-Африканская рифтовая система стала тем водоразделом, за который на запад долгое время не могли проникнуть наши пращуры. Этому препятствовало ожерелье из крупных и мелких озер, а также обилие хищников в саванне. Впрочем, австралопитеки и древние люди часто спускались в рифтовые впадины по ущельям для охоты и сбора плодов, однако пересечь их им долгое время не удавалось. Именно здесь располагались, вероятно, те райские кущи, где, по преданию, Адам сорвал яблоко для Евы. Отсюда, встав в буквальном смысле прочно на ноги и вооружившись каменными рубилами и вырезанными с их помощью дубинами, древние люди стали проникать на юг Африки. Другие их группы, двигаясь по краю рифтовых долин, пришли на Абиссинское плато, а оттуда через пороги Нила и вдоль берега Красного моря достигли Синайского полуострова. Путь в Европу и Азию был открыт. На дорогу от ущелья Олдувэй и долины Омо, где найдены самые древние останки Homo habilis, до пещер Южной Азии и Юго-Восточной Европы ушел без малого 1 млн лет. В течение следующего миллиона лет человек расселился по Евразиатскому континенту, освоил всю Африку, а 45–40 тыс. лет назад проник в Австралию. С последней ледниковой эпохой (25–18 тыс. лет назад) связано проникновение людей через Берингов пролив из Азии на Аляску и далее на оба материка Нового Света.

Древние каменные орудия

Еще не так давно люди мало что знали о своих далеких предках. Ими считались Адам и Ева, созданные Богом, по расчетам богословов, за 4004 года до рождества Христова. Первые сомнения на этот счет появились вместе с находками странных камней, заостренных по краям и несших явные следы обработки. Их находили на полях после весенней вспашки или в земле при прокладке каналов. Потребовалось, однако, не одно столетие, пока в умах естествоиспытателей не зародилась первая мысль о том, что эти камни возникли не в результате прихоти природы, они созданы примитивным человеком, использовавшим их в качестве орудий труда или оружия. Первым, кто всерьез занялся изучением каменных орудий, коллекционировал их и даже опубликовал труд, им посвященный, был француз И. де ля Перьер, живший в XVIII в. Книга, содержавшая еретические с точки зрения церкви мысли, была вскоре сожжена, а идеи ее автора забыты.

По мере активизации хозяйственной деятельности общества диковинные камни попадались все чаще, причем не только сами по себе, но и вместе с костями доисторических животных, а иногда с черепами людей. Однако прошло без малого еще 200 лет, прежде чем идея о принадлежности камней с оббитыми краями примитивным людям зародилась вновь и стала наконец утверждаться в умах. Немалая заслуга в этом принадлежала французскому археологу-любителю Б. де Перту. После многих лет осмеяния и обвинений в фальсификации он все же добился внимания к сделанным им открытиям со стороны видных английских ученых. Вскоре находки посыпались как из рога изобилия. Каменные орудия стали находить не только во Франции, но и в Англии, в других странах Европы. Вскоре выяснилось, что речь идет не об одном слое с каменными орудиями, а о многих слоях отложений разного возраста. Со временем благодаря развитию палеонтологии появилась возможность примерно датировать большую часть этих пластов по костям животных, которые, как правило, встречались вместе с примитивными орудиями труда человека. И тут выяснилось, что не только животный мир, но и сами эти орудия труда претерпели резкие изменения во времени.

Находки древних поделок из камня заставили ученых искать останки их изготовителей. Это оказалось куда более хлопотливым делом, так как кости человека по сравнению с изготовленными им каменными орудиями сохраняются гораздо хуже. Для многих исследователей годы упорного изнурительного труда так и не увенчались успехом. Но были и счастливчики, открывшие для науки неандертальца, затем питекантропа и синантропа, а уже в нашем столетии австралопитека и человека умелого. История человечества оказалась неожиданно длительной, причем на всех своих отрезках она была связана с камнем и изделиями из него. Самые примитивные из них представляли собой обыкновенную речную гальку, оббитую с одного края. Эти орудия характерны для ранних эпох палеолита. Сначала наши пращуры использовали любую гальку. Однако, осваивая новые территории, они стали проявлять интерес к самым разнообразным породам. Трудно сказать, когда первобытный человек научился их различать, но то, что его излюбленным камнем на протяжении большей части антропогена стал кремень, известно достоверно. Впрочем, кремневые орудия и сейчас еще встречаются у примитивных племен, ведущих изолированный образ жизни. Это пристрастие обусловлено удивительными свойствами камня — его способностью при направленных ударах не раскалываться на кусочки, а давать тонкие отщепы и пластины с острыми краями. При этом заостряется и край исходного нуклеоса. Оббив его с разных сторон, древний человек получал ручное рубило и кучу острых отщепов. И то и другое находило применение: рубила использовались для обработки дерева, отщепы — для резания мяса.

Прошло немало тысяч лет, прежде чем потомки человека умелого научились отделять от кремневых ядрищ пластины. Это потребовало развития определенных навыков обработки камня. Они заключались в особой технике нанесения последовательных ударов: сначала от краев кремниевого желвака к центру, что напоминало черепашью спинку, а затем перпендикулярно этой поверхности. «Черепашью спинку» скалывали одним-двумя точными ударами. Расщепляя таким образом ядрище, древний мастер получал одну или несколько пластин — прекрасный материал для изготовления наконечников копий, скребков и ножевидных инструментов. Постепенно орудия становились разнообразнее, это объяснялось расширением сфер хозяйственной деятельности людей. Но поистине незаменимыми были кремневые орудия — ручные рубила размером 10×20 см и массой 0,5–2 кг [Матюшин, 1972].

Материалом для изготовления столь распространенных орудий труда стали кремниевые конкреции — образования осадочной природы. На поверхности, однако, они встречаются не так часто. Конкреции формируются в пластах рыхлых, вернее, слабоуплотненных отложений, как правило, на границе раздела пластов разного состава. Чаще всего их находят в толщах карбонатных или кремнистых пород. Это стяжения, возникающие за счет выноса кремнистого вещества поровыми водами из слабопроницаемого пласта в горизонт, способный играть роль коллектора для этой воды. Вследствие размыва и других процессов эрозии, пласты, содержащие кремниевые конкреции, обнажаются на склонах гор, в стенках ущелий и оврагов. Под воздействием физических и химических агентов выветривания вмещающий их материал разрушается и выносится. Конкреции, очень устойчивые к неблагоприятным воздействиям среды, с течением времени скапливаются у основания склона или попадают в русло водного потока, где постепенно окатываются до гальки. В руслах горных рек, ущельях и оврагах кремниевые конкреции можно найти чаще всего. Цвет их обычно темный: темно-серый, темно-коричневый, синеватый, черный; поверхность гладкая, сливная. По твердости кремень превышает железо.

Другим излюбленным камнем древнего человека долгое время оставался обсидиан — вулканическое стекло в основном кислого состава, с аморфной внутренней структурой. Собственно, по составу он мало отличается от кремния, так как в среднем на 73 % сложен кремнеземом с примесью оксидов железа и алюминия. Однако происхождение обсидиана иное — вулканическое. Отсюда очевидно, что обсидиан довольно редкий камень, ибо вулканы расположены не повсеместно, а весьма локально, в основном на границах литосферных плит и в районах так называемых «горячих точек». Правда, вулканический пепел, выброшенный в атмосферу, способен покрывать плащом огромные территории в непосредственном соседстве с областью активного вулканизма. Следует, однако, уточнить, что обсидиан как порода образуется из вулканического пепла спустя многие десятки и сотни тысяч лет после его выброса в атмосферу и погружения в недра Земли, где происходит его уплотнение и обезвоживание.

Не менее популярна у древнего человека была яшма — крепкая, очень твердая порода, относящаяся к группе силицитов, или кремнистых пород. Этот прекрасный поделочный и облицовочный материал, не имеющий себе равных по разнообразию окраски и рисунка, осадочного происхождения. Он возник в результате перекристаллизации в земных недрах кремнистых остатков мельчайших организмов, некогда обитавших в поверхностном слое древних морей и океанов. Яшмы не самые распространенные на суше образования. Они встречаются главным образом в горноскладчатых областях, например на Урале, в Апеннинах, Альпах и т. д., которые выросли в результате сложнейших тектонических метаморфоз на месте древних, ныне исчезнувших океанических водоемов.

Таким образом, наиболее распространенные материалы для изготовления древних орудий труда — силициты, т. е. породы кремнистого состава, которые не встречаются где попало. В одних регионах их можно обнаружить довольно много, в других силициты крайне редки. Чтобы получить их достаточное количество, необходимо было провести своего рода геологическую съемку. Покидая стойбище, древние люди, как свидетельствуют раскопки, оставляли множество заготовок и отходов производства кремневых орудий. Тащить их с собой было слишком тяжело, поэтому в поход отправлялись, захватив лишь часть готовых изделий. В плейстоцене, когда человек, двигаясь за стадами крупных животных, стал стремительно заселять новые пространства Старого Света, пути его миграции пролегали через места, где можно было пополнить запасы кремневых материалов. А потребность в них была весьма велика. Об этом говорит тот факт, что при раскопках одной из стоянок древнего человека во Франции из земли за 25 лет было извлечено около 20 тыс. кремневых топоров.

Наши предки дорожили орудиями своего труда. Об этом говорят находки рубил и других инструментов из обсидиана на самом северном из стойбищ мустьерского времени в районе реки Печоры. Однако эта порода не встречается в тех местах. Нет ее и на смежных территориях, в том числе на Урале. Отсюда археологи сделали вывод, что племена охотников за мамонтами, зашедшие в межледниковье далеко в высокие широты, принесли с собой орудия из обсидиана с Кавказа или даже с Карпат, где его находили.

Понятно, что среди древних людей были знатоки камня, умевшие не только искать нужную породу, но и разрабатывать ее залежи. Следовательно, можно говорить, что геология в своем зачаточном виде возникла еще в палеолите, на заре развития человечества.

Пещеры — дом, храм и мастерская

Известно, что первые поселения наших предков располагались в районах со сложно расчлененным, гористым рельефом, так как здесь было легче укрыться от нападений хищников. Наиболее активно обживались гроты и пещеры. На это, в частности, указывают находки черепов и скелетов австралопитеков в пещере недалеко от Йоханнесбурга и засыпанных карбонатными отложениями гротах в долине Макапанстаг в Центральном Трансваале (ЮАР). Здесь же обнаружено множество черепов обезьян-бабуинов, на которых охотились австралопитеки. Освоение пещер было сопряжено с немалым риском: в них прятались пещерный медведь и саблезубый тигр. В ранние эпохи палеолита между людьми и пещерными хищниками происходила настоящая война, из которой человек стал чаще выходить победителем, как только ему удалось приручить огонь. Он-то и выгнал хищников из пещер. Судя по костям животных, откапываемых в нижних культурных слоях, пещерный медведь даже стал объектом охоты.

Добыть огонь было делом чрезвычайно трудным. Люди раннего палеолита еще не умели высекать огонь из камня, как только в этом возникала необходимость, поэтому приходилось его все время поддерживать, заботясь о пополнении запасов дров. Пещера была идеальным местом для поддержания огня. Здесь сохранялись постоянными температура и влажность. Как бы ни менялась погода на открытых пространствах, огонь в пещере горел ровно, источая тепло, отпугивая хищников и внося в жизнь первобытных охотников надежность и уверенность. Свидетельством этого комфорта первобытного человека являются сохранившиеся в некоторых пещерах многометровые пласты золы и пепла. Одной из наиболее известных является пещера Чжоукоутянь под Пекином, где в одном слое с золой и костями животных были впервые найдены останки синантропа, возраст которых определяется в несколько сот тысяч лет. Разница в возрасте между этим более развитым представителем рода человеческого и Homo habilis более 1,5 млн лет. За это время гоминиды расселились по южным и восточным районам Азии, где климат все еще был теплым; в умеренные широты в связи с резким похолоданием стали проникать ледники.

Из культурного слоя пещер извлекают обычно огромное количество костей диких животных, исследование которых позволяет судить о том, на кого охотились первобытные люди. Из пещеры Кударо I, расположенной в Северной Осетии, было извлечено более 30 тыс. костей различных животных, среди которых многие принадлежали пещерному медведю [Матюшин, 1972].

Среди находок, сделанных в пещерах, многочисленны и каменные орудия. Это готовые изделия, отщепы и нуклеосы, т. е. ядра, от которых откалывались ножевидные пластины, шедшие на изготовление разнообразных скребков, резцов и др. На палеолитических стоянках общее количество каменных орудий исчисляется тысячами. Пещеры служили не только домом, но и мастерской. Их обитатели несли сюда гальку, обломки пород, минералы. Так, в одной из пещер на территории Франции, где в давние времена обитали неандертальцы, была обнаружена коллекция разнообразных минералов. Особенно часто в пещерах находят куски пирита и халькопирита — минералов, содержащих железо и медь и образующих крупные кубические кристаллы с золотистой поверхностью. Много попадается и обломков горного хрусталя.

Древние люди использовали и менее надежные укрытия, поселяясь под выступами скал, в дуплах огромных деревьев, на площадках, образованных расходящимися ветками, и т. д. Со временем пещеры стали играть роль своеобразных центров для больших групп людей. Здесь, видимо, находились главный очаг — святилище огня и мастерская. Вокруг пещеры располагались отдельные мелкие группы, из которых впоследствии образовались роды Вокруг главного очага кормились представители самой привилегированной части первобытного племени: вожди, мастера, изготавливавшие орудия, и воины — хранители огня. По-видимому, уже в мустьерскую эпоху в пещерах стали проводиться ритуальные праздники и пиршества по случаю удачной охоты; пещеры превратились в своеобразные храмы.

Тогда же наши предки узнали о существовании природных красителей и научились изображать животных. Своды многих пещер покрылись рисунками мамонтов, носорогов и других животных, сценами охоты. В позднем палеолите и мезолите в пещерах стали делать захоронения. Интересные наблюдения были сделаны в пещерах Западной Европы, где в средних культурных слоях обычно встречаются скелеты и черепа людей, в антропологическом отношении более примитивных, чем их прежние обитатели. Останки последних, извлекаемые из нижележащего слоя, принадлежат ранним неандертальцам. Те, кто наследовал им, — это классические неандертальцы, по уровню развития значительно уступавшие ранним. На многих костях классических неандертальцев имеются следы дробления, свидетельствующие о том, что они съедены. Встречаются, однако, и целые скелеты. Некоторые из археологов считают, что классические неандертальцы сменили в пещерах Южной Европы более ранних, после того как те ушли в северные районы вслед за стадами мамонтов и шерстистых носорогов. Другие отмечают, что классические неандертальцы были боковой ветвью эволюции гоминидов [Алексеев, 1972]. Не исключено, что наши непосредственные предки, жившие одновременно с ними, рассматривали этих своих соседей как представителей животного мира. Если данное предположение верно, то останки неандертальцев — это, возможно, следы ритуальных жертвоприношений, а не следствие общей деградации человеческого рода, как пишут некоторые исследователи.

Климат в плейстоцене не оставался постоянным. Мощные платформенные ледники, образовывавшие сплошной ледовый покров, и менее грозные их горные собратья то наступали, то отступали и таяли. Вместе с ними мигрировали стада крупных травоядных животных, на которых охотились первобытные люди. Многие пещеры на долгое время были покинуты.

Люди вернулись в них уже в конце палеолита или в мезолите. Вернулись совсем другими — современного облика, с иными привычками и с более высоким уровнем организации. Искусство, зародившееся на позднепалеолитических стоянках, расцвело в пещерах. Здесь находят поражающие мастерством и изяществом рисунки животных, вырезанные из мягкого камня (известняка и мергеля) статуэтки женщины-родоначальницы. Судя по этим статуэткам, имевшим, скорее всего, ритуальное значение, пещеры снова стали играть роль храмов.

Известный французский спелеолог М. Сифр выдвинул гипотезу о том, что в пещерах могут аккумулироваться многие редкие минералы, которые в рассеянном виде содержатся в породах, некогда выполнявших пустоты. Устойчивые обломки и частицы приносятся сюда и подземными реками. В ходе исследования пещер во Франции и на острове Шри-Ланка ему удалось доказать это предположение. Из стен пещеры Бататоты на Шри-Ланке он выломал большое количество крупных кристаллов граната, а из донных осадков в гротах около города Нима намыл даже золото [Сифр, 1982].

Таким образом, обосновавшись в пещерах, первобытные люди могли познакомиться с миром самоцветов. Возможно, именно в пещерах были изготовлены первые украшения из камня, а позднее выплавлен первый металл.

Древние рудознатцы и каменотесы

Очевидно, навсегда останется тайной, как человек впервые добыл из камня металл. Было ли это случайностью или продуманным действием? Скорее всего, первое. Произошло это 8–7 тыс. лет назад, а может быть раньше. В это время мастерство изготовления каменных орудий достигло небывалых высот и превратилось в настоящую индустрию. Широко распространились наборные и шлифованные орудия из яшмы. Богатые ею регионы, например Южный Урал, стали поставлять этот материал и готовые изделия из него на соседние территории. Действительно, каменные топоры, сделанные из красно-зеленой, голубой, коричневой и многоцветной уральской яшмы, превратившиеся к тому времени в боевое оружие, находят на стоянках неолита Западной Сибири, Казахстана и других регионов.

Казалось, господство камня будет безраздельным. Но вот как-то в одном из поселений, где вместе с ранними земледельцами обитали каменных дел мастера, в жарком, долго пылавшем очаге мелькнул кусок плотной тяжелой породы с темно-коричневым глянцем. Когда же огонь погас, наблюдавший за ним мастер извлек из золы щербатую лепешку металла, отливавшего красноватым блеском. То была медь. Это событие стало крупной вехой в истории общества. Итак, первый металл был добыт людьми, знавшими толк в каменном ремесле. Из их числа появились и первые рудознатцы. Металл стал знамением эпохи и вскоре дал могучий толчок развитию цивилизации. К тому времени первые земледельческие общины, зародившиеся в Месопотамии, Передней Азии и долине Нила еще в мезолите, постепенно расселялись вдоль Альпийско-Гималайского пояса в близком соседстве со скотоводческими племенами. Новый образ жизни потребовал и совершенно новых орудий труда, пригодных для обработки почвы. На первых порах эту функцию выполняли каменные орудия. Изготовленные в так называемой пластинчатой технике деревянные ножи и серпы с кремневыми вкладышами-вставками были тяжелы, трудоемки в производстве, недолговечны и потому малоэффективны, что сдерживало развитие земледелия. Однако прошло еще несколько тысячелетий, прежде чем положение резко изменилось.

В неолите камень не только определял жизнь людей, осевших на земле или ставших скотоводами, но и приобрел новую социальную функцию. В центре первых земледельческих районов появились укрепленные поселения — прототипы будущих городов — с башнями, основаниями домов и стенами, сложенными из камня. Самые древние из них Чатал-Гуюк в Анатолии и Иерихон в Палестине. Эти поселения возникли 9–8 тыс. лет назад, т. е. они на 4–3 тыс. лет старше египетских пирамид. Уж среди кремневых и обсидиановых орудий со стоянки Чайеню, раскопанной в Юго-Восточной Турции и датируемой по радиоуглероду в 7 тыс. лет, были найдены булавки, сверла и бусины из самородной меди [Матюшин, 1972].

Отсюда можно заключить, что открытие металлов произошло раньше всего в районах с наиболее развитой культурой, где строились из камня оборонительные сооружения, фундаменты домов, а жилища украшались настенной живописью. Действительно, самые старые медные копи обнаружены на Анатолийском полуострове, в горах Центрального Тавра и на острове Кипр, где уже в 3-м тысячелетии до н. э. велись разработки медной руды. На Южном Урале медные рудники появились в 3-м тысячелетии до н. э.

Однако медь слишком мягкий металл, к тому же с высокой температурой плавления, что затрудняло литье и соответственно производство орудий из меди. Поначалу, как уже говорилось, она употреблялась для изготовления украшений, а позднее оружия. Поэтому медные изделия почти повсеместно встречаются наряду с каменными. Эпоха энеолита, или медно-каменный век, продолжалась одно-два тысячелетия. Вскоре наступил век бронзы (сплав меди с оловом, свинцом, марганцем или кадмием). Одним из важных ее преимуществ перед медью оказалась более низкая температура плавления, другим — значительная прочность и устойчивость к коррозии. Бронза быстро стала незаменимой в хозяйстве. Из нее изготовляли лемехи для плугов, мотыги, кайла, ножи и разнообразное оружие. Получение сплавов металлов потребовало разработки сложной технологии, включающей ряд последовательных операций, что привело вскоре к специализации участвовавших в производственном процессе людей.

Руду, поначалу обнаруживаемую на поверхности в виде самородков или в месторождениях жильного типа, в скором времени уже добывали из недр, сооружая копи и рудники. Металл выплавляли в печах, представлявшихся человеку той поры чудом изобретательства. Наконец, жидкий металл научились заливать в глиняные формы для получения отливок либо готовых изделий. Возникли профессии, с которыми был связан тяжелый, изнурительный труд. А поскольку металла требовалось все больше, возрастала и необходимость в дешевой рабочей силе. Рабский труд стал широко внедряться и в другие сферы производства.

Камень, вытесненный бронзой из одних областей хозяйственной деятельности человека, перекочевал в другие. Бронзовый век был ознаменован появлением необычных сооружений из гигантских камней, одиноко возвышающихся над местностью (менгиры, дольмены, мегалиты) либо расставленных в определенном порядке (алиньеманы, кромлехи и т. д.). Эти сооружения встречаются по всей Европе и Азии, известны также в Северной Африке и в некоторых других районах. Камни огромных веса и размеров служили для увековечивания памяти умерших. Из них сооружали надгробные памятники, склепы, храмы. Наиболее известен кромлех в Стонхендже (Англия). Он сложен из массивных прямоугольных столбов из тесаного камня высотой 8,5 м, которые стоят по кругу, а сверху, как обручем, связаны такими же блоками, но меньших размеров. Внутрь сооружения, где, видимо, был алтарь, вел центральный вход, хотя проемы между отдельными столбами вряд ли были чем-то закрыты. Диаметр сооружения 30 м. Оно окружено земляным валом и рвом. Полагают, что кромлех в Стонхендже воздвигли в VIII–VII вв. до н. э. первые обитатели Британских островов.

В то время как на бескрайних просторах Европы и Азии ставились каменные поминальные знаки, в Египте, где к началу 3-го тысячелетия до н. э. сложилось рабовладельческое государство, воздвигались мощные архитектурные сооружения, приобретшие вскоре облик пирамиды. Первым комплексом подобного типа стала пирамида Джосера, размеры которой поражали: высота 60 м, размер основания 109,2×121 м. Пирамида сложена из массивных блоков светло-желтого известняка с крупнозернистой структурой. Лишь стенки погребальной камеры были выложены гранитными плитами. В комплексе со ступенчатого вида пирамидой находятся Южный и Северный дворцы фараона Джосера, другие постройки. Идея строительства комплекса принадлежала великому зодчему древности жрецу Имхотепу, который, согласно легенде, уговорил престарелого Джосера отказаться от уже почти готовой, сделанной по традиционному проекту гробницы и дать согласие на возведение невиданного для той эпохи сооружения. Разрешение было получено, и к 2800 г. до н. э. выросла пирамида. Идеи и приемы строительства пирамид, разработанные Имхотепом, были усовершенствованы в царствование фараона Хеопса. При нем же началось сооружение самой высокой египетской пирамиды, которое было закончено лишь после смерти фараона.

Пирамида, вознесшаяся над пустыней на высоту 146,5 м, сложена из 2300 тыс. плотно пригнанных друг к другу отшлифованных известняковых блоков. Протяженность каждой из сторон основания составляет 233 м. Самые крупные в основании пирамиды блоки весят до 30 т. С высотой их вес постепенно уменьшается до 2,5 т. Уже в наше время были обнаружены древние каменоломни с наполовину вытесанными или забракованными блоками ослепительно белого известняка для пирамиды. Огромные размеры и вес известняковых блоков заставили некоторых исследователей усомниться в их природном происхождении. Было даже высказано предположение, что это не известняк, а бетон, полученный при заливке в специальных формах обломков породы особым цементным раствором, приготовленным непосредственно на месте строительства. В доказательство приводился тот факт, что в известняке находили отдельные волоски, по структуре аналогичные человеческим. Однако находка древней каменоломни все же склонила чашу весов в пользу первичной природы камня, использованного при строительстве египетских пирамид. Впрочем, не удалось пока разгадать способ подъема тяжелых известняковых блоков на высоту более 100 м.

Как теперь установлено, блоки известняка оббивали и отесывали с помощью каменных и медных орудий, хотя в 3-м тысячелетии до н. э. уже господствовала бронза. По-видимому, орудия из нее в царствование Хеопса были еще достаточно дорогими и для удешевления строительства использовались более дешевые инструменты. Собственных запасов полиметаллических руд Египет не имел, и основные поставки туда металла шли из Анатолии; медь закупалась, скорее всего, на Кипре.

Вероятно, в Древнем Египте впервые появилась профессия каменотеса, а камень стали добывать не из вторичных его скоплений у основания скальных уступов или в ложе пересыхающих водных потоков, а в каменоломнях, выламывая породу в виде плит и блоков из сложенных ею пластов. Масштабы добычи камня при этом были вполне промышленными. Из Египта техника работы с камнем и приемы строительства пирамид распространились на соседние регионы и, согласно гипотезе Т. Хейердала, были даже перенесены в Новый Свет, где спустя 1–2 тысячелетия после возведения пирамиды Хеопса стали сооружать ступенчатые пирамиды.

Магия камня

Посланцы из древнего мира

Когда на месте древнего города Ура в Месопотамии английский археолог Л. Вулли в 1928 г. производил раскопки погребения шумерских царей, он вскоре понял, что имеет дело не с простой могилой. Здесь был захоронен целый царский двор с придворными дамами, слугами, воинами охраны, быками и ослами, запряженными в повозки с возницами. На площади немногим более 50 м2 были обнаружены останки нескольких десятков человек. Гробница представляла собой огромную яму, к которой вела наклонная траншея. Лишь царская усыпальница была перекрыта кирпичным сводом. Выход из наклонного туннеля охраняли девять воинов в полном вооружении. На дне самой ямы найдены останки музыкантов, слуг и придворных дам. Каждый из мертвецов в этом театре ужасов занимал положенное ему по иерархии место и был одет соответственно рангу. Так, шумерский владыка А-бар-ги не хотел себе ни в чем отказывать в «загробной» жизни. В последний путь он прихватил не только свой двор, но и многое из имущества: посуду, разную утварь, даже рабочие инструменты и, конечно, украшения. Царица и знатные дамы, составлявшие ее свиту, сошли в мир иной, одетые как на праздник [Церен, 1986].

Эта феерия смерти, разыгравшаяся на берегах Евфрата более 4,5 тыс. лет назад, донесла до нас не только представления о ритуалах, выполнявшихся в древнем Шумере. Оказалось, что, помимо золота, при царском дворе особо ценилась ляпис-лазурь (лазурит). Сделанные из этого голубого или синего поделочного камня амулеты, бусы, шейные украшения были на царице и придворных дамах. Их головные уборы и гребни также инкрустированы лазуритом. Среди других находок — сердоликовые, агатовые и халцедоновые бусы. Особый интерес представляет золотая голова быка, украшавшая арфу. Глаза, борода и кончики рогов животного были сделаны из лазурита. Полагают, что этот камень поступал на Ближний Восток из района современного Афганистана.

Он найден и при раскопках ранних культурных слоев на месте древней Трои в Малой Азии, которая долгое время служила связующим звеном между Передней Азией и Европой. Об этом свидетельствует соседство лазурита, завезенного с востока, с янтарем, поступавшим с северо-запада, из Балтии. При раскопках в районе Трои из захоронения знатного воина были извлечены бронзовые и медные кинжалы с ручками, увенчанными самоцветами. В другом погребении были найдены золотые булавы с навершиями из оникса и халцедона. В Древнем Египте лазурит был также одним из любимых поделочных материалов. Следует, однако, признать, что на заре цивилизации палитра минералов, использовавшихся в ювелирном деле, не отличалась разнообразием.

С течением времени стало не хватать природных поделочных камней, что привело к развитию целой индустрии по изготовлению материалов, имитирующих самоцветы. На берегах Тигра и Евфрата, а позже и в долине Нила кусочки кварца обрабатывались минеральными красителями голубого и зеленого цвета. Затем путем нагревания из них получали стекловатую глазурь, отличавшуюся ярким блеском и устойчивой окраской. Была изобретена и техника обработки сердолика. Его обесцвечивали с помощью щелочных растворов и окрашивали красным веществом с последующим нагреванием для закаливания. По данным австрийского историка А. Оппенхейма 11990], любимым минералом жителей Месопотамии был стеатит — довольно мягкий камень, твердеющий в процессе нагрева. На нем вырезали различные рельефы и знаки, а затем подвергали температурной обработке. Перстни с печатями, столь распространенные в древнем мире, нередко делали именно таким способом.

Длительные эксперименты с различными природными материалами и красителями увенчались в конце концов важными открытиями. Так, помимо глазури, было изобретено стекло. Кусочки стекла разных цвета и прозрачности наряду с самоцветами широко применялись при изготовлении украшений; причем носили их не только рядовые жители Месопотамии и Египта, но и царствовавшие там особы. Усыпальница фараона Тутанхамона оказалась настоящим музеем под землей. Из нескольких комнат, ее составлявших, было извлечено множество золотых, украшенных камнями и разноцветными стеклами предметов.

Когда английский археолог X. Картер, открывший гробницу, проделал в каменной кладке замурованного входа отверстие, а затем просунул в него руку со свечой и заглянул внутрь, то он замер от неожиданности: все вокруг сверкало золотом. Помимо обитых золотом колесниц, кровати, луков и колчана со стрелами, там стояли кресла, покрытые мельчайшими вставками из золота, слоновой кости, серебра и самоцветов [Матье, 1965]. В главном помещении, называемом Золотым залом, где находился саркофаг, самоцветами были инкрустированы перья коршуна, вместе с коброй защищавшего плечи и грудь фараона на крышке гроба, сделанного из массивного золотого листа. В нем находилась мумия Тутанхамона. Ее голова была прикрыта золотой маской — портретом. Маску украшало широкое ожерелье со вставками из поделочных камней. Из природных камней в гробнице чаще всего попадались сердолик, лазурит, кусочки прозрачного кварца, наложенные на цветные подложки. Кристаллом горного хрусталя была увенчана сделанная из золота ручка одного из двух кинжалов, положенных рядом с телом фараона. Были найдены тончайшей работы сосуды из алебастра.

На фоне огромного количества золота, извлеченного из гробницы, небогатый набор поделочных камней, имевших хождение при дворе фараонов 33 столетия назад, вызывает недоумение. Дело, по-видимому, в том, что первые земледельческие цивилизации возникли в нижнем течении крупных рек (Нила, Тигра и Евфрата, Инда, Хуанхэ), т. е. на равнинах аллювиального происхождения. Здесь обнажаются немногочисленные горные породы, однородные как по возрасту, так и по составу. В этих регионах, как правило, редки месторождения драгоценных и поделочных камней. К тому же огромные богатства, накопленные в период царствования того или иного владыки, в прямом смысле зарывались в землю, в гробницы, и этим надолго выводились из обращения. Спустя несколько веков, а то и тысячелетий, главным образом в период распада древних государств, часть сокровищ как бы возвращалась в оборот. А виновниками этого становились грабители гробниц.

Древний Египет, а также находившиеся в сфере его влияния Синайский полуостров, Акабский залив и побережье Красного моря — это регионы, охваченные активными тектоническими процессами. Развитие Красноморского рифта, начавшееся около 8 млн лет назад, сопровождалось внедрением магматических расплавов и гидротерм, а уже в историческое время здесь проявляли активность небольшие вулканы. Неудивительно, что в этих районах с давних пор находили месторождения различных полезных ископаемых и самоцветов.

Так, на Синайском полуострове еще до завоевания его египетскими фараонами были медные рудники. Вместе с медью добывалась и бирюза. В долине Нила археологи обнаружили отрубленную руку мумии с надетыми на нее четырьмя браслетами из золотой проволоки с бирюзой. Этим (наверное, самым древним из всех известных) украшениям с бирюзой около 6 тыс. лет [Менчинская, 1989]. Позднее на побережье Красного моря стали добывать изумруды и хризолит. Однако они не часто встречаются в захоронениях фараонов и египетской знати. Можно предположить, что места расположения копей, где добывались самоцветы, держались в строгом секрете и со смертью фараона или сменой правящей династии сведения о них утрачивались. Поэтому одно и то же месторождение открывалось многократно. Примером могут служить копи Клеопатры, где еще во 2-м тысячелетии до н. э. и вплоть до эпохи распада Римской империи с длительными перерывами добывались изумруды.

С развитием торговых связей небольшие примитивного устройства суда начали бороздить водную гладь внутренних морей, удлинялись и караванные тропы. Торговые люди стали проникать в далекие, ранее недоступные страны и среди диковинок привозили оттуда камни удивительной красоты, становившиеся символами богатства и власти. Как явствует из Библии и ряда ранних исторических источников, у Первосвященника, бывшего духовным пастырем древних израильтян, хранились священные книги, передававшиеся из поколения в поколение. Во время исполнения важных религиозных обрядов их помещали в наперсник — полотняную суму с нашитыми на нее драгоценными камнями в золотой оправе. Камни располагались рядами, по три в каждом ряду. Общее их количество соответствовало числу колен (племен) израилевых, названия которых были выгравированы на камнях. Полагают, что описание наперсника появилось в IX в. до н. э., хотя сама эта реликвия была, вероятно, гораздо более древней.

Сопоставив различные источники, известный английский минералог Г. Смит [1980] пришел к выводу, что среди камней, нашитых на полотняную суму, находились аметист, изумруд, берилл, сард, оникс, сардоникс. Помимо них, в источниках упоминаются сапфир, топаз, хризолит, яспис (яшма), карбункул. По мнению Г. Смита, под этими названиями у древних фигурировали совсем не те камни, которые известны нам. Основным диагностическим признаком минерала в те времена был цвет. Под карбункулами понимали любые камни красного цвета — гранаты, шпинель, рубины; под хризолитом — камни желтого цвета. Это обстоятельство затрудняет точную идентификацию всех камней, упомянутых в Библии. Интересно было бы узнать, какими путями попали они в Палестину, где неизвестны месторождения самоцветов. Некоторые, вероятно, были завезены из Египта, другие — из города Тиры, который по тем временам считался крупным торговым центром. Библейские камни не попали в гробницы царей, потому что считались национальной реликвией. Вместе со священными книгами их надежно прятали в годины испытаний. Наперсник просуществовал вплоть до завоевания Иудеи Римом, после чего след библейских камней теряется.

Легенды и мифы о камнях

Поскольку природные минералы нашим предкам представлялись большой редкостью, о них стали складывать легенды. Проверить их достоверность тогда человеку было не под силу. Как все исключительное, камни наделялись особыми свойствами. Немало этому способствовали купцы, стремившиеся набить цену привезенному издалека товару. Да и древние эскулапы, связывавшие почти любую болезнь с кознями злых духов и дурным глазом, полагали, что защитить от них может лишь вещь уникальная, устойчивая в непогоду, не поддающаяся различным физическим воздействиям. Такими амулетами и сделались некоторые камни, за их необычность и загадочную красоту наделявшиеся магическими свойствами. Интересно, что в разных местностях значение одного и того же камня порой было прямо противоположным.

За многие столетия вокруг почти каждого из известных нам драгоценных и поделочных камней сложилась целая мифология. Возьмем, к примеру, бирюзу — самоцвет, получивший широкое признание как в древности, так и в Старом и Новом Свете. До нас дошло много мифов о бирюзе. В Персии считали, что она защищает от ударов молнии. Для древних греков и римлян это был камень любви; его дарили в знак сердечной привязанности. В Древнем Риме бирюзу полагалось носить по пятницам, так как этот день римляне посвящали Венере. Однако бирюза могла и подвести влюбленного, так как неожиданное изменение ее цвета интерпретировалось как признак непостоянства. В то же время верили, что бирюза залечивает сердечные раны и способствует примирению поссорившихся супругов. Во многих странах ее дарили на свадьбу как символ прочности брачных уз и залог счастья.

Особенно много поверий связано с целительными свойствами бирюзы, С ее помощью лечили язвы и опухоли, пытались предотвратить приступы эпилепсии. Мазью, приготовленной из порошка этого камня, снимали катаракту. Вообще, созерцание бирюзы считалось полезным для глаз. Оно усиливало зрение и делало человека способным видеть в темноте. Ну а уж тот, кто глядел на бирюзу при молодой луне, мог рассчитывать на успех и удачу в сражении [Менчинская, 1989]. Даже Аристотель воздал должное этому камню, уберегавшему, по его мнению, человека от смерти во время несчастного случая и способному помочь укушенному скорпионом. Вероятно, следуя советам великого греческого философа, русские кавалеристы любили носить перстни с бирюзой, веря, что она оберегает их от серьезных травм при падении с лошади.

Гранат в древнем мире был менее распространен, хотя имеются сведения, что хетты, создавшие мощное государство в Малой Азии (XVII–XIII вв. до н. э.), вставляли зерна граната в глазницы выбитых из камня статуй богов. Наиболее распространенной разновидностью гранатов в те времена были густо-красные альмандины. Этот минерал считался символом твердости. Носившему его человеку он придавал решительность в поступках, мог защитить от яда, а растертый в порошок, способствовал прекращению болей в желудке.

Алмазу, который стал проникать в страны Восточного Средиземноморья из Индии после походов Александра Македонского, стали приписывать многие из тех качеств, которыми наделяли гранат. Владелец алмаза обретал твердость и мужество, побеждал врагов. Ясно, что это качество алмаза ассоциировалось у древних с его непревзойденной твердостью. С помощью алмазных пилок и алмазного порошка производили резьбу по другим камням, в том числе и по самым твердым. Возможно поэтому, как полагали, алмаз способен сообщать его владельцу остроту ума, оберегать от печали, колдовства и злых духов. У Плиния Старшего читаем: «Алмаз… рассеивает пустые бредни, освобождает от пустых страхов».

Иван Грозный верил в то, что этот камень «укрощает гнев и сластолюбие и сохраняет воздержание и целомудрие». Царь, отличавшийся крайней подозрительностью, буйным нравом и отнюдь не склонный к воздержанию, признавался, что не любит алмаз, хотя он «самый дорогой из всех и редкостный по происхождению» [Горсей, 1990]. В те времена алмаз считали одним из самых губительных ядов. Французский хирург А. Паре писал, что «один глоток воды, смешанной с толченым алмазом, способен умертвить человека». Камень с такими свойствами лучше было не выпускать из рук.

Подобные поверья имели широкое хождение и на Востоке. Чтобы доказать их несостоятельность, средневековому ученому Бируни пришлось пожертвовать несколькими алмазами. Растерев камни в порошок, он в присутствии свидетелей смешал его с мясом и дал собаке. Лишь воочию убедившись, что животное не сдохло, присутствующие разуверились в старом мифе. Этот опыт произвел большое впечатление на современников Бируни [Ахметов, 1989], вероятно, не только из-за его результата, но и из-за стоимости: ведь алмазы всегда были в большой цене.

В лапидарии XVI в. — кратком описании свойств камней и минералов — говорится об алмазе: «Он дает человеку победу над врагами, если дело его правое… если какой-нибудь чародей захочет околдовать того, кто носит алмаз, то все горе и неудачи обратятся на него самого».

За этими утверждениями скрывается нечто большее, чем просто указание на способность алмаза карать за несправедливость и даже определять, на чьей стороне правота. В этом угадывается намек на связь с высшими силами, которые с помощью алмаза вершат судьбы людей, им владеющих.

Если алмазы в Европу, на Ближний и Средний Восток были завезены из Индии, то хризолит в древности поступал из района Красного моря [Смертенко, 1990]. Этот минерал — прозрачная золотисто-зеленая разновидность оливина — упоминается среди других библейских камней, нашитых на наперсник Первосвященника. И тогда это был довольно редкий камень, месторождение которого находилось на маленьком островке во владениях египетских фараонов. Тем не менее при описании археологами богатств, найденных в гробницах египетских фараонов Древнего и Среднего царств, хризолит не упоминается. По-видимому, его месторождение было открыто не ранее второй половины 2-го тысячелетия до н. э. Медицинское назначение хризолита — отгонять дурные сны.

Другой драгоценный камень, напоминающий своим цветом, как писал Плиний Старший, «чистую зелень морской воды», называется аквамарином. Это одна из разновидностей берилла, ценившаяся не только за нежную прозрачную голубизну кристаллов (они могут достигать величины в несколько метров), но и за магические свойства, он считался хранителем любви. Его дарили при расставании, перед дальним походом или неизбежной разлукой.

Фиолетовая разновидность кварца — аметист широко используется в массовом производстве ювелирных изделий. Сейчас аметист недорог, но в древности его имел далеко не каждый владыка. Священные жуки, скарабеи, найденные при раскопках гробниц египетских фараонов, наряду с лазуритом вырезались из аметиста.

Благодаря своему цвету, напоминающему красное вино, камню приписывали свойство препятствовать опьянению. По данным Бируни, из аметиста нередко делали винные чаши, видимо полагая, что часть хмеля во время питья уходит в камень, при этом усиливая его цвет. Благодаря столь «добродетельной» репутации аметист после распространения христианства стал любимым самоцветом церкви. Его называли епископским, а на Руси архиерейским камнем [Цикобер, Ахметов, 1990]. Считалось, что аметист отгоняет плохие мысли, навевает приятные сны, способствует удалению бородавок и веснушек.

Еще один самоцвет — сапфир, имеющий глубокую синюю окраску, почитался древними как камень мудрости. Его полагалось созерцать при размышлениях и перед принятием решений. К тому же верили, что он помогает при укусах скорпионов. Наши предки, различавшие камни в основном по цвету, не могли знать, что синий сапфир и ярко-красный рубин — разновидности одного и того же минерала — корунда, уступающего по твердости только алмазу. Корунды начали поступать на Ближний Восток и в Европу после того, как наладились торговые связи с Индией и Средней Азией. Иван Грозный, любуясь своими сокровищами в присутствии заморского гостя, так оценивал рубин: «Он наиболее пригоден для сердца, мозга, силы и памяти человека, очищает сгущенную и испорченную кровь». Однако, продолжал царь, «особенно я люблю сапфир, он сохраняет и усиливает мужество, веселит сердце, приятен всем жизненным чувствам, полезен в высшей степени для глаз, очищает их, удаляет приливы крови к ним, укрепляет мускулы и нервы. …Все эти камни — чудесные дары Божьи… Они друзья красоты и добродетели и враги порока» [Горсей, 1990. С. 90].

Не уступает по части легенд и поверий еще один самоцвет — янтарь. Он, пожалуй, одним из первых попал в поле зрения человека. Его находили в усыпальницах египетских фараонов, в курганах скифской и сарматской знати, в сокровищницах восточных владык. О природе и происхождении янтаря ученые спорили в течение многих столетий, и лишь в XVIII в. М. В. Ломоносов убедительно показал, что янтарь — это кусочек застывшей древесной смолы. Она уплотнилась под тяжестью перекрывших ее осадков. Наконец по прошествии миллионов лет пласты отложений, поднявшиеся к морскому дну, стали разрушаться под действием штормовых волн, легкие по весу кусочки янтаря прибивались ими к побережью.

У древних славян янтарь был символом здоровья и силы. В виде порошка его употребляли для остановки кровотечений, при сердечной аритмии, обмороках и лихорадках. Об этом мы узнаем из трудов великого восточного ученого Ибн Сины. В отличие от многих других минералов янтарь как вещество органической природы действительно обладает целительными свойствами. Основным его компонентом является янтарная кислота, препараты из которой, согласно недавно проведенным исследованиям, помогают при некоторых сердечных патологиях и обладают противовоспалительным и антитоксичным действием [Сребродольский, 1988]. Широк диапазон показаний и для солей янтарной кислоты, применяемых при лечении анемий, судорог и др.

С лазуритом, как писал А. Е. Ферсман [1956], «издавна связывались представления о красоте и величии неба, ему поклонялись, видя в нем отражение божественных сил». Этот «небесный» камень, как мы уже знаем, появился на заре человеческой цивилизации. Лазурит имеет сложный состав и относится к алюмосиликатам, содержащим серу. Некоторые разновидности его включают вкрапления колчедана, которые искрятся золотистыми блестками на солнце. Этим свойством славился бадахшанский лазурит из Афганистана, высоко ценившийся на Древнем Востоке. Лазурит шел не только на украшения, но и для приготовления синей краски, считавшейся лучшей среди других природных красителей. А так как она не темнела со временем, ею пользовались еще и художники эпохи Возрождения. Лазурит с золотистыми жилками, лишенный пятен, древние греки и римляне посвящали Афродите. По свидетельству А. Е. Ферсмана [1956), лазурит в Древнем Египте почитали священным камнем, поэтому вполне достоверными представляются сведения, что статуя фараона Тутмоса III была когда-то покрыта золотом и лазуритом.

Алебастр — гипсовый камень нежно-желтого цвета, покрытый тончайшими жилками и пятнами. В тонких пластинках он обладает матовой прозрачностью, благодаря которой просматриваются спрятанные в глубине природные узоры. Изделия из алебастра пришли к нам из Древнего Египта. Это ритуальные чаши и сосуды, выполненные с таким изяществом, что напоминают фарфор. Позднее искусство изготовления ваз и чаш из этого материала перекочевало в Северную Италию. Гипс отнюдь не драгоценный и не такой уж редкий камень, однако нежно-розовые и палевые его разности с крупноволокнистой структурой, называемые селенитами, встречаются довольно редко. Этот камень — продукт осыхающих под жаркими лучами солнца морских вод. Он словно затвердевшая пена прибоя, след исчезнувших морей.

Камень, происшедший от радуги

Среди самоцветов особое место всегда занимал изумруд, который ценился, как правило, дороже алмазов и уступает только рубинам [Уорд, 1991]. Изумрудом до недавних пор называли любой берилл (бериллиево-алюминиевый силикат), окрашенный в зеленый цвет примесью хрома (менее 1 %). Не так давно, однако, в США и в Африке были найдены новые месторождения бериллов, окрашенных ванадием в густо-зеленый цвет. После продолжительных споров эти камни также были признаны изумрудами.

В древнем мире относительно изумрудов существовало множество поверий. В Египте, где изумруд добывали еще во 2-м тысячелетии до н. э. (в так называемых копях Клеопатры, расположенных в горах в 24 км от побережья Красного моря), он ассоциировался с богиней плодородия Изидой, покровительницей домашнего очага. Беременным женщинам из состоятельных семей рекомендовалось носить амулет из изумруда и класть его после рождения ребенка в колыбель. Уместно вспомнить в этой связи библейскую легенду о маленьком Моисее. Когда египетский фараон приказал истребить всех израильских младенцев мужского пола, мать положила его в корзину из-под белья и пустила ее по течению Нила. Корзину выловили слуги фараона и принесли во дворец. Дочь фараона, восхитившись младенцем, оставила его у себя и вырастила как сына. Подросший Моисей покинул дворец, долго скитался по Аравийской пустыне и приобрел знания и навыки, необходимые для выживания в этой суровой природной среде. В дальнейшем это помогло ему вывести израильский народ из Египта в Палестину.

Как знать, не положила ли мать в корзину с Моисеем по обычаю того времени амулет с изумрудом и не этот ли камень фигурировал потом среди других библейских камней?

Известно, что в древности амулеты с изумрудами брали в плавания купцы и моряки, веря в их способность укрощать штормы и ураганы. Верили также в то, что изумруд ослепляет змей. Если же человек все-таки был ею укушен, ему давали в качестве противоядия порошок из толченого изумруда. Вряд ли, однако, потом разбирались (если укушенный умирал), что было причиной смерти — змеиный яд или толченый камень. Плиний Старший писал об изумруде: «Из всех других драгоценных камней только этот питает взор без пресыщения. Даже когда глаза утомлены пристальным рассмотрением других предметов, они отдыхают, будучи обращены на этот камень».

А какие только свойства не приписывались изумруду в средние века! Он не только благоприятствовал развитию таланта, но и проявлял в человеке красноречие, великодушие, чувство изящного. Нередко изумруд дарили новобрачным, и если в течение их совместной жизни камень давал трещину или раскалывался, то это рассматривалось как предупреждение о неверности одного из супругов. Иван Грозный так оценивал изумруд: «Этот произошел от радуги, он враг нечистоты. Испытайте его, если мужчина и женщина соединены вожделением, то он растрескается» [Горсей, 1990. С. 90].

Кто сосчитает, как часто это поверье становилось причиной семейных драм? Ведь в сравнении с многими другими камнями изумруд не очень прочен. Ф. Уорд [1991] свидетельствует: «Изумруды — это единственные драгоценные камни, которым разрешается иметь разного рода включения, внутренние пороки, которые сделали бы алмаз просто непригодным к реализации. Причина проста — без этих пороков природных изумрудов не бывает. Есть какая-то связь между зеленой окраской изумрудов и теми внутренними напряжениями роста, которые и приводят к образованию разного рода включений» (С. 18). Благодаря этим внутренним порокам в изумруде и появляются трещинки.

Самые богатые месторождения изумрудов находятся в Колумбии, у местечка Мусо. Испанские конкистадоры, обнаружив изумруды у индейцев, долго искали страну драгоценных камней. Их упорство подогревали слухи о каменном идоле — огромном кристалле изумруда, которому якобы поклонялись инки. Уже на пути в Колумбию испанцы награбили до 7 тыс. изумрудных камней, а обнаружив копи, стали их разрабатывать, используя рабский труд их же владельцев — индейцев. За два-три столетия из Колумбии было вывезено огромное количество зеленых камней, причем некоторые достигали таких размеров, что из них вырезали шкатулки. Парадокс заключался в том, что в Европе того времени, бредившей алмазами и сапфирами, они не ценились. Поэтому изумруды хлынули на восток, в Индию — всемирную кладовую драгоценных камней. Великие Моголы накопили их в таком количестве, что только один Надир-шах вывез их из Дели в Персию в количестве нескольких тысяч штук. Многие из них превышали 300 карат. Великолепные изделия из этих изумрудов — кинжал, ларец и шкатулки — были подарены тогдашним правителем Персии султану Турции.

Сохранились описания замечательных изумрудов, подаренных испанским конкистадором Ф. Кортесом своей невесте, а затем утерянных при кораблекрушении. Согласно Г. Смиту, один камень имел форму розы, второй — рога. Из самого большого был вырезан колокол, языком которого служила великолепная жемчужина. Самый же красивый камень имел форму кубка с ножкой из золота. Последнему, пятому камню была придана форма рыбы.

В наше время известны огромные изумруды. Самый крупный был найден на острове Мадагаскар. Длина его достигает 18 м, а ширина 3–3,5 м. Из ювелирных камней наибольший, до 16 см, из Колумбии [Здорик, 19901. В этом регионе изумруды добывают из кальцитовых жил гидротермального происхождения, пронизывающих меловую толщу битуминозных известняков и аргиллитов. Добыча ведется открытым способом. Бульдозеры срезают очередной слой, и в пустой породе начинают сверкать зеленые камни.

Амулеты и талисманы, «роковые» камни

В предыдущем разделе мы уже коснулись той роли, которую играли камни и изделия из них в качестве амулетов. Их носили в перстнях, в виде подвесок к ожерельям или в браслетах. Многим камням приписывали способность предвещать судьбу, быть своеобразным зеркалом, заглянув в которое можно было узнать о скрытых недугах, хороших или плохих предзнаменованиях.

Так, верили, что если бирюза бледнеет, «затуманивается», то это предвещает болезнь или указывает на плохое самочувствие. У метеочувствительных людей побледнение бирюзы могло действительно совпадать с недомоганием. Ведь яркость ее окраски зависит от освещенности, которая при дождливой, облачной погоде резко снижается. В то же время с прохождением циклона, приносящего дождевые облака, наблюдается падение атмосферного давления, что нередко сопровождается мигренями, сонливостью, снижением общего тонуса, а то и нарушениями сердечной деятельности. Поэтому связь между состоянием камня и самочувствием его хозяина кажется вполне объяснимой.

Есть, однако, исторические свидетельства, вызывающие удивление. У Дж. Горсея [1990] читаем про то, как Иван Грозный показывал придворным кораллы и бирюзу из своей сокровищницы: «…возьмите их в руку, их природный цвет ярок; а теперь положите их на мою руку. Я отравлен болезнью. Вы видите, они показывают свое свойство изменением цвета из чистого в тусклый, они предсказывают мою смерть» (С. 90). Было ли это результатом самовнушения или предчувствием, но царь Иван Грозный действительно умер вечером того же дня.

Появление трещины или выбоины в камне-амулете на Древнем Востоке также считалось дурным предзнаменованием, а пропажа перстня с камнем, служившим, как правило, еще и печатью, могла сравниться только с утерей паспорта или ключей от квартиры в наши дни. Люди в то время не знали ключей и оттискивали на воске или другом мягком материале свою печать, чем удостоверяли право владения той или иной собственностью. Чиновникам же и вельможам оттиск перстня заменял личную подпись. Те из них, кто не обзавелся своим камнем-печатью, считались людьми, недостойными уважения.

Из необходимости иметь личную печать родилось искусство миниатюрной резьбы по камню, называемое глиптикой. В камне вырезался заглубленный рисунок или определенный знак, который оставлял выпуклый оттиск на воске (впоследствии на пергаменте). Эти геммы, называемые инталиями, были предшественницами камей. Рисунок на последних делался выпуклым. Камеи использовались уже не в качестве печатей, а как украшения. Они становились и амулетами. Изображения богов-покровитслей Гермеса, Афродиты, Ники и др. чаще всего присутствуют на античных геммах. В коллекции Государственного Эрмитажа хранится интересная камея из сардоникса. На ней вырезана фигура летящего Персея с головой Медузы в одной руке и мечом в другой. Надпись на обратной стороне гласит: «Беги подагра — Персей тебя преследует». Эта камея — редкий пример амулета с конкретным медицинским «адресом».

Талисманы были у многих знаменитых людей. Известно, например, что А. С. Пушкин очень любил перстень с сердоликом. Он был подарен поэту перед ссылкой его в село Михайловское Е. К. Воронцовой. А. С. Пушкин верил, что перстень является хранителем его поэтического гения. К нему обращено и известное стихотворение «Храни меня, мой талисман!». В трагический день 9 февраля 1837 г. перстень был с А. С. Пушкиным. Сила судьбы оказалась могущественнее талисмана. Перстень с руки умершего снял поэт В. А. Жуковский. Много лет спустя его сын подарил талисман А. С. Пушкина И. С. Тургеневу, после кончины писателя П. Виардо передала его в Пушкинский музей Александровского лицея. Как бы то ни было, скромный сердолик, вывезенный, скорее всего, из Крыма [Ахметов, 1989], стал настоящей реликвией, связавшей жизни знаменитых людей.

В качестве талисманов выступали и многие так называемые исторические камни. Одним из них был известный алмаз «Санси». Этот бриллиант чистой воды величиной с голубиное яйцо принадлежал когда-то барону Санси, под чьим именем и получил известность. История алмаза началась гораздо раньше и связана прежде всего с именем бургундского герцога Карла Смелого. Приказав вставить алмаз в свой шлем, он брал его во все сражения, а их было немало, свято веря, что бриллиант охранит его от смерти. Вероятно, на это у Карла Смелого были основания. Однако в 1477 г. в битве при Нанси герцог был убит, алмаз попал к наемному солдату и в конце концов оказался у барона Санси. В дальнейшем камень побывал во многих руках. Какое-то время им владел один из Демидовых — знаменитых уральских заводчиков, который продал бриллиант в 1865 г.

Более надежным талисманом оказался рубин «Черный Принц», украшающий ныне корону британских королей.

Этот исторический камень принадлежал эмиру Гранады — последнего владения мавров на Пиренейском полуострове. В 1367 г. им завладел король Кастилии дон Педро. Позднее в знак благодарности за помощь, оказанную ему Черным Принцем (будущим английским королем Генрихом V), дон Педро подарил ему рубин. По обычаям того времени камень стал украшать шлем своего хозяина. В битве при Агинкорте Черному Принцу был нанесен сильный удар, от которого проломился лишь шлем [Смит, 1980]. Позднее было установлено, что драгоценный камень вовсе не рубин, а великолепная красная шпинель.

Талисманом Наполеона Бонапарта называли алмаз «Регент», украшавший рукоятку его шпаги. Трудно сказать, какое влияние оказывал камень на полководческий гений французского императора. Сейчас он выставлен в Лувре, а до Великой французской революции находился в короне французских королей. Куплен он был у лорда Питта герцогом Орлеанским — регентом Франции при малолетнем Людовике XV. Отсюда и название алмаза, который был добыт в 1701 г. в копях Голконды в Южной Индии. Широкое хождение получила легенда о том, как невольник, нашедший алмаз, спрятал его в повязке, наложенной на глубокую рану в пояснице. Рану он нанес себе сам, чтобы скрыть уникальную находку. Этот человек вскоре был утоплен английским матросом, который сначала вызвался помочь продать камень, но потом не захотел делиться добытыми деньгами с невольником. В конце концов камень попал в руки лорда Питта, бывшего в то время губернатором Индии. Надо сказать, что криминальный след тянется не только за этим, но и за многими другими драгоценными камнями.

В истории сохранилось, увы, не так уж много свидетельств, подтверждающих охранительные свойства камней-амулетов. Зато до нас дошли вполне достоверные рассказы о роковых камнях. Один из них приводил М. И. Пыляев в книге о камнях, изданной в конце прошлого века в Санкт-Петербурге [Пыляев, 1877]. Речь идет об испанском короле Альфонсе XII, который подарил своей невесте, принцессе Мерседес, кольцо с бриллиантом. М. И. Пыляев писал: «Став женой короля, она не расставалась с кольцом до самой смерти. Когда же она случилась, король отдал кольцо своей бабушке, королеве Христине, которая спустя некоторое время умерла, и кольцо досталось инфанте дель Пилар, сестре Альфонса XII, а та умерла через несколько дней. Король дарит это кольцо инфанте Христине, сестре королевы Мерседес. Три месяца спустя и она умирает. Тогда король в последний раз взял кольцо, приобретшее такую печальную славу, и не захотел более расставаться с ним. После смерти Альфонса XII было подсчитано, что в короткий промежуток времени пять особ, владевших этим кольцом, умерли. В итоге все наследники отказались от этого ужасного кольца и оно было пожертвовано Пречистой Деве дель Альмудена, патронессе Мадрида, где красовалось на ее образе».

Весьма вероятно, что описываемый бриллиант был одним из тех 12 драгоценных алмазов, которые первоначально принадлежали кардиналу Мазарини. После смерти кардинала они украшали корону Франции, но во время революции 1830 г. исчезли. Бриллианты к свадьбе короля Альфонса привез ювелир из Амстердама — мирового центра по огранке и продаже бриллиантов того времени. Имя их владельца он отказался сообщить. После того как уже купленные испанским королем алмазы оправили в золото, зародилось подозрение, что они представляют собой 12 бриллиантов Мазарини. Камни эти не принесли счастья Альфонсу XII.

Камни раздоров

Уникальные драгоценные камни, добытые во времена средневековья или на заре новой истории, оседали с сокровищницах сиятельных особ и не раз становились объектом зависти соседних правителей. До открытия Нового Света в конце XV столетия и проникновения в отдаленные районы Африки в XIX в. основными источниками драгоценных и поделочных камней оставались на протяжении тысячелетий Индия и Цейлон, в меньшей степени Афганистан и Бирма. Индия, занимавшая первую строку в этом списке, начиная с середины 1-го тысячелетия до н. э. подвергалась постоянным нападениям со стороны различных завоевателей. Вспомним персидского царя Дария, Александра Македонского, Чингисхана, Тимура. Потомки последнего утвердили свою власть в северной части Индостанского субконтинента и основали здесь государство Великих Моголов. Со времен Тимура и первых Великих Моголов начинается история самых известных камней, называемых историческими. Ныне они украшают лучшие музеи мира и государственные сокровищницы, в том числе Алмазный фонд.

Дошедшие до нас легенды связывают многие камни с именами грозных завоевателей Востока. Одним из них является рубин Тимура. Об истории камня повествуют надписи, выгравированные на его поверхности. Захваченный Тимуром в 1398 г. после взятия города Дели, рубин (на самом деле шпинель) перешел по наследству к его сыну Шахруху, а затем к его внуку — знаменитому Улугбеку. Спустя столетие, судя по надписи, рубин оказался у персидского шаха Аббаса, который в войне с узбекскими ханами утвердил свою власть в Хорасанских степях и западных районах нынешнего Афганистана. Постоянно воевавший с турками-османами, шах Аббас был заинтересован в мире на восточных рубежах своего государства. Видимо, этим объясняется, что рубин Тимура был им подарен правителю Индии Джахангиру, одному из династии Великих Моголов. На рубине, вновь оказавшемся в Индии, появились имена Джахангира и его отца, Акбара.

В то неспокойное время сыновья часто свергали своих державных родителей, а братья воевали друг с другом за право наследования. Сын Джахангира восстал против отца и через несколько лет стал правителем империи Великих Моголов под именем Шах-Джахан. Шедевр индийской архитектуры — усыпальница Тадж-Махал в Агре была не единственным чудом, созданным по его приказу. Другим стал легендарный Павлиний трон в Зале приемов в Дели. До нас дошли только описания этого трона, сделанные французским путешественником Ж. Тавернье. Он был украшен 108 кабошонами благородной шпинели, почти 100 изумрудами и большим количеством алмазов. Балдахин над троном также сверкал самоцветами. В него был вделан крупный алмаз в окружении рубинов и изумрудов. Когда Великий Могол сидел на троне, перед его глазами находился алмаз, который, по мнению А. Е. Ферсмана, воспринимался им как талисман. Среди огромного количества драгоценностей сверкал и рубин Тимура. С этого времени его история пересекается с историей другого, еще более знаменитого камня — алмаза «Кох-и-нор» («Гора света»), бывшего главным украшением Павлиньего трона.

В 1739 г. в Индию вторгся владыка Ирана Надир-шах, прославившийся захватническими войнами и жестокостью. Его целью было не столько завоевание Индии, сколько грабеж несметных богатств, накопленных Великими Моголами. Правивший в это время Мухаммед-хан (Мухаммед Гурхан) сдался на милость победителя. Среди огромного числа трофеев оказался и рубин Тимура. Однако алмаз «Кох-и-нор» не сразу попал к захватчику. Великий Могол попытался укрыть его от глаз Надира, спрятав в тюрбане. Надир-шах, знавший о существовании знаменитого алмаза, каким-то образом догадался о проделке Мухаммед-хана и предложил ему в знак дружбы обменяться головными уборами. Тот, конечно, не осмелился отказаться. Так, один из самых крупных и знаменитых алмазов оказался в Персии [Джафаров, 1989].

Не доверяя своим вассалам, Надир-шах нередко брал в походы наиболее ценные из своих сокровищ. Часть из них после того, как он был убит, попала в руки Ахмед-шаха, одного из афганских военачальников, командовавшего наемными войсками. Среди сокровищ оказались рубин Тимура и алмаз «Кох-и-нор». Вернувшись в город Кандагар, Ахмед-шах основал независимое афганское государство. Алмаз и рубин оставались в Афганистане до 1813 г. С их пребыванием здесь была связана не одна кровавая драма. Известно, например, что афганский правитель Шуджа, смещенный с трона, в течение нескольких дней подвергался пыткам, так как отказывался открыть тайник, где были спрятаны драгоценности. Он выдал тайну лишь после того, как был ослеплен.

В 1813 г. очередной правитель Афганистана был вынужден бежать в город Лахор, где за предоставленное ему убежище расплатился с местным раджой Ранжит-Сингхом драгоценными камнями. После завоевания англичанами Пенджаба в 1849 г. знаменитые камни попали к директорам Ост-Индской компании и вскоре были преподнесены в дар королеве Виктории. Сейчас они украшают малую королевскую корону Великобритании.

А что же случилось с алмазом, украшавшим балдахин над троном Великих Моголов? А. Е. Ферсман полагает, что им был другой (вовсе не «Кох-и-нор») алмаз. С ним также связано много интересных, в том числе и печальных, событий. Этот кристалл, имеющий несколько странную призматическую форму при длине около 3 см, отличается высокой чистотой и слегка желтоватым оттенком. Найденный в конце XVI в. в Индии, вероятнее всего в копях Голконды, откуда «родом» и другие индийские алмазы, он сохранил первоначальную форму и подвергся лишь легкой пришлифовке. В 1591 г. алмаз принадлежал правителю провинции Ахмаднагар Бурхану-Низзам-шаху. Наиболее удачливый из Великих Моголов Акбар вскоре завоевал центральные области Индостана и отобрал у правителя Ахмаднагара его сокровища. Принадлежность алмаза Великим Моголам зафиксировал внук Акбара Шах-Джахан, выгравировав на одной из сторон камня имена свое и отца, Джахангира. Шах-Джахан, слывший знатоком драгоценных камней, сам занимался их огранкой.

Вероятно, вместе с другими драгоценностями Великих Моголов алмаз, получивший впоследствии название «Шах», перекочевал в обозе Надир-шаха в Персию. Во время длительных междоусобиц, начавшихся после его гибели, алмаз не удалось захватить ни одному из мародерствующих отрядов, на которые распалась огромная армия Надира. Он остался в числе драгоценных камней, принадлежавших правителям Персии, о чем свидетельствует третья надпись на алмазе «Шах», сделанная всего за пять лет до трагических событий в Тегеране, во время которых был убит русский посланник в Персии А. С. Грибоедов. За кровь великого поэта правитель Персии Аббас-Мирза расплатился с русским царем Николаем I большим алмазом, ныне украшающим Алмазный фонд.

Камни вокруг нас

Песчаники — застывшие русла рек, окаменевшие дюны и пляжи

Песчаник относится к числу самых обыкновенных и широко используемых в хозяйстве типов пород. Его применяли испокон веков, в частности, как точильный камень. Впрочем, песчаник прежде всего строительный материал. В этом качестве он уступает разве что известняку. В странах, где последний достаточно редок, из песчаника строили дома и храмы, мостили дороги, складывали опоры мостов. Среди наиболее известных сооружений из песчаника храм Абу Симбел в Верхнем Египте, построенный в XIII в. до н. э. во времена Нового царства. Сам храм — пещерное сооружение, выдолбленное в скалистом уступе нильского берега и развернутое в широтном направлении. В двух залах и в святилище общей протяженностью 55 м обычно царил полумрак. Лишь лучи восходящего солнца два раза в году освещали его глубины. Потолочный свод первого зала поддерживался прямоугольными столбами высотой более 10 м, к которым были прислонены статуи Рамсеса II — одного из знаменитейших фараонов Египта. В честь его, а также богов Амона, Птаха и др. построен этот храм. Вход как бы охраняли высеченные из монолитов песчаника статуи самого фараона и его жены Нефертари высотой 20 м [Лебединский, Кириченко, 1988]. В период строительства высотной Асуанской плотины пещерный храм и статуи фараона были распилены на крупные блоки и перенесены на более высокое место, где им не угрожало затопление.

Византийский историк Исидор, упоминая среди основных строительных материалов «мельничный камень», т. е. песчаник, считал, что он особенно пригоден для кладки стен домов и храмов. В его времена тесаный камень стал вытеснять бетон, широко применявшийся в строительном деле в период расцвета Римской империи. Песчаник не значился в ряду особо прочных или красивых материалов. Как и другие сорта камня, его рекомендовалось применять для вполне определенного элемента конструкции или декора. Так, фундамент собора Парижской богоматери сложен из бутовой плиты и блоков зеленого песчаника.

Песчаник, устойчивый к выветриванию в областях с пустынным климатом, во влажных тропиках не столь прочен. Дело в том, что эта порода состоит из множества мелких и близких по размеру зерен, образующих ее каркас, и связующего более тонкого вещества, которое играет роль цемента. В зависимости от состава зерен и цемента прочность этой породы довольно резко меняется. Размеры песчинок колеблются от 0,1 до 1 мм. В большинстве своем они имеют округлую форму, правда далекую от идеальной, сферической. При изучении в шлифах под микроскопом обычно различают зерна остроугольной, угловатой и сферической, окатанной формы. В песчанике, лишенном цемента и стоженном однородным по величине материалом, зерна уложены примерно так же, как шары на бархате биллиардного стола перед началом партии. Эта идеальная упаковка зерен достигается в реальной породе очень редко.

В пустотах (их называют порами) могут находиться более мелкие частицы. Они обычно не выполняют опорной, несущей функции и потому относятся к заполнителю (цементу). Иногда, правда, цементирующего вещества настолько много, что песчинки как бы плавают в нем. Такой цемент называют базальным. Его разложение ведет обычно к разрушению всей породы. Чаще всего это происходит в результате выщелачивания фильтрационными водами. Песчаник — пористый материал, играющий обычно роль коллектора грунтовых вод. В него легко проникают и метеорные воды. Если цемент в этой породе представлен карбонатами, под действием этих вод он скоро распадается. Более устойчив глинистый либо кремнистый цемент.

Всякая порода — это зрелая форма существования осадка, некогда мягкого и рыхлого. Прежде чем осесть, песчинки обычно долго путешествуют. Их поверхность испещрена различными отметинами. В поле электронного сканирующего микроскопа ее можно читать, как паспорт дипломата с визами разных стран. Песчаное зерно из пустыни покрыто мелкими вмятинами, возникшими от ударов при столкновении поднятых в воздух частиц. Само зерно обычно одето в тонкую непрозрачную «рубашку» из оксидов железа. Это так называемый «пустынный загар», появляющийся при испарении поднимающихся к поверхности через песок грунтовых вод, несущих растворенные и взвешенные вещества.

А вот зерно кварца из устьевого бара в дельте реки, как правило, отполировано и окатано до такой степени, что похоже под бинокуляром на маленький блестящий шарик. Однако и на его поверхности есть темные оспины — ямочки растворения. Если такое зерно окажется на приливно-отливной площадке, каких много в дельтах и эстуариях рек, то спустя какое-то время в этих порах-ямочках мы обнаружим мельчайшие кристаллики гипса или других солей. Они выросли здесь в фазы осушки, во время отлива, когда основная масса воды скатывается с площадок в реку или в море, а в остаточной поровой влаге резко подскакивают при испарении концентрации растворенных солей. В бухтах и лагунах, расположенных на побережье некоторых аридных областей, например Юго-Западной Африки, в кавернах, которыми изобилует поверхность кварцевых зерен, обнаруживаются панцири мелких диатомей — одноклеточных водорослей, обитающих в зонах с повышенной биологической продуктивностью вод. В то же время во влажных тропиках, где в береговой зоне широко распространены мангровые заросли, песчаные частицы, галька и раковины моллюсков покрываются черным налетом. Это органо-минеральные пленки, содержащие восстановленные формы металлов.

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.

Рис. 1. Структура двухэтажного пакета каолинита (Грим, 1956 г.) 1 — атомы кислорода; 2 — гидроксильные группы; 3 — атомы алюминия. 4 — атомы кремния

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 Ао, трехслойного — около 10 Ао. 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 Ао. 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 Ао в первом случае и до 17,8 Ао 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.

Рис. 2. Структура трехэтажного пакета смектита (Грим, 1956 г.) 1 — атомы кислорода; 2 — гидроксильные группы; 3 — агомы алюминии, железа, магния; 4 — атомы кремния, иногда алюминия

Минералы группы хлорита характеризуются межплоскостным расстоянием, близким к таковому смектитов. В межслоевом промежутке (dхлорит = 14,3 Ао), 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 Ао.

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.

Другую группу кремнистых пород, или силицитов, составляют диатомиты, опоки и трепела. Эти образования характерны не только для разрезов ложа океана в высоких широтах. Еще более они распространены по периферии островных вулканических дуг в умеренном и нивальном климате, где бурному цветению диатомовых водорослей благоприятствуют частые вулканические извержения. Часть попавшего в воду пепла разлагается, что приводит к обогащению ее кремнекислотой. Так, воды Тихого океана, находящегося в кольце вулканических дуг, гораздо сильнее обогащены кремнеземом, чем воды Атлантического и Индийского океанов.

Диатомиты — светлые высокопористыс легкие породы, составленные панцирями диатомей той или иной степени сохранности. Они сцементированы микрокристаллическим кремнеземом, высвободившимся при распаде тех же скорлупок диатомей или вулканических продуктов. Содержание кремнезема в описываемых породах выше 50 %. Особо чистые разности диатомитов, а также опок и трепелов являются ценным сырьем для изготовления высококачественных керамических изделий. Прочность, легкость и устойчивость к ядовитым химическим соединениям, в том числе к кислотам и щелочам, поставили керамику на особое место. Она считается материалом будущего, который придет на смену чугуну, стали и различным сплавам. В Японии уже созданы экспериментальные автомобильные двигатели, полностью состоящие из керамических деталей.

Трепела и опоки являются во многих случаях перекристаллизованными диатомитами. В шлифах они выглядят как скопление мелких глобул различной величины, впаянных в тонкокристаллическую кремнистую массу. В трепелах в качестве примеси еще различаются отдельные спикулы губок, полураспавшиеся панцири диатомей, в опоках их практически не видно. Последние отличаются большей крепостью, тяжелее трепелов и имеют более темную окраску. Если лизнуть поверхность трепела, то язык прилипнет к нему на мгновение. Описываемые породы способны из-за своей высокой пористости впитывать различные жидкости. Поэтому их часто используют в качестве поглотителей. История изобретения динамита связана с этой их способностью. Рассказывают, что однажды в лаборатории шведского химика и изобретателя А. Нобеля один из мастеров пролил нитроглицерин на кусок кизельгура (так называли в Западной Европе в конце прошлого столетия опоки). Нитроглицерин полностью впитался в поры кизельгура. Воспользовавшись этим случаем, решили проверить взрывчатые свойства нового соединения. Удары, от которых нитроглицерин обычно взрывался, не произвели никакого эффекта. Когда же к кизельгуру пристроили взрыватель, то от детонации новый материал взорвался с оглушительной силой. Так был изобретен динамит.

К особой разновидности кремнистых пород относятся спонголиты. Они состоят из спикул — игольчатых сростков кремнезема, слагающих каркас кремневых губок. Это примитивные и очень древние животные, которые обитают на каменистом дне и фильтруют органические остатки из морской воды. В зависимости от возраста состав их может быть опаловым или халцедоновым.

К кремнистым образованиям относятся многие разновидности поделочных и ювелирных камней: опалы, в том числе и драгоценные, агаты, сердолики, оникс. Агаты встречаются в виде желваков шишковатой формы с темной поверхностью. Облик таких стяжений обычно не обещает ничего интересного. В Предуралье их нередко находят на полях после осенней или весенней вспашки. Стоит, однако, расколоть или разрезать такой камень, как перед глазами предстанет удивительная по красоте картина: матовая, полупрозрачная глубина, словно застывшее озеро нежных бежевого или голубоватого тонов, а от его центра, будто волны, разбегаются концентрические изгибы тонких полосок красного или коричневого цвета. Если желвак имеет ребристую поверхность, то на поперечном срезе агатовая пластинка напоминает причудливую звезду. Окраска халцедона, которым сложен агат, обычно плотнее к периферии стяжения. В центре часто остаются пустоты, отчасти заполненные кристаллами или натечной формы сгустками кремнезема. Это свидетельствует о том, что перед нами не конкреция, которая растет от центра к периферии, а жеода. Ее возникновение связано с заполнением пустот в толще породы: внешние оболочки сложены халцедоном ранней генерации, центральные — поздней. Агаты чаще всего встречаются среди базальтов, реже — среди изверженных пород кислого состава. Находят их и в осадочных породах кремнистого состава. Если заполнение пустот, в которых рос полосчатый халцедон, происходило не одновременно по всему периметру полости, а последовательно, снизу вверх, то возникали разновидности с прямыми субпараллельными полосками. За такими камнями закрепились специальные названия. Широко известны ониксы — агаты, в которых чередуются полоски белого и черного цвета. Образцы с красными полосками называются сардами, с белыми и красными — сардониксами. Именно такие агаты с давних пор предназначались для изготовления камей. Совершенно особым обликом отличается моховой агат, пронизанный дендровидными выделениями таких минералов, как хлорит и селадонит, или оксидов марганца. Это пейзажный камень с неповторимыми фантастическими сюжетами. Формируются агаты уже после погружения пород в недра в процессе движения отжатых седиментационных или гидротермальных растворов.

Аналогичное происхождение, вероятно, имеет и сердолик — твердый прочный камень халцедонового состава с однородной или слабополосчатой окраской красноватых или коричневых гонов. Генетически он связан с магматическими расплавами, не достигшими поверхности и раскристаллизовавшимися на глубине, иначе говоря, интрузивными образованиями. Впрочем, сердолик встречается и в метаморфических породах. Высокая прочность и устойчивость к различным агентам выветривания способствуют сохранению сердолика в различных обстановках. Недаром этот камень в качестве украшения использовался еще первобытными людьми. В отличие от агатов для него не характерны полосчатость и концентрическое строение.

Особое место среди перечисленных минералов кремнистого состава занимают благородные опалы. По редкости и красоте они сравнимы с драгоценными ювелирными камнями. Выделяются три разновидности благородного опала: огненная, белая и черная. Название «огненный» отражает оранжевый или пламенно-красный цвет камня. Он обычно прозрачен и вспыхивает на свету оранжевым пламенем. Однако эти отблески не идут из глубины, как у других благородных опалов. В белом опале игра цветовых бликов или огней происходит на молочно-белом фоне, в черном идет из темных, почти черных глубин. Преобладает «игра» красных и зеленых бликов. Родиной огненных опалов является Мексика, черных и наиболее красивых белых камней — Новый Южный Уэльс в Австралии, переживший в конце прошлого века «опаловую лихорадку». Согласно Б. Андерсону, австралийские белые опалы характеризуются флюоресценцией и способны на протяжении долгого времени фосфоресцировать. Однако бразильские камни того же типа инертны к ультрафиолету. Исследования в поле электронного микроскопа показали, что структура благородных опалов определяется плотной упаковкой сферических агрегатов из оксидов кремния. Это изотропный материал с показателем преломления 1,45. Вспышки различных цветов, наблюдаемые в благородных опалах, обусловлены интерференцией света определенной длины волны (при подавлении других световых волн), равной двум диаметрам преобладающих сфер. Красные вспышки наблюдаются в камнях, состоящих из сфер диаметром 3000 А. При меньшем их диаметре видны вспышки голубого цвета.

Помимо благородных, в ювелирном деле используются и обычные молочно-белые опалы, которые идут на изготовление брошей и кулонов. Эти камни не обладают упорядоченной упаковкой и лишены игры цветов, однако красивы сами по себе. Недостатком их считаются невысокая прочность и твердость.

Соли — свидетели зарождения древних пустынь

Довольно редко встречаются такие хемогенные образования, как соли. Они выпадают (кристаллизуются) из рассолов. Самая известная поваренная соль, или галит, неизменно присутствует на нашем обеденном столе. Накануне войн или в годы других тяжелых испытаний люди всегда запасались хлебом и солью. Хлебом и солью до сих пор принято встречать гостей в России и на Украине. Так что если бы на Земле отсутствовало это полезное ископаемое, то его пришлось бы получать промышленным путем. Издревле соль получали путем выпаривания морской воды в естественных или искусственных отстойниках в жарких странах. Этот способ используется и сейчас на побережьях с аридным климатом, например в Мексике и в Южной Аравии, где находятся солеродные лагуны или соляные ванны.

В средние века была открыта ископаемая каменная соль, и для ее добычи устраивались соляные копи и шахты. В Германии этот промысел получил развитие уже в XII–XIII вв., в России — в XIV–XV вв., когда купцы Строгановы стали разрабатывать залежи соли в районе Солигалича. Позднее выяснилось, что некоторые минеральные соли, прежде всего калийные, могут служить прекрасным удобрением, повышающим плодородие полей. Наконец, промышленная революция в XIX в. резко расширила круг необходимых народному хозяйству химических соединений, ранее считавшихся бесполезными.

Ископаемые соли, называемые галогенными отложениями, делятся на простые, двойные и сложные. К простым относятся соединения типа галита (NaCl), сильвина (KCl) и ангидрита (CaSO4), а также водные соли: гипс (CaSO4·2Н2О), сода Na2СО3·10H2O) и мирабилит (Na2SO4·10H2O). К двойным принадлежат карналлит KCl·MgCl2·6Н2О) и лангбейнит (K2SO4·2MgSO4). Из сложных солей наиболее распространен полигалит (2CaSO4· K2SO4· MgSO4·2Н2О). Помимо хлоридов и сульфатов, в природе встречаются также хемогенные карбонаты, описанные выше. Однако они обычно не создают крупных скоплений. Каждая из перечисленных выше минеральных форм способна присутствовать в виде породы или примеси к какой-либо другой, основной соли. Широта их распространения определяется растворимостью в воде. Естественно, что более редкими являются хорошо растворимые соли, в том числе калийные, сильвин и карналлит. Чаще в осадочных разрезах встречаются гипс, ангидрит и каменная соль (галит). Калийные соли считаются ценным полезным ископаемым.

В экспериментах по испарению морской воды показано, что первыми выпадают в осадок карбонаты и сульфаты кальция. Это происходит после уменьшения объема воды почти наполовину. Следующей, когда изначальный объем раствора сокращается в 10 раз, наступает очередь галита. Дальнейшее выпаривание морской воды приводит к выпадению в осадок легкорастворимых калийных солей, а также сложных по составу соединений. В реальных природных условиях эта схема в целом выдерживается, хотя нередко галит встречается вместе с ангидритом или в примеси к нему, а в ассоциации с галитом могут находиться полигалит и мирабилит, другие соли.

Помимо морских водоемов, на континентах существует множество озер, состав воды в которых сильно отличается от типично морской. Они расположены в поясах аридного и семиаридного климата и в засушливые сезоны, по существу, заполнены рапой различной концентрации. Известны соляные озера с углекислым, сернокислым и хлоридным типами рассолов. В первом случае в них содержатся NaCl, Na2СО3, Na2SO4 и NaHCO3. В озерах сульфатного типа с сернокислыми рассолами присутствуют в растворе NaCl, MgCl2, Na2SO4, MgSO4 и CaSO4. Наконец, в водоемах хлоридного типа преобладают NaCl, MgCl2, CaCl2 и CaSO4. Для каждого из перечисленных видов соляных озер характерна своя последовательность выпадения из рапы минералов, на которую влияют температура, давление, соотношение концентраций солей в рапе и другие факторы.

Состав воды определяется тем, какие соли выносятся в соляной водоем паводковыми водами в короткие дождевые сезоны. Известны случаи, когда ветер разносил мельчайшие капельки морской воды на сотни километров от побережья. В результате на суше появлялись мелкие соленые водоемы с водой, близкой по соотношению солей к морской воде. В озерах Восточно-Африканской рифтовой зоны в воде содержится много калия, что обусловлено, по-видимому, гидротермальной деятельностью. Правда, концентрация солей здесь не очень велика и выпадения их в осадок не происходит. Однако наличие калия ускоряет диагенетические процессы в глинистых илах. В результате уже у поверхности дна в глинистых илах происходит иллитизация разбухающих фаз, главным образом смектита.

Многие прибрежные соляные водоемы питаются морскими водами, поступающими в фазы максимальных приливов или в процессе ветрового нагона. Известны случаи разгрузки у поверхности подземных соляных рассолов, возникающих вследствие растворения древних соляных пород, которые залегают на глубине нескольких сот метров. Чтобы представить себе, как образуются эвапориты (соли), надо побывать на берегах Аравийского полуострова в Красном море или в Персидском заливе, где находятся многочисленные прибрежные себхи и соляные ванны. Одна из крупных соляных ванн находится у мыса Рас-Мухаммад в Красное море. Весной она заполняется морской водой и вскоре покрывается ковром синезеленых водорослей. К июлю или августу вода в значительной степени испаряется, а соленость оставшегося рассола достигает 330·103 мг/л, что приводит к выпадению гипса. К октябрю водорослевые подушки полностью освобождаются из воды. К этому времени они уже покрыты 7-8-сантиметровым слоем каменной соли. Осадок, взятый со дна соляных ванн, сложен чередованием светлых и темных слойков: первые представлены разнокалиберными кристаллами гипса, вторые — водорослевыми отложениями карбонатного состава. Карбонаты в виде доломита и высокомагнезиального кальцита встречаются и в гипсовых прослоях. Таким образом, на дне соляных ванн биогенные осадки чередуются с хемогенными.

Себха, окружающая ванну со стороны суши, покрыта песками карбонатно-терригенного состава. В процессе испарения грунтовых вод между песчинками в порах кристаллизуются гипс, ангидрит, доломит и каменная соль. В процессе роста кристаллы солей разрушают карбонатный детрит, а затем и замещают его. Образуется пласт, почти нацело сложенный эвапоритами. За длительные промежутки времени таким образом может сформироваться мощная толща солей, которая затем переходит в ископаемое состояние. А так как береговая линия постоянно перемещается во времени, низменные участки суши, называемые платформами, покрываются на огромных пространствах каменной солью (до 100 тыс. км2). Для разрезов древних соленосных формаций характерна определенная повторяемость, т. е. чередование гипсов и ангидритов с каменной солью (или доломитов с ангидритами и галитом).

В геологической истории нашей планеты были эпохи, когда высыхали целые моря. В таких случаях в осадки переходили не только гипс, ангидрит и каменная соль, но и легкорастворимые калийные и другие соли. Наблюдать за садкой редких соляных минералов еще недавно, до постройки плотины, можно было в заливе Кара-Богаз-Гол на восточном побережье Каспийского моря, глубина которого в нашем столетии менялась от 10–12 до 5–7 м. Залив сообщался с основным водоемом через узкий пролив, откуда поступала опресненная каспийская вода. Благодаря естественному порожку и сильному испарению она быстро превращалась в рапу. Концентрация солей в ней более чем в 20 раз превышала изначальную. В зимний сезон из рапы выпадал мирабилит, который летом снова частично растворялся. В особенно засушливые периоды из рапы садилась каменная соль с примесью других, более сложных по составу минералов. Несколько мощных горизонтов солей, разделенных гипсами и глинами, было пройдено буровыми скважинами.

После строительства плотины, перекрывшей доступ в залив Кара-Богаз-Гол морской воды, он совершенно высох. На его поверхности обнажились соли. Их кристаллы вздымаются в воздух ветром и разносятся на огромные площади, засолоняя земли. Соляная залежь быстро разрушается, и добыча редких солей, столь необходимых народному хозяйству, практически прекратилась. Сейчас плотину собираются перестраивать, чтобы иметь возможность пропускать каспийскую воду в залив. Таким образом, нарушив природную систему, человек вынужден к ней же вернуться, заплатив за свое легкомыслие двойную цену.

Удивительным свойством солей является их пластичность. Благодаря ей они способны течь под большим давлением. Испытывая в недрах неравномерную нагрузку, соль начинает перетекать на те участки, где последняя меньше. Это явление, называемое галокинезом, приводит к образованию соляных штоков и диапиров, протыкающих слои более молодых осадков и даже выходящих на поверхность. В районах широкого распространения ископаемых солей и активных тектонических подвижек диапиры искажают нормальное залегание пластов. Примером может служить Прикаспийская солянокупольная область. Здесь пермская соль, залегающая на глубинах 3–5 км от поверхности, в результате неравномерного прогибания земной коры прорывает мезозойские и кайнозойские отложения, что сильно затрудняет поиски залежей нефти и газа как в надсолевой, так и в подсолевой осадочной толще.

Другим районом активного развития соляных куполов является Мексиканский залив. С соляными куполами в прибрежной части Техаса связаны многочисленные залежи углеводородов. Дело в том, что соль служит прекрасным флюидоупором, т. е. способна перекрывать и изолировать залежи нефти и особенно газа, которые неминуемо рассеялись бы вследствие диффузии легкого метана и его гомологов. Самые древние (палеозойские) скопления газа эксплуатируются в районах широкого распространения древней соли (Припятский прогиб, окрестности Непского свода в Восточной Сибири).

Песчаник полимиктовый из юрских отложений Туркмении. Зерна кварца, полевых шпатов и обломков пород увеличены в 200 раз (из коллекции Е. Е. Карнюшиной)

Песчаник аркозовый (полевошпатово-кварцевый) с гематитовым цементом из нижнемеловых отложений Предкавказья. Увеличено в 160 раз (из коллекции И. А. Назаревич)

Микроагрегатная структура иллита в поле электронного сканирующего микроскопа. Увеличено в 1200 раз

Рифовый известняк из каменноугольных отложений Подмосковья. Увеличено в 24 раза

Известняк оолитовый, доломитизированный из нижнекембрийских отложений Восточной Сибири. Увеличено в 60 раз (из коллекции Л. С. Черновой)

Псевдоморфозы пирита по раковине фораминиферы из нижнемеловых отложении Восточного Предкавказья. Увеличено в 60 раз (из коллекции И. А. Назаревич)

Оолит, сложенный кальцитом и лептохлоритом. В центре — зерно кварца. Увеличено в 150 раз (из коллекции И. А. Назаревич)

Выделения кристаллов доломита в органогенном известняке. Увеличено в 100 раз

Строение арагонитовой корки, поднятой с уступа континентального склона в Красном море. Увеличено в 250 раз

Обломки панцирей диатомовых водорослей в неогеновых отложениях острова Сахалин. Увеличено в 1500 раз (из коллекции О. К. Баженовой)

Сферы кристобалита в кремнистых отложениях (опоках) неогенового возраста острова Сахалин (из коллекции Р. В. Данченко)

Кристаллы цеолитов, выросшие на частичках вулканического пепла из современных шельфовых осадков Перу. Увеличено в 300 раз

Микроглобулярное строение кремнистой породы из разреза баженовской свиты Западной Сибири. Увеличено в 800 раз (из коллекции О. К. Баженовой)

Обломки вулканических стекол в неогеновых отложениях Чукотки. Увеличено в 200 раз (из коллекции Е. Е. Карнюшиной)

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 % Сорг. 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.

Другие персонажи

В природе распространены не только обломочные частицы. Другая, самая разнообразная их группа порождена жизнью. Многообразие ее форм находит отражение в структуре этой группы. В нее входят карбонатные, кремнистые и углеродистые остатки различных организмов, живших в разных средах — на поверхности суши, в реках, озерах, болотах, морях, в различных зонах океана. При этом карбонатные и кремнистые остатки имеют для геолога особую значимость, так как в них фиксируются прижизненные черты обитавших в ту или иную эпоху животных и микроорганизмов.

Органический мир находится в непрерывном развитии, и новые формы в меняющихся условиях среды обитания вытесняли (и вытесняют сейчас) архаичные и нежизнеспособные виды, постепенно, а то и очень резко изменяя облик био- и танатоценозов. Однако и новые формы не вечны. С течением времени они также сходят со сцены, оставляя как память о себе раковины, скелетные фрагменты минерального каркаса, прижизненные отпечатки в осадочных породах. Наиболее характерные из подобных остатков становятся символами временного интервала, в котором жили их хозяева.

Впрочем, хорошо сохранившиеся палеонтологические остатки — символы или «метки» своего времени, встречаясь в изобилии в одних слоях осадочного разреза, зачастую совершенно отсутствуют в других. Хороший образец древней фауны сродни княжескому захоронению в степном кургане: оно одно на тысячи других, безвестных могил. Так же обстоит дело с остатками карбонатстроящих и других древних организмов. Огромные их массы, скопившиеся на ограниченном пространстве, могут в силу плохой сохранности не нести значительной научной информации. Однако ими сложены пласты и толщи органогенных пород, которые скрыты в недрах осадочных бассейнов либо выступают в виде горных хребтов. Они интересны тем, что способны вмещать залежи фосфоритов и бокситов, различных металлов, а главное, скопления нефти и газа.

Жизнь пронизывает всю поверхностную оболочку Земли. Здесь также выстраивается своя пирамида. В водной среде в ее основании находятся мельчайшие фотосинтезирующие организмы (планктон), защищающие свои тела кремнистой или карбонатной оболочкой. Именно их остатки микронных и субмикронных размеров, попадающие в алевритовую и пелитовую фракции, составляют основную массу органогенных частиц, взвешенных в водной толще морей и океанов. Они либо растворяются при опускании на дно, либо образуют рыхлые осадки.

Поражают многообразие форм, неистощимость выдумки природы. Рассмотрим для примера группу диатомей и радиолярий. Эти мельчайшие кремнестроящие организмы обитают в поверхностных водах не только океана, но и пресноводных озер, осолоненных лагун, других водоемов. Некоторые из них можно встретить даже в поде одиноких колодцев, разбросанных в пустыне: идеальные сферы с шиповидными отростками, изящные рюмочки, перевернутые ножкой вверх, разнообразные шлемы и кубки, мыльницы и т. д. Эти формы позволяют их владельцам выжить в конкурентной борьбе за пищу и пространство. Не менее удачным дизайном отличаются те многокомнатные плавающие «квартиры» фораминифер, которые они строят в течение всей своей жизни, предпочитая кремнезему карбонатный материал. В этом микромире есть свои карлики и настоящие гиганты. К числу последних можно отнести птеропод, чьи арагонитовые раковинки с игольчатыми выступами, напоминающими антенны, видны невооруженным глазом. Птероподы — типичные обитатели средиземноморских карбонатных илов (их размер от 0,3 до 1 см).

Далекие предки фораминифер — швагерины были еще более искусными строителями. Если раковины современных глобигерин и глобороталий можно сравнить с космическим модулем, к которому «пристыкованы» различной величины жилые отсеки, то швагерины создавали многокамерные диски. В них верхние ряды наслаиваются на нижние и являются одновременно их продолжением наподобие свернутой кинопленки. Подобные образования, плававшие в морской воде, были похожи на космические станции будущего, как их представляют писатели-фантасты.

Однако не только (и не столько) остатки этих гигантов микромира слагают массу тонкозернистых карбонатных отложений, например пласты обыкновенного мела. Как показали исследования в поле электронного сканирующего микроскопа, внедренного не так давно в научную практику, они состоят из фрагментов мельчайших растений, объединенных в группу нанопланктона. Это кокколитофориды — крошечные существа, не способные слепить раковинку и защищающие себя с помощью отдельных кальцитовых дисков. Последние скрепляются органическими молекулами в единое целое. В группу нанопланктона входят и организмы, предпочитающие использовать кремнезем для построения внутреннего каркаса. Он обычно представляет собой кольцо с перекладинами разного вида. Вокруг кольца располагается водорослевая клетка с нитевидными выступами для перемещения в водной среде. Благодаря нитевидным отросткам и кремневому каркасу эти организмы были названы силикофлагсллятами. В нанопланктон включают также динофлагелляты и перидинисвые водоросли.

Естественно, на дно попадают только устойчивые фрагменты организмов, которые в условиях малого поступления с континента или островов обломочного материала становятся ведущими компонентами донных осадков. По размерам остатки нанопланктона соответствуют тонкому пелиту, т. е. в гранулометрическом отношении принадлежат к тому же классу, что и глинистые частицы. Панцири диатомовых и перидиниевых водорослей и раковинки мелких фораминифер примерно на порядок-два крупнее, а многие фораминиферы обладают размерами песчинок. В тех частях моря, где происходит дифференциация осадочного материала по крупности, они, как правило, встречаются вместе с терригенным песком. В то же время тонкие органогенные частицы распространяются и оседают вместе с чешуйками глин.

Зоопланктон и рыбы, питающиеся фитопланктоном, а также другие рыбы и кальмары, живущие за счет зоопланктона и мелкой рыбешки, сохраняются чаще всего в виде отпечатков в породах, редко можно найти части скелета (например, зубы акул). Мезозойские родственники кальмаров — белемниты являлись одной из широко распространенных в юрское и меловое время групп морских организмов. Она хорошо изучена благодаря особому кальцитовому ростру — элементу хвостовой части организма, часто сохраняющемуся в окаменелом состоянии. По их находкам устанавливается возраст вмещающих отложений.

Широко распространены и бентосные, т. е. живущие на дне, организмы: моллюски, мшанки, известь выделяющие водоросли, морские ежи и лилии, кораллы, полихеты и др. У большинства из них тело защищено наружными известковыми покровами, другие имеют внутренний карбонатный скелет, у третьих (водорослей) метаболизм сопровождается выделениями извести. После гибели организмов минеральные форменные элементы оставались на дне, где при благоприятных условиях накапливались огромные массы карбонатных остатков, которыми сложены пласты и мощные толщи известняков.

Бентосом особенно плотно населен шельф — затопленный морскими водами край континента, и прежде всего его прибрежная зона с глубинами дна до 60–70 м. Это область с активным гидродинамическим режимом, где действуют штормовые волны, океанская зыбь, приливно-отливные и разрывные течения. Все они воздействуют на донные осадки, перемещая отдельные его компоненты. Особенно велика роль штормовых волн и зыби, разрушающих и перетирающих в зоне прибоя огромные массы крупнозернистого материала, в том числе раковины, кусочки кораллов и др. Образующиеся при этом разнокалиберные обломки раковин и другие фрагменты организмов получили название органогенного детрита. В количественном отношении детрит обычно преобладает над целыми, с ненарушенной структурой, скелетными остатками, хотя такие устойчивые образования, как коралловые и водорослевые рифы, устричные и другие банки, строматолитовые постройки, как правило, переходят в ископаемое состояние, претерпев лишь частичное разрушение.

Органогенный детрит, имея самые разные размеры, разбивается на те же гранулометрические классы, что и обломочные частицы. Крупные глыбы и отдельные обломки строматолитов или коралловых рифов по форме и размерам нередко соответствуют обычным валунам. Остроугольные обломки, встречающиеся в зоне осушки в лагунах аридных областей, называются интеркластами. Большинство современных органогенных построек сложено пористым, малопрочным материалом. Из них не получается хорошо окатанных, полированных галек. В то же время очень широко распространен карбонатный детрит гравийной и песчаной размерности. Та карбонатная галька, которой изобилуют морские побережья, образовалась из древних плотных и прочных известняков и доломитов, т. е. по своему генезису является обломочной.

Органогенные частицы карбонатного и кремнистого состава не так сильно разнятся по свойствам и поведению в разных средах, как терригенные частицы, о которых говорилось выше. Они сохраняют однородный минеральный и химический состав, попадая в разные гранулометрические фракции. Если обломочные терригенные частицы вездесущи, то органогенный детрит принадлежит водной среде, как и те организмы, производными от которых он является. В основном карбонатный и кремнистый материал «путешествует» водным путем, используя такие транспортные средства, как волны, течения, мутьевые и зерновые потоки.

Существуют, однако, «пассажиры», которые предпочитают воздушный транспорт. Это частицы вулканического происхождения. Они также могут иметь самые разные размеры. При этом самые крупные — глыбы и вулканические бомбы, называемые лапилли, встречаются лишь вокруг жерла вулкана, из которого они были выброшены при извержениях. Это камни неправильной формы со спекшейся ноздреватой поверхностью и застывшие в воздухе сгустки магмы. Для них характерны самые причудливые очертания, черный цвет, оплавленные края, сложная система каверн и канальцев.

Основные продукты извержений — вулканический пепел и пемза могут разноситься на огромные расстояния потоками ветра. Естественно, что большая часть этого вещества оседает в радиусе нескольких десятков — первых сотен километров от вулкана. Однако при некоторых сильнейших извержениях, когда выбросы направлены вверх и не отклоняются ветром, огромные массы тонких частиц поднимаются в верхние слои стратосферы и огибают весь земной шар, сначала в пределах определенной широтной зоны, а затем, распространяясь и над другими районами, от полюса до полюса. Именно таковым было в недавнем прошлом извержение мексиканского вулкана Эль-Чичон, вызвавшее необычные атмосферные явления, похожие на северное сияние, но наблюдались они в средних широтах (в частности, осенью 1984 г. в Париже). Это эксплозивное извержение большой силы привело к изменению в последующие два года климата во многих странах, и прежде всего расположенных в пределах Тихоокеанского кольца.

Пепел — это в основном частички вулканического стекла с размерами от мелкопесчаных до пелитовых. В зависимости от силы вулканического извержения и направления ветра они покрывают черным шлейфом территорию, засыпая посевы, вызывая пожары и гибель людей. Этот воздушный десант опускается и над морем, где вулканические частицы подхватываются волнами, течениями и разносятся наряду с другим материалом, терригенным и органогенным. Большинство частиц вскоре достигает дна, где на огромных пространствах образуется пласт или прослой, датирующий вмещающие осадки.

Таковы три основных источника осадочного материала, из которого построена верхняя оболочка стратисферы, получившая название земной коры. В современных и плейстоценовых рыхлых осадках встречаются и редкие следы космических «пришельцев». Это мелкие, различимые только под электронным сканирующим микроскопом шарики — продукты сгорания в земной атмосфере метеоритов и других мелких небесных тел. Их, как правило, наблюдают при исследовании глубоководных океанических осадков, отличающихся очень низкими скоростями накопления.

Время и место действия

Со времени возникновения на Земле биосферы у ее поверхности сталкивались три потока частиц — обломочных, органогенных и вулканических. Сочетание этих трех начал определяло облик будущей породы. На суше всегда господствовал обломочный материал, в водной среде — органогенный. Вулканические частицы в большинстве случаев оставались экзотической «приправой» к основному «блюду» из терригенных или карбонатных зерен и лишь в областях с высокой тектонической активностью, а таковые, как правило, расположены на границе континента и океана (точнее, на конвергентных границах литосферных плит), начинали играть заметную, иногда ведущую роль.

Жизнь изначально возникла в океане, а уж потом через многие сотни миллионов лет завоевала сушу. Эволюция живых существ шла в основном неспешно, лишь на определенных рубежах совершая драматические скачки. Многие из живших на том или ином этапе развития жизни организмов вообще исчезли бесследно. Сведения о других, а таких большинство, мы черпаем, изучая отпечатки, раковины и другие форменные элементы, а если говорить о колониальных формах — то органогенные постройки, конструкция которых менялась по мере исчезновения одних видов и распространения других. Среди обитавших давным-давно организмов встречаются виды, существующие и сегодня. Это геологические «долгожители». В целом же в калейдоскопе сменявших друг друга форм исследователь находит не так уж много тех, что сохранились и в современную эпоху. Каждый геологический век был отмечен определенным набором ископаемых форм организмов, и, чем больше вымерших видов с ним связано, тем точнее палеонтологи могут датировать вмещающие эти формы слои. Таким образом, когда вместе с обломочными частицами на дно поступают органические остатки, сформированные из них отложения оказываются как бы мечеными. Осадки, содержащие подобные маркеры, получают своего рода удостоверение личности. Сопоставляя подобные данные, геологи могут определить возраст отложений.

Узнаваемые органические формы, по которым можно датировать осадки, появились на поверхности планеты с геологической точки зрения не так уж давно, всего 1,2–1 млрд лет назад. Поистине разнообразным органический мир стал в более поздние геологические эры, например палеозойскую, начало которой относится к рубежу 0,6 млрд лет назад. Более древние, докембрийскис образования почти не содержат надежных биологических маркеров, и расчленять их по возрасту по-прежнему чрезвычайно трудно. Надо сказать, что далеко не все молодые осадочные толщи удастся датировать палеонтологическими методами.

В разрезах земной коры много так называемых немых слоев, лишенных палеонтологических остатков. Их возраст определяется по сопоставлению с ниже- и вышележащими отложениями, имеющими «визитную карточку», если под таковой понимать заключенную в них фауну или флору.

Подобно тому как по лицу человека можно определить его возраст, так и по внешнему облику породы можно составить самое общее представление о времени, прошедшем с момента ее образования. Есть целый ряд таких признаков: высокая плотность, неспособность размокать в воде, трещиноватость, сливная структура и др. Породы относительно молодые по возрасту в некоторых ситуациях имеют все признаки очень древних образований. Чаще всего это наблюдается в областях тектонического сжатия, где гигантские массы осадков скучиваются, деформируясь и образуя складки. Огромные давления, а нередко и температуры, существующие в недрах Земли, способны трансформировать облик относительно молодых отложений почти до неузнаваемости. Напротив, древние осадки, не погружавшиеся глубоко, сохраняют большую часть первичных характеристических черт.

Частично проблему определения возраста пород удалось решить за счет радиоизотопов. Периоды полураспада радиоактивных элементов хорошо известны. Поэтому если в осадок при его формировании попало достаточное количество радиоактивных элементов, то, установив содержание этих последних и продуктов их распада в породе, можно с достаточной точностью рассчитать длительность того промежутка времени, в течение которого происходил распад того или иного элемента. Это и будет та величина, которая принимается за абсолютный возраст вмещающей породы.

Наиболее универсальными для датировки древних осадочных образований считаются калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и уран-свинцовый методы. Радиоактивный 40К попадает в осадок в составе вулканического пепла, который уже после захоронения обычно раскристаллизовывается в слоистые силикаты глин — К-бентонит, феррисмектит и другие минералы. Он входит в кристаллическую решетку и при образовании калийсодержащих минералов in situ. Если аргон, возникающий в процессе распада 40К, остается в их кристаллической решетке, то, установив величину K/Ar, можно рассчитать возраст породы. Одним из минералов, пригодных, помимо калиевых полевых шпатов, для определения абсолютного возраста калий-аргоновым методом, является глауконит. В его составе довольно много калия. К тому же он формируется на морском дне в условиях, как правило исключающих массовое переотложение. По глаукониту, лишенному признаков разрушения в процессе вторичного перемыва, удается получить довольно точные возрастные определения.

Возраст многих древних пород, содержащих минералы урана или тория, устанавливают, исследуя соотношения радиоактивных изотопов 238U, 235U и 232Th и стабильных изотопов свинца — продуктов их распада. Период полураспада 238U составляет 4,5·109 лет, a 232Th — 14·109 лет, поэтому, применяя свинцовый метод определения абсолютного возраста, можно, казалось бы, охватить практически всю геологическую историю Земли. Беда, однако, в том, что в большинстве пород осадочного генезиса торий и уран находятся в ничтожных количествах. К тому же различные вторичные процессы, протекающие в недрах, зачастую искажают реальную картину распределения радиоактивных элементов и производных от них изотопов свинца.

Для датирования совсем молодых осадков используется радиоуглеродный метод, основанный на определении 14С. Этот изотоп содержится в растительных органических остатках, например в древесине, в определенной пропорции с другими, стабильными изотопами углерода. Период полураспада 14С относительно невелик, поэтому радиоуглеродный метод применяется для датирования молодых отложений, с возрастом до 40 тыс. лет, если в них находятся кусочки древесины или прослойки торфа.

В последнее время разработаны и другие радиоизотопные методы, базирующиеся на определении более редких радиоизотопов, например 10Ве. Последний используется для оценки интервалов времени небольшой длительности — первые тысячи лет. Эти методы анализа требуют привлечения дорогостоящей аппаратуры и применяются для изучения относительно быстротекущих процессов и решения экологических проблем.

Если с определением возраста осадков дело в настоящее время обстоит более или менее благополучно, то установить место прошедшего геологического действия зачастую очень сложно. Здесь, к сожалению, почти неприменимы какие-либо геохимические показатели, необходимо выявить сложный комплекс признаков, которые отражают как внешнюю, так и внутренние особенности строения осадка или породы. Эти исследования находятся в компетенции литологов — специалистов по изучению осадочных пород.

Любое место на земном шаре, кроме разве что крутых и отвесных склонов гор или жерла огнедышащего вулкана, пригодно для седиментации (осадкообразования). Собственно, оно и осуществляется на любом участке земной поверхности, под водой (в том числе в глубоководных впадинах океана), в пещерах и даже подо льдами Антарктиды, сползающими на шельф и перекрывающими здесь огромные площади. Процессы накопления и аутигенеза (формирования in situ) осадков чрезвычайно многообразны и определяются той средой, в которой они реализуются. Осадки же обычно хранят память о той обстановке, где произошло их образование. Она запечатлена в мельчайших деталях внутреннего строения и во многих внешних признаках. Их совокупность именуется текстурой осадка или породы. Как у взрослого человека сохраняются черты, присущие ему в детстве, так по прошествии десятков и сотен миллионов лет в осадочной породе можно найти признаки, которые сложились на стадии осадка. Подобные сравнения можно продолжить. Каждому человеку присущи конкретные генетические особенности, по которым можно судить о его национальности. Так и осадочные породы. Те, что отложены в океане, ничего общего не имеют с речными или болотными осадками, а ледниковые наносы, громоздящиеся в конечных моренах Русской равнины, выглядят совершенно иначе, нежели барханные пески в пустыне. Ни один специалист по осадочным породам не даст ответа на вопрос: сколько разновидностей осадочных пород существует на Земле? Дело не только в том, что литология как наука находится в постоянном развитии и чуть ли не каждый год открывается какое-нибудь новое осадочное образование. Основная сложность заключается в различии подходов к выделению и классификации осадочных пород. В данной области знания еще не сложилась такая система, которую разработал Карл Линней в отношении животного и растительного мира, выделив типы, классы, отряды, роды, виды и подвиды.

В этом разделе мы не будем рассматривать классификацию осадков и производных от них пород. Нас интересует другое — как по нескольким признакам установить происхождение камня. Та отрасль геологического знания, которая занимается воссозданием древних обстановок седиментации и на их основе реконструирует облик древних континентов, очертания морей и условия обитания вымершей фауны и флоры, называется палеогеографией. Единственным источником информации, лежащей в основе палеогеографических построений, являются осадочные толщи и слагающие их породы. Взаимоотношение тех и других в пространстве и во времени (как говорят геологи, в разрезе) позволяет судить о трансгрессиях и регрессиях моря, об аридизации климата и о связанном с этим процессом разрастании древних пустынь или, напротив, о его изменениях в сторону большей гумидности, о продвижении ледников и многом другом.

Метод актуализма, или Занавес приподнимается

Историки говорят: чтобы понять настоящее, надо знать прошлое. Однако в геологии оказалось верным и обратное положение: понять прошлое можно, только изучив настоящее. Действительно, как реконструировать древние ландшафты, климаты и обстановки по осадочным породам, если не иметь представления о том, где и в каких условиях накапливаются подобные или близкие к ним образования? Как, например, отличить ледниковые континентальные наносы от отложений пустынь и полупустынь, а береговые осадки от отложений морских глубин?

Надо сказать, что знания в этой области начали накапливаться уже на ранних этапах хозяйственной деятельности людей. Тот, кто рос в деревне или проводил лето на даче, прекрасно знает, что пески в средней полосе концентрируются на пляжах по берегам рек. Ими же сложено дно на участках с быстрым течением. Напротив, в зарастающих руслах — старицах ступать по дну неприятно, так как оно сложено вязким илистым осадком. Тем же, кто побывал на море, известно, что галькой и камешками выложены многие морские пляжи, а под береговыми уступами лежат валуны и каменные плиты, что песчаное дно в прозрачной воде изрыто выемками, которые вместе с разделяющими их валиками делают поверхность дна похожей на пчелиные соты. Горцы обладают иным запасом знаний, а бедуины — обитатели пустыни — легко отличают мигрирующие дюны от стоячих и висячих их разновидностей и знают, что в сухих руслах (вади, или уэдд) можно провалиться в песок и утонуть в потоке грунтовых вод, который не виден с поверхности.

Все эти знания, систематизированные и углубленные, составляют предмет седиментологии (от англ. sediment — осадок) — науки, изучающей процессы переноса и отложения осадочных частиц на поверхности Земли или вблизи нее. В ведение этой дисциплины входит исследование процессов разрушения берегов, заиливания судоходных каналов и русел, выявление участков, опасных в связи с возможным сходом селевых лавин или образованием оползней, и многое другое. В этом большое практическое значение седиментологии. Кроме того, она дает ключ для расшифровки древних обстановок формирования осадков, что, в свою очередь, позволяет судить о палеоландшафтах и палеоклиматах. В арсенале седиментологов — богатый набор инструментов и методов. С помощью ударных, поршневых и вибротрубок они отбирают пробы осадков в самых разнообразных обстановках; устанавливают на суше и в толще воды специальные седиментационные ловушки; погружаются на океанское дно в обитаемых подводных аппаратах; изучают содержимое донных тралов и драгируют крутые уступы на склонах подводных гор и в подводных каньонах; замеряют силу и направление течений, волн, гравитационных потоков. С помощью нефелометров оценивают объем взвеси, транспортируемой течениями и потоками; изучают распространение помеченных краской или радиоизотопами осадочных зерен и т. д. Седиментологи научились моделировать многие геологические процессы в лабораторных условиях и успешно пользуются этим методом. К их заслугам относится открытие ряда неизвестных ранее явлений, играющих важную роль в формировании многих аккумулятивных форм на речном, морском и океанском дне.

Метод, использующий различные признаки и характеристики осадков, накапливающихся в тех или иных современных обстановках седиментогенеза, для объяснения геологических ситуаций прошлых эпох получил название метода актуализма. Несмотря на то что он был разработан и применен Ч. Лайелем еще в прошлом веке, споры о его пригодности для анализа палеообстановок ведутся до сих пор. Многие геологи продолжают считать, что геологическая история Земли необратима и тождества условий, существовавших в протерозое, силуре, юре, мелу и господствующих в современную эпоху, не было и не могло быть. Собственно говоря, никто и не оспаривает это утверждение. Многое, в частности взаиморасположение материков, климата, систем атмосферных и океанских течений, состав биоты и атмосферы, действительно было специфично для того или иного отрезка геологического времени. Как ныне установлено, менялись даже параметры земной орбиты, что также влекло определенные геологические и другие последствия. Более того, отчетливо выделяются так называемые талассократические эпохи в развитии Земли, когда большая часть континентов была погружена в морские воды, в противовес теократическим эпохам, которые характеризовались отступлением моря и осушением большей части шельфов. Различаются также спокойные и бурные в тектоническом отношении временные интервалы. Последние получили название тектонических фаз. С ними были связаны широкомасштабные горообразовательные процессы, высокая сейсмичность и обилие вулканических продуктов, выброшенных из недр Земли.

Однако во все времена текли по суше реки, ветры разносили песок и разгоняли в море штормовые волны, на крутых склонах гор возникали оползни, а под водой на континентальном склоне еще и мутьевые течения. Действовали и приливные силы. Все эти геологические агенты увлекали массы осадочных частиц, перемещали их на разные расстояния. С каждым конкретным геологическим агентом всегда был связан определенный тип (типы) накопленных осадков, обладающих только для них характерными чертами. В соответствии с генезисом выделяются аллювиальные (речные), эоловые (отложенные ветром), приливно-отливные, штормовые (волновые), пролювиальные (отложенные горными водными потоками, вырвавшимися на равнину), ледниковые (гляциальные) и другие отложения.

А так как большинство геологических агентов действовало постоянно (по крайней мере с тех пор, как образовались земная твердь, водная и воздушная оболочки Земли), то, следовательно, в осадочных разрезах большинства эпох должны встречаться все отмеченные типы отложений. Исследуя древние пласты, выступающие в горных кручах или вскрываемые буровыми скважинами в недрах, литолог пытается установить, возможно полнее, происхождение осадочных образований, выяснить, какими силами переносились слагающие их компоненты, и воссоздать картину размещения в данном регионе границы между морем и сушей, положение крупных речных артерий, горных хребтов, вулканов, направление действия течений, доминирующих ветров и т. д.

В сонме земных стихий

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[1], 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.

Фрагменты из каменной летописи земли

Планета простейших

Планета Земля, как полагают ученые, сформировалась 4,6 млрд лет назад, когда из плотного облака космической пыли и газов конденсировалась земная твердь. С тех пор многое переменилось на успокоившейся планете. На ее поверхности понизилась температура. Водяные пары сгустились в потоки, заполнившие кратеры и понижения среди базальтовых скал. В мутной воде кратеров возникли первые сложно построенные углеродные соединения, включавшие аминокислотные основания, молекулы с длинной углеродной цепью — углеводороды, трансформировавшиеся вскоре в жирные кислоты. В кратеры — природные химические реакторы, куда вместе с водой и пылью стекали щелочи и кислоты, заносились и космические частицы. Здесь в процессе частых молекулярных взаимодействий появились структуры, напоминавшие белки и нуклеиновые кислоты, другие органические соединения самого невероятного строения. Однако это еще не было жизнью.

Откровенно говоря, мы не знаем точно, когда и как заработал биологический конвейер. Занес ли на Землю споры микроорганизмов космический ветер, или в органическом бульоне при неблагоприятных изменениях в среде сложные органические молекулы стали сбиваться в плотные скопления, защищенные извне относительно устойчивыми липидными структурами? Скорее всего, мы этого никогда и не узнаем. Если все же исходить из предположения о земном начале жизни, то неизбежная дифференциация органических молекул в какой-то момент привела к появлению протоплазматических образований, способных осуществлять обмен веществом с окружающей средой. Эти скопления распадались и соединялись вновь, так как еще отсутствовал аппарат наследственности. Однако внутри протоплазматических скоплений уже протекали обменные реакции, требовавшие для поддержания структуры в равновесии поступления «строительных материалов» в виде аминокислот, углеводов, липидов, простых химических соединений.

Вскоре началась борьба за эти материалы. Поэтому выживали скопления с элементами внутренней организации, способные хотя бы к частичному самовоспроизведению. Вероятно, прошли сотни миллионов лет, прежде чем из этих бесформенных комков с неопределенным периодом существования выделились первые клеточные структуры. Жизнь началась с изобретения природой первых механизмов наследственности. Какими они были на заре биологической эволюции, остается только догадываться. В конечном итоге победил и сохранился лишь аппарат гениально простой и изящный, устроенный на базе РНК и ДНК, вскоре ставший универсальным.

Когда первичный протоплазматический бульон был «съеден» простейшими организмами, большинство из них перешли на минеральное питание, научившись извлекать энергию путем перевода одних химических соединений в другие и применять ее для синтеза биохимических структур. Некоторые простейшие, вероятно, использовали для этих целей метан и иные растворенные в воде углеводородные газы. Но были и простейшие, что существовали за счет разложения отмерших клеток и возвращения в круговорот различных органических веществ.

Состав первичной земной атмосферы определялся газами, которые выделялись при столкновении с планетой многочисленных космических тел и частиц, еще остававшихся в пространстве между молодыми планетами Солнечной системы. Среди этих газов преобладали диоксид и оксид углерода, пары воды и сернистый газ. В начале аккреции — нарастания массы Земли и увеличения ее диаметра (за счет столкновения с малыми небесными телами и ассимиляции космической пыли) — происходил сильный разогрев планеты. Однако на рубеже 4,1–3,9 млрд лет назад аккреция в основном завершилась. Разогрев тем не менее сохранялся еще долго, так как при обилии углекислого газа в атмосфере, а его давление, по данным С. Аррениуса, достигало 20 бар, возник мощный парниковый эффект. Водород и гелий, выделявшиеся из недр Земли, улетучивались из земной атмосферы в космическое пространство. Аммиак и метан, присутствовавшие в ней в виде примеси, в верхних слоях разрушались под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Свободный кислород практически отсутствовал, а пары воды, выпадая в виде жидкости на землю, создали первичный океан. Учитывая все сказанное, можно прийти к выводу, что в период зарождения жизни атмосфера Земли состояла из углекислого газа, оксида углерода и азота.

Отпечатки древнейших организмов были найдены недавно в породах архейского возраста. Судя по отпечаткам, эти простейшие уже были защищены клеточной мембраной, но не имели ядра. Такие организмы, находящиеся на самом примитивном уровне развития, называют прокариотами.

На Земле, выносившей жизнь, завершался этап образования первичной континентальной и океанической коры.

Крупные массивы с протоконтинентальным строением поднимались в виде островов над безбрежным пространством воды. Они стали теми ядрами, вокруг которых впоследствии сложились первые материки. Несмотря на то что вода занимала в то время большую часть земной поверхности, это еще не был океан в современном понимании. Неглубокое его дно было сложено гетерогенными породами, а мантия находилась совсем недалеко от поверхности. Тут и там из воды поднимались жерла огнедышащих вулканов, а спрединг — формирование молодой океанической коры — носил преимущественно рассеянный характер. Протоматерики представляли собой пустынные пространства, изрезанные многочисленными руслами пересыхающих потоков. В периоды выпадения обильных дождей они заполнялись водой. Грунтовые воды еще не играли заметной роли, так как непрерывный осадочный чехол отсутствовал. Выветривание носило в основном физический характер в результате преобладания ветровой и водной эрозии. Ледники на вершинах гор еще не существовали, зато важным фактором, усиливавшим денудацию суши, были удары крупных и мелких небесных тел. Поэтому поверхность Земли изобиловала, словно оспинами, метеоритными кратерами, в которых образовывались озера. Несмотря на скромные масштабы химических процессов выветривания, вынос с суши обломочного материала был весьма значительным. Высокий уровень испарения влаги в аридных зонах приводил к формированию эвапоритов. Древнейшие соленосные отложения (возрастом около 3,5 млрд лет) недавно были идентифицированы в Австралии. В зонах с гумидным климатом реки сбрасывали обломочный материал прямо на континентальный склон (шельфы были неразвиты), к которому, видимо, и были приурочены первые крупные осадочные бассейны.

В отсутствие организмов с карбонатной и кремневой функцией седиментационная палитра архея оставалась небогатой: повсеместно накапливались лишь терригенные и вулканогенные отложения. Причем среди первых наибольшее распространение получили щебнистые осадки, песчаники, алевролиты, гравелиты и конгломераты. Глины играли меньшую роль, чем на фанерозойском этапе развития, так как в большинстве своем они образуются в корах выветривания. Для возникновения последних условия, господствовавшие в архейскую эру, были малоблагоприятными. Основная масса глинистых минералов формировалась в водной среде в процессе разложения вулканического пепла и гидратации чешуек слюд.

К позднему архею в результате длительных и сложных тектонических взаимодействий завершилось формирование первичной континентальной и океанической коры. Перепад рельефа на границе праматериков и океана стал довольно большим (не менее 500-1000 м), что вызвало распространение на континентальных склонах оползней. Обычным явлением стали различные гравитационные течения. Вдоль контура праматериков возникли мощные терригенные и вулканотерригенные комплексы флишевого или флишоидного строения. Некоторые из них недавно были выявлены среди метаморфических образований, обнажающихся на Канадском щите, в Фенноскандии и Южной Африке. Таким образом, уже в позднем архее сложились важнейшие элементы той тектоносферы, которые развиваются и поныне: долгоживущие ядра континентальной коры, разрастающиеся по периферии и «плавающие» среди «зыбкого моря» недолговечной океанической коры. Можно предположить, что уже в архее сложилась система литосферных плит и заработал механизм спрединга, реализующийся в срединно-океанических рифтовых зонах.

С углублением дна океана первичные формы жизни сконцентрировались на мелководье и в придонном слое замкнутых водоемов. Здесь сохранялись благоприятные для хемосинтеза условия: из донных осадков поступали метан и другие газы, обилие же серы позволяло развиваться организмам, способным осуществлять сульфатредукцию. Другими зонами, где буйно расцветала жизнь, продолжали оставаться окрестности вулканов, поставлявших во внешнюю среду разнообразные минеральные соединения и газы. Однако вулканы располагались теперь не хаотично на поверхности Земли, как в прежние времена, а были сосредоточены в системах островных вулканических дуг, на активных континентальных окраинах, в срединно-океанических рифтах, гребни которых из-за малой глубины океана возвышались над его поверхностью. Свидетельством широкого распространения жизни в зонах перехода от континента к океану являются древнейшие из осадочных и вулканогенно-осадочных толщ, обогащенных органическим углеродом (так называемые черносланцевые формации).

Великая революция

Еще в архее случилось событие, которому было суждено со временем изменить не только состав земной атмосферы, но и облик нашей планеты. Виновником этого были мельчайшие живые существа, которые изобрели хлорофилл и родственные ему структуры. В основе фотосинтеза лежит фотохимическая реакция, сопровождающаяся поглощением и разложением углекислого газа, находящегося в воде или в воздухе, и высвобождением кислорода. Захваченный углерод используется для синтеза углеродных цепей, лежащих в основе углеводов, аминокислот, жирных кислот и других соединений. С появлением фотосинтеза любая клетка, содержащая хлорофилл, черпала из окружающей среды солнечную энергию, углекислый газ, воду, а также биогенные элементы в форме нитратов, фосфатов и ряда микроэлементов, превращаясь в крошечную фабрику по изготовлению необходимых для жизни и воспроизводства самой себя компонентов. Преимущества подобного питания перед хемосинтезом были настолько велики, что популяции микроорганизмов, способные использовать солнечную энергию, вытеснили или загнали в экологические ниши другие, нефотосинтезирующие организмы. Биологическая продукция в зонах обитания этих примитивных водорослей возросла во много раз по сравнению с тем уровнем, который был характерен для их предшественников. Со временем водоросли расселились по земному шару. Однако основным их ареалом остались мелководные зоны — эпиконтинентальные моря и прибрежные районы шельфа. В центральных же котловинах океана жизнь, видимо, была развита спорадически. Она концентрировалась вокруг выходов горячих гидротерм.

Первые фотосинтезирующие организмы, вероятно, появились еще 3,9–3,8 млрд лет назад, т. е. в раннем архее.

Об этом свидетельствует исследование древнейших из известных в настоящее время строматолитов, описанных М. Шидловски в северо-западной части Австралии (Schidlowsky, 1988]. Как отмечалось, строматолиты — это карбонатные постройки органического происхождения, формирующиеся в результате жизнедеятельности многих поколений микроорганизмов — цианобактерий. В процессе фотосинтеза они выделяют карбонат кальция, связывая избыточный диоксид углерода с ионами кальция, находящимися в морской воде, и с кислородом, который высвобождается при фотохимических реакциях, протекающих в клетке. Оказалось, что изотопный состав углерода в строматолитовых известняках архейского возраста значительно сдвинут в сторону более тяжелого изотопа 13С. Избирательное потребление этого изотопа низшими и высшими растениями при фотосинтезе — давно установленный факт. Вследствие этого по величине изотопного отношения углерода судят об органическом или неорганическом генезисе осадочных образований, содержащих углерод в структуре. Следовательно, утяжеленный состав углерода в архейских строматолитах указывает на то, что он отложен древнейшими микроорганизмами, способными осуществлять фотосинтез.

Открытие строматолитов с возрастом 3,8 млрд лет во многом меняет наши представления о развитии жизни на Земле. Оно свидетельствует о невероятно быстрой ее эволюции на ранней стадии существования планеты. Ведь древнейшие породы на Земле имеют возраст 4,6 млрд лет. Таким образом, спустя всего 800 млн лет уже появились относительно высокоорганизованные формы жизни. Следовательно, сама жизнь зародилась гораздо раньше, чем предполагалось до сих пор. Этот рубеж отодвигается теперь чуть ли не в предысторию планеты, о которой нам почти ничего неизвестно. Однако если жизнь зарождается чуть ли не одновременно с образованием небесного тела (планеты), то не праздными будут вопросы: не является ли она закономерным атрибутом планет земного типа, а если так, то не находились ли в составе космической пыли, сгустившейся и ставшей Землей, носители будущей жизни?

Другим фактом, который может привести к пересмотру наших взглядов на раннюю историю Земли, является обнаружение архейских эвапоритов с возрастом 3,5 млрд лет [Buick, Dunlop, 1990]. Эти древнейшие соленосные отложения недавно описаны в составе группы Уоррауома в Западной Австралии. Несмотря на то что многие исходные минералы впоследствии заместились под влиянием гидротерм, тектонических деформаций и метаморфизма, в толще этих древних пород сохранились реликты первичных седиментационных текстур и структур. Среди них Р. Бьюик и Дж. Данлоп выделили карбонатные илы и седиментационные сульфаты. Кроме того, ими были идентифицированы сульфатные конкреции, а также диагенетические формы карбонатов и сульфатов. По мнению этих исследователей, сульфаты, представленные гипсом и баритом, формировались в небольших выемках, затоплявшихся время от времени морской водой. От открытого моря эти участки дна отделялись островами-барами, сложенными обломками пемзы. Илистые площадки прорезали небольшие русла, в которых аккумулировались кальцитовые и арагонитовые илы, в дальнейшем подвергшиеся окремнению. В периоды частичного осыхания осадка в его поровом пространстве кристаллизовались железистый доломит и гипсовые конкреции. Не правда ли, знакомая картина? Ведь речь идет о приливно-отливных площадках и себхах. Оказывается, они существовали уже в раннем архее. В разрезе той же группы Уоррауома были описаны и строматолиты. В настоящее время они, как известно, формируются на приливно-отливных равнинах в глубине мелких лагун. Следовательно, в далеком от нас архее можно было найти многие из седиментационных обстановок, характерных и для современной геологической эпохи.

Самым интригующим, однако, является другое: архейские эвапориты представлены сульфатами, в структуре которых участвует кислород. Откуда же он брался в условиях бескислородной среды? Ведь по современным воззрениям и воздух и вода были лишены свободного кислорода. Для формирования седиментационных карбонатов, ассоциированных с сульфатами, также был необходим молекулярный кислород. Не исключено, что часть карбонатных осадков возникла в результате разрушения строматолитовых построек. Однако эвапориты — это хемогенные образования, выпадающие из воды, пересыщенной по отношению к той или иной соли, в данном случае к карбонату кальция. В современных лагунах и соляных «ваннах» на побережье Красного моря и Персидского залива в засушливые сезоны первыми выпадают на дно кристаллы арагонита и гипса. То же самое, видимо, происходило и в раннем архее. Следовательно, состав морской воды уже тогда был весьма близок к современному. Главное же заключается в том, что в воде, остававшейся в архейских соляных «ваннах», находился растворенный кислород, а значит, он, скорее всего, присутствовал и в атмосфере.

Был ли этот кислород биогенным, т. е. появился ли он за счет разложения углекислого газа фотосинтезирующими организмами, или возник под действием ультрафиолетового излучения в результате диссоциации в верхних слоях атмосферы паров воды на водород и кислород? Точного ответа на этот вопрос пока нет. Вероятно, имело место и то и другое. Надо учитывать, что протяженность береговой линии вокруг небольших по площади архейских континентов была невелика. К тому же, если подразумевать высокую активность тектоносферы на ранних этапах ее развития, должен был преобладать скалистый тип берегов. А с ним, как известно, связаны лишь небольшие лагуны и отдельные заливы, но не обширные приливно-отливные равнины. Таким образом, строматолитовые постройки не могли иметь глобальное распространение, а значит, деятельность фотосинтезирующих микроорганизмов в раннем архее не могла серьезно влиять на состав атмосферы. Да и само существование строматолитов, большая часть которых выступает из воды во время отлива, было бы вряд ли возможно при отсутствии хотя бы призрачного озонового экрана. Без него ультрафиолетовое солнечное излучение неминуемо уничтожило бы микроорганизмы. Озон же в верхних слоях атмосферы возникает за счет кислорода, появляющегося вследствие распада водных паров.

Все сказанное свидетельствует о том, что уже в раннеархейской атмосфере и в верхних слоях водной толщи океана мог быть свободный кислород, хотя наверняка неповсеместно и в довольно ограниченном количестве. Считается, что так называемая точка Пастера, когда содержание свободного кислорода в воздухе составило 1 % от нынешнего, была достигнута лишь 1,6–1,4 млрд лет назад [Kershaw, 1990], т. е. спустя более 2 млрд лет после появления первых строматолитовых построек. Если это так, то накопление свободного кислорода в атмосфере происходило в архее и в раннем протерозое чрезвычайно медленно. Впрочем, последнее может показаться вполне объяснимым, если учесть, что он расходовался не только на образование карбонатов и сульфатов, но и на окисление огромного количества металлов, железа и марганца прежде всего, находившихся преимущественно в закисной форме. Считается, что первичная земная кора была обогащена железом и марганцем.

Загадочным остается, однако, то обстоятельство, что при незначительной концентрации кислорода в атмосфере и подразумеваемом высоком содержании углекислого газа парниковый эффект над планетой оказался весьма неустойчивым. Дело в том, что уже в раннем протерозое на Земле произошло широкомасштабное оледенение, следы которого фиксируются в слоях с возрастом 2,3 млрд лет назад. Чем же было вызвано это, называемое гуронским, оледенение? Резким ли снижением содержания углекислого газа в раннепротерозойской атмосфере или другими причинами, способными вызвать похолодание? Так, за столкновением с крупным небесным телом или поясом астероидов могло последовать явление, близкое к эффекту «ядерной зимы». Тот же результат возможен при длительной активизации вулканических процессов с выбросом в верхние слои атмосферы огромных масс пепла и других продуктов. Сейчас мы этого не знаем.

Надо сказать, что отложения гуронского комплекса на Канадском щите, включающие типичные ледниковые образования (так называемые диамиктиты), не содержат никаких «экзотических» продуктов, хотя в разрезе нижних толщ комплекса описаны горизонты и пачки вулканогенных отложений. В целом гуронский комплекс сложен преимущественно песчаниками и конгломератами аллювиального и дельтового происхождения, а также диамиктитами.

Рис. 7. Докембрийские формы прокариотов и эукариотов [Buick, Dunlop, 1990] 1 — древнейшие биогенные остатки — сфероиды в породах толщи Уоррауом, Австралия; 2 — строматолиты различных форм и размеров; 3 — нитевидные формы и сфероиды цианобактерий из кремнистых отложений Ганфлинт в Канаде; 4 — реконструкция способа деления клеток водоросли Glenobotrydion (эукариота) из отложений Биттер-Спрингс в Австралии; 5 — мягкотелые животные позднего докембрия, реконструированные по отпечаткам в отложениях с возрастом 700 млн лет из Австралии и Англии

Скорее всего, похолодание, повлекшее за собой оледенение, было вызвано теми же причинами, что и более поздние оледенения. Среди них едва ли не главным могло быть понижение концентрации диоксида углерода в воздухе на рубеже архея и протерозоя, что привело к уничтожению существовавшего парникового эффекта. Одной из причин этого, вероятно, была жизнедеятельность примитивных фотосинтезирующих организмов — прокариотов (в их клетках отсутствовало ядро), в буквальном смысле «съевших» избыточный углекислый газ и выделивших значительное количество кислорода (рис. 7). Их распространению способствовало значительное увеличение площади континентов 3–2 млрд лет назад и соответственно площади прибрежного мелководья, где обитали фотосинтезирующие микроорганизмы. Таким образом, чтобы свести на нет парниковый эффект и существенно понизить среднюю температуру на поверхности Земли, первым фотосинтезирующим организмам потребовалось 1,5 млрд лет. Хотя самые значительные следы гуронского оледенения обнаружены в Северной Америке, в районе Канадского щита, оно затронуло и ряд других континентов, существовавших в протерозое. Длительность этого эпизода в истории Земли еще не определена.

Муссоны обрушиваются на сушу

Завершение гуронского оледенения совпало с началом нового длительного этапа развития в геологической истории Земли, ознаменовавшегося широчайшим распространением совершенно уникальных осадочных образований, по существу не имеющих аналогов в современной седиментационной палитре. Речь идет о джеспиллитах, или band-iron formation (сокращенно BIF), которые представляют собой чередование слойков, в высокой степени обогащенных железом, со слойками, сложенными кремнеземом. Незначительная толщина слойков, до нескольких миллиметров, позволяет предположить, что в них, как и в плейстоценовых ленточных глинах, называемых варвами, отразилась сезонная изменчивость климата. В плейстоцене и голоцене с периодом паводков было связано поступление в бассейн седиментации терригенного глинистого материала. В жаркое, засушливое время происходили активизация биоты и отложение на дне вещества, обогащенного органическими остатками. В раннем протерозое живые организмы еще не расселились широко в фотическом слое морских и океанских водоемов, поэтому они не могли непосредственно определять в тот или иной сезон седиментационные процессы. Их влияние проявилось через способность многих докембрийских микроорганизмов к фотосинтезу. Дело в том, что снижение содержания углекислого газа в атмосфере докембрия сопровождалось накоплением в ней кислорода. Последний легко вступает в реакцию с закисным железом, переводя его в оксидное состояние: FeO —> Fe2.

Так как первичная земная кора была изначально в сильной степени обогащена железом и марганцем, аккумуляция кислорода в воздухе привела к окислению этих металлов. Это нашло отражение в появлении красноцветных осадков, так как присутствие железа в оксидной или оксигидратной форме придает ему красный или бурый цвет. Следует отметить, что образование первых BIF произошло еще в позднем архее. Самые древние из них имеют возраст 3,8 млрд лет. Однако массовый характер это явление приобрело в раннем протерозое, в интервале с 2,3 до 1,7 млрд лет назад.

Резонно спросить: какое отношение ко всему этому имеют сезонные изменения климата? Посмотрим на современную латеритную кору выветривания, типичную для низких широт с гумидным тропическим климатом. В сезоны дождей, связанные обычно с приходом муссона, огромные массы воды обрушиваются на сушу. При этом наблюдается не только разрушение коренного субстрата и почв водными потоками, т. е. физическое выветривание суши. Гораздо более эффективным фактором эрозии в этих условиях является гидролиз — химическое взаимодействие воды с минералами горных пород. Сначала оно ведет к их выщелачиванию, т. е. к выносу щелочных и щелочноземельных элементов (натрий, калий, кальций, магний) из структуры, а затем к частичному или полному ее разложению с образованием либо новых минералов, главным образом глинистых, либо оксидов — Fe2, AI2O3, SiO2 и оксигидратов — Fe(OH)3, Al(OH)3. Более подвижные из этих соединений (Fe2О3, SiO2 и др.) в виде взвеси и в коллоидной форме выносятся речными и паводковыми водами в конечный водоем стока. В то же время в латеритной коре выветривания, защищенной железистой кирасой, накапливаются малоподвижные оксиды и оксигидраты алюминия, дающие начало залежам бокситов. Происходит, таким образом, разделение (дифференциация) вещества. Оно, однако, не завершается процессами, протекающими в коре выветривания и на путях переноса вещества. В озерном или полуизолированном морском водоеме дифференциация продолжается. Вначале на дно садится вещество глинистой природы вместе с сорбированным железом. Когда же наступает сухой сезон и вследствие испарения части воды происходит концентрация растворенных в ней солей, возникают благоприятные условия для хемогенной седиментации. В замкнутых и полузамкнутых обстановках начинается новообразование минералов, обогащенных кремнеземом. Обычно образуются слоистые (смектиты или корренситы) или псевдослоистые силикаты с дефицитом алюминия в структуре (палыгорскит, сепиолит), иногда цеолиты.

Можно думать, что нечто подобное имело место и в раннем протерозое, когда сложилась устойчивая система атмосферной циркуляции, во многом схожая с той, что господствовала позднее, в некоторые периоды фанерозоя. В зонах с муссонным климатом на суше резко активизировались процессы гидролиза и в водоемы в огромных количествах стали поступать продукты химического выветривания. При этом глинистые и железистые субстанции отлагались на дне преимущественно во влажные сезоны, тогда как в засушливые сезоны начинался аутигенез различных силикатов. Впоследствии при погружении в недра эти слои подвергались окремнению. В докембрии полноценные латеритные профили вряд ли были возможны, так как они развиваются в настоящее время под пологом тропического леса. Среди продуктов химического выветривания преобладали поэтому простые формы — оксиды и оксигидраты железа. Можно думать, что воды морей и океанов, до того грязно-серые в районах частых вулканических извержений и голубые над центральными абиссальными котловинами, окрасились в раннем протерозое в бурый цвет. В отсутствие организмов-фильтраторов коллоидные формы железа осаждались на дно с большим трудом, в основном там, где происходило слипание взвеси. Наиболее благоприятные условия для образования джеспиллитов, вероятно, существовали в полузамкнутых и изолированных водоемах, где в сухие сезоны в воде происходило концентрирование солей.

Гидролиз коренных пород на суше протекал в раннем протерозое в окислительной среде, вызванной присутствием ионов кислорода. Кислород, поступавший вместе с атмосферными осадками, расходовался на окислительные процессы. Поэтому его уровень в атмосфере долгое время не повышался, а может быть, даже и снизился, несмотря на продолжавшуюся жизнедеятельность фотосинтезирующих микроорганизмов. Между тем вместе с выбросами вулканических продуктов и вследствие продолжавшейся дегазации мантии Земли в атмосферу поступали все новые порции углекислоты. Ее накопление на фоне невысокого содержания кислорода через определенное время привело к реставрации парникового эффекта. Средняя температура на поверхности Земли стала повышаться, полярные льды растаяли, что сопровождалось повышением уровня протерозойского океана. Его воды затопили прибрежные низменности, превратив огромные пространства в периферийных областях континентов в мелководные эпиконтинентальные моря, отделенные от суши цепью обширных лагун и приливно-отливных равнин и системами береговых баров. Сначала на этих равнинах, вероятно, накапливались железисто-кремнистые слоистые отложения (BIF), с которыми связаны месторождения железных руд.

Со временем, однако, положение изменилось. Обширные районы суши были затоплены или пенепленизированы в результате длительной эрозии, т. е. превратились в низменные равнины. Вынос железа и кремнезема резко сократился. Лагуны и приливно-отливные равнины стали расселяться известьвыделяющими организмами. К этому времени (1,6–1,5 млрд лет назад) в органическом мире произошли заметные изменения: появились одноклеточные микроорганизмы более высокого уровня развития. Они обладали ядром, что значительно повысило их способность к делению. Эти новые организмы — эукариоты вскоре вытеснили своих более примитивных предшественников. Самой процветающей группой стали цианобактерии. Колонии цианобактерий в виде водорослевых подушек и строматолитовых построек распространились на обширных пространствах мелководных морей и прибрежной зоны шельфа. Они поглощали из воды и воздуха все больше углекислого газа, переводя его, с одной стороны, в органическое вещество, а с другой — в карбонатные минералы. Со временем отдельные строматолитовые постройки, слившись вместе, образовали мощные карбонатные платформы. Их реликты до сих пор сохранились в краевых частях древних платформ, например на востоке Русской плиты и в горах Урала. В отдельных регионах накапливались и так называемые черные сланцы — отложения, обогащенные органическим веществом. Своим происхождением они обязаны жизнедеятельности других групп низших растений, в том числе бурых водорослей, также появившихся в протерозое. Как и цианобактерии, они мало изменились с тех пор.

Постепенно резервуар углекислого газа в гидро- и атмосфере сокращался. Его потери уже не восполнялись за счет дегазации земной коры и мантии. Зато высвобождавшийся при фотосинтезе кислород накапливался сначала в атмосфере, а затем и в толще морей и океанов, благодаря течениям опускаясь до самого дна. Бескислородные обстановки в глубинах океана стали встречаться реже. Все это создавало предпосылки для распространения жизни от берегов в центральные районы океанов. Микроорганизмы постепенно заселили его верхний, фотический слой.

В позднем протерозое появились и многоклеточные организмы, в первую очередь — водоросли, а уж потом животные, правда, без прочного защитного покрова, так как строить его из минерального вещества они еще не умели. Хитин также не был изобретен. Поэтому о примитивных формах животных можно судить лишь по отпечаткам, кое-где сохранившимся в породах докембрия.

Однако органический мир развивался быстро, в результате равновесие на земной поверхности оказалось нарушенным. Парниковый эффект, поддерживавший высокие среднегодовые температуры, исчез. Началось постепенное похолодание, завершившееся в конце концов широкомасштабным оледенением. Следы этого оледенения сохранились на многих континентах в слоях с возрастом 800–600 млн лет. Мельчайшие живые организмы во второй раз качнули климатический маятник в сторону глобального похолодания. Впрочем, повинны в этом не только организмы. Оледенение, вероятно, было вызвано и тектоническими факторами, в частности слиянием небольших континентальных глыб в крупные мегаблоки, внутренние районы которых в зимние сезоны, особенно в высоких широтах, сильнее выстуживались.

Великим оледенением завершился долгий докембрийский этап в истории Земли. К этому рубежу она подошла не только со сложно устроенной тектоносферой и глубокими океанами, мало чем отличавшимися от современных, но и с кислородной атмосферой, что существенно изменило условия обитания как в воде, так вскоре и на суше.

Растения и животные завоевывают сушу

Благодаря изменившимся условиям в конце протерозоя произошел настоящий эволюционный взрыв. Появились новые классы и типы живых организмов [Соколов, 1979]. Среди них были существа, которые сами не производили биомассы, а питались остатками уже произведенной водорослями и микроорганизмами. Чтобы находить эти остатки или сами продуценты органического вещества, они должны были активно перемещаться в пространстве. Так появились животные. В кембрийский период (570–470 млн лет назад) дно многих водоемов было заселено странными существами с головой округлой формы, коротким туловищем с отходившими от него члениками-ножками и небольшим хвостом. Это были трилобиты — первые обитатели дна, имевшие защитный, вероятно хитиновый, покров. Анализ строения и возможного образа жизни этих морских животных позволяет думать, что в большинстве своем они были «чистильщиками», пожирателями органических остатков. Крупнейшие трилобиты достигали в длину 75 см. Они обитали в мелководных эпиконтинентальных морях и первыми завоевали шельфы.

В раннем палеозое некоторые одноклеточные водоросли стали строить опорный минеральный каркас либо раковинки — своего рода скафандры. Они не только защищали от неблагоприятных воздействий среды и хищников, но и позволяли пребывать во взвешенном состоянии, то погружаясь в воду, то всплывая. В пластах морских отложений раннепалеозойского времени сохранились странные образования из фосфорнокислого кальция, по форме напоминающие зуб, — конодонты. Палеонтологи до сих пор спорят о том, являются ли они чем-то вроде раковинок, принадлежавших планктонным организмам, или это форменные элементы более сложно устроенных существ, питавшихся планктоном.

Бентосные формы морской фауны и флоры по-прежнему концентрировались в лагунах и заливах мелководных морей, где было много пищи, а разрушительная работа волн проявлялась в меньшей степени, чем на открытом шельфе. Из этих питомников, словно специально созданных природой для выведения новых видов, растения начали завоевание суши. Это, однако, стало возможным не раньше, чем озоновый слой достаточно уплотнился и уже не пропускал жесткое ультрафиолетовое излучение.

Самые выгодные условия для постепенного привыкания к субаэральной (воздушной) среде существовали на приливно-отливных равнинах, защищенных со стороны моря баровыми островами. Сублитораль и низкие соляные марши испокон веков были заселены бактериями и водорослями. Здесь же, видимо, появились и формы, которые успешнее других сопротивлялись отливу. Закрепившись на низких маршах, они, вероятно, принялись осваивать более возвышенные участки, затопляемые приливом раз в несколько дней. Для выживания в этих условиях необходимы были жесткий каркас, способный поддерживать растение в воздушной среде, и развитая корневая система, чтобы восполнять недостаток влаги за счет поровой воды в осадках. Эти проблемы в конечном счете и были решены растениями. Несомненно, некоторые водоросли еще раньше приспособились к обитанию в солоноватых и пресных водах, что позволило им проникнуть в речные дельты и эстуарии. Отсюда они распространились по речным руслам в старицы и озера. Однако, даже переселившись в пресные водоемы, эти растения так и остались водорослями. Истинными завоевателями суши могут считаться лишь высшие растения, обладающие крепкой корневой системой и каркасными тканями. Последние образованы целлюлозой и лигнином — уникальными с биохимической точки зрения структурами, которые являются многоядерными полициклическими биополимерами, устойчивыми в субаэральной среде. У низших растений эти компоненты отсутствуют.

Как известно, первыми высшими растениями на суше были псилофиты, вымершие в конце среднедевонской эпохи. Их место заняли хвощовые, плауновые растения и папоротники. Они заселяли главным образом болотистые низины, подтопляемые участки речных пойм и прибрежные аллювиальные равнины. Самые древние находки древесных остатков высших растений датируются поздним силуром (410 млн лет назад). Однако прошло еще несколько десятков миллионов лет, прежде чем высшие растения колонизовали континенты. Об этом мы можем судить по среднедевонским залежам каменного угля. Впрочем, глобальный характер угленакопление приобрело лишь в карбоне — в каменноугольный период (350–285 млн лет назад), названный по имени этого горючего ископаемого. По его запасам каменноугольные отложения занимают первое место среди осадочных образований фанерозоя.

Что же способствовало не виданному до того расцвету наземной флоры? Ответить однозначно на этот вопрос трудно. Можно выделить лишь несколько факторов, и прежде всего теплый и влажный (гумидный) климат, господствовавший в карбоне на обширных пространствах. Однако расчеты уровней водного стока с континентов показали, что самым гумидным был не карбон, а меловой и кембрийский периоды, силурийско-девонское время. Именно с ними связаны наиболее высокие скорости аккумуляции осадков [Tardy et а!., 1989].

Во второй половине карбона в результате схождения двух континентальных мегаблоков — Лавразии и Гондваны образовался суперматерик Пангея. Прото-Атлантический океан закончил свое существование. Тектонические сжатия в обширной полосе столкновения континентальных масс привели к воздыманию мощных герцинских складчатых сооружений — горных хребтов. Их опоясывали передовые прогибы. Гигантские напряжения в зоне столкновения плит вызвали расколы в глубоком тылу, на платформах. Они сопровождались прогибанием существовавших с девонского времени рифтовых впадин. Одной из них была Днепрово-Донецкая впадина, где в каменноугольное время сформировались уникальные месторождения каменного угля. Впрочем, не менее богатые залежи угля примерно в то же время возникли в бассейнах передовых прогибов и межгорных впадин герцинского складчатого пояса как в Западной Европе, так и в Северной Америке. Подобное уникальное сочетание тектонических и климатических условий, благоприятных не только для развития наземной растительности, но и для массового захоронения древесных остатков, на протяжении фанерозоя больше не повторялось.

Животные проникли на континенты, как только смогли находить там пищу и укрытие от непогоды, т. е. сразу же за растениями. Сначала появились примитивные насекомые, отпечатки которых были найдены в силурийских отложениях Германии. С позвоночными дело обстояло значительно сложнее. Как полагали, приспособление к воздушной среде стало возможным после появления двоякодышащих рыб, обладавших жабрами и примитивными легкими. Двойной набор дыхательных органов был им необходим, потому что они обитали в осыхающих на короткое время водоемах. К таковым как раз и относятся приливно-отливные равнины и мелкие лагуны. В последнее время предками наземных позвоночных стали считать кистеперых рыб (вспомним латимерию). Вполне вероятно, что позвоночные животные начали завоевание суши из тех же уникальных природных питомников, что и первые высшие растения. Со временем у некоторых рыб атрофировались жабры и они превратились в земноводных. Предками современных лягушек и рептилий, обитающих в пресноводных водоемах и вокруг них, были стегоцефалы. В карбоне они широко распространились на континентах. Потом, уже в пермское время, появились рептилии. В Пангее они освоили не только болотистые равнины, но также пустыни и горы.

Таким образом, хотя растения и насекомые появились на суше еще в позднем силуре, временем ее окончательного завоевания стал каменноугольный период. Это, как мы увидим ниже, имело далеко идущие последствия.

Материки — извечные скитальцы

Жизнь подавляющего большинства людей всегда была связана с континентами, занимающими лишь около 1/3 всей площади нашей планеты. Естественно, в сознании человека Земля ассоциируется прежде всего с материками. На самом деле они лишь один из компонентов более крупных структурно-тектонических единиц, на которые распадается, согласно положениям новой глобальной тектоники, верхняя оболочка планеты. Эти единицы — литосферные плиты. Они включают не только материки, но и обширные участки океанов. Некоторые из них, например Тихоокеанская плита или более мелкие плиты Кокос и Наска, выделяются в пределах ложа Тихого океана и не содержат образований с континентальным типом земной коры. В то же время нет таких литосферных плит, которые включали бы только континентальные структуры, без океанических. Континенты, словно корабли, впаянные в лед, вынуждены перемещаться вместе с льдиной. Роль такой льдины играет океаническая кора, как правило гораздо более молодая, чем кора впаянных в ту или иную океаническую «льдину» континентов.

Известно, что кора океана очень тонкая, всего 5–8 км. Ее максимальный возраст 140–145 млн лет, т. е. наиболее древние участки образовались в позднеюрскую эпоху. На материках же встречаются, как мы знаем, породы с возрастом до 4,6 млрд лет. Разница огромная. Да и мощность земной коры на материках в среднем почти на порядок больше, от 30–40 до 60–70 км. На материках, таким образом, сохранились древнейшие блоки коры, в океанах же искать их бесполезно. В чем же тут дело?

Как льдины сминаются, торосятся, а то и тают под солнцем, так и океаническая кора легко ломается, скучивается, а большая ее часть расплавляется в зонах Беньофа. От нее остаются лишь асейсмичные хребты перед островными вулканическими дугами или в низах континентального склона на активных окраинах материков. Есть и пластины океанического дна, выдавленные некогда на пассивный край континента. В их составе встречается так называемый меланж — перетертые в труху породы, которые ранее входили в состав океанского ложа. Теперь они выступают на поверхность в ряде крупнейших горно-складчатых поясов.

Казалось бы, при такой судьбе океаны должны были бы давно прекратить свое существование. И такое действительно произошло. Исчез, например, мезозойский океан Тетис. Однако в целом площадь океанов если и сократилась, то ненамного. Дело в том, что океаническая кора постоянно воссоздается вновь. Происходит это в срединноокеанических рифтах — зонах, располагающихся над восходящими ветвями конвекционных ячей, которые, как полагают, существуют в мантии. Разуплотненное и разогретое мантийное вещество, поднимаясь к поверхности, вспучивает океаническую кору и как бы раздвигает ее пластины в разные стороны. В образовавшуюся брешь изливаются и затем затвердевают магматические расплавы, создавая новый фрагмент океанского ложа. В дальнейшем он неоднократно «наваривается»: сверху — базальтами и осадками, а снизу — дайками пород ультраосновного состава. В таком виде этот фрагмент в течение десятков — сотен миллионов лет постепенно смещается в краевую часть океана, где погружается под островную вулканическую дугу или под край материка, в так называемую зону субдукции. С верхней пластины при этом сдираются рыхлые осадки и часть базальтов, все остальное уходит в недра, где и расплавляется на глубинах от 300 до 600 км. Весь массив океанической коры, от рифтовой зоны срединно-океанического хребта до зоны субдукции, с впаянными в него материками, островными дугами и микроконтинентами составляет единую литосферную плиту. В современной структуре земной поверхности выделяется семь крупных литосферных плит. Шесть из них включают один из континентов и соответственно названы Африканская, Евразийская, Австралийская, Северо-Американская, Южно-Американская, Антарктическая. Седьмой плитой, самой крупной из всех, является Тихоокеанская. Помимо вышеперечисленных, выделяются еще десятки микроплит, в основном отвечающих районам задугового спрединга океанической коры, иначе говоря, окраинным морям. В это число входят и малые плиты Тихого океана — Наска и Кокос, расположенные к востоку от Восточно-Тихоокеанского поднятия, с которым связано новообразование океанической коры в восточном полушарии.

Растяжение и новообразование дна океана получили название спрединга. Эти процессы с разной, правда, скоростью протекают во всех срединно-океанических хребтах. Темпы спрединга меняются от 2 до 8 см в год. При таких скоростях приращивается довольно значительный массив молодой океанической коры. Но так как площадь поверхности планеты остается неизменной, соответствующая по размерам часть более древней коры океана, преимущественно из периферийных частей литосферных плит в Тихом океане, уходит в зоны Беньофа, где и разрушается. Подобным путем осуществляется обновление ложа океанов при сохранении общего равновесия между массами континентальной и океанической коры.

Впрочем, нельзя сказать, что со временем ничего не меняется: в последние 40–50 млн лет уничтожается главным образом кора Тихого океана и площадь его сужается, тогда как Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны все это время расширяются (правда, последний возник лишь 30 млн лет назад). Можно сказать, что шесть крупных и несколько более мелких литосферных плит ведут «войну», и довольно успешную, с тремя плитами, расположенными в Тихом океане. При этом на «передовой» находятся две плиты — Северо- и Южно-Американская, отличающиеся от остальных тем, что в каждой из них континент не просто впаян в океаническую кору, но находится на ведущем, древнем крае плиты. Он является как бы ножом бульдозера, взламывающего ложе Тихого океана в восточной его периферии: часть коры уходит в зону Беньофа, другая же просто сдирается и скучивается в виде широкого бесформенного образования, получившего название «калифорнийский бордерленд». Окраины континентов, с которыми связаны все эти метаморфозы, определяются как активные, тогда как другие окраины, где граница континента и океана остается спокойной в тектоническом отношении, относятся к разряду пассивных.

Началом «войны» послужил распад гигантского суперматерика Пангея, сложившегося как единое целое еще в позднем карбоне. В триасе он стал дробиться, что привело к образованию срединного океана Тетис (он вытянулся в широтном направлении параллельно экватору). Затем, уже в юрское время, произошли расколы в западной половине Пангеи, от нее откололся, хотя и не полностью, Северо-Американский материк, образовались Мексиканский залив и западный рукав океана Тетис, который вскоре соединился с восточным его рукавом. На этом история Пангеи закончилась, так как она распалась на два конгломерата — Лавразию (Северная Америка и Евразия) и Гондвану (Африка, Южная Америка, Австралия, Антарктида).

Однако и эти образования оказались недолговечны. В мелу произошли дальнейшие расколы, приведшие сначала к раскрытию Центральной Атлантики и Индийского океана, а затем и Южной Атлантики. Гондвана последовательно распалась на ряд материков и микроконтинентов, существующих и поныне. Завершился этот процесс в кайнозое, когда в результате расколов в районе Фарерского порога, островов Шпицберген и Ян-Майен произошло раскрытие Северной Атлантики и Лабрадорского моря, а затем и Ледовитого океана. Несколько ранее в южном полушарии от Австралии отделилась Антарктида и вскоре заняла свое современное положение на Южном полюсе. Мезозойский океан Тетис, с образования которого начался распад Пангеи, захлопнулся в течение позднего мела и палеогена. Местоположение его отмечено Альпийским складчатым поясом. В него входят Альпы, Динариды, Карпаты, Кавказ, Копетдаг, Загрос, Тавр, Гималаи и целый ряд других горно-складчатых сооружений.

Раскрытие молодых океанов — Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого — привело к растаскиванию материковых глыб — фрагментов Пангеи по всему свету. За 150 млн лет Северо-Американский континент удалился от Евразии на 5–6 тыс. км. Еще большее расстояние разделяет некогда единые Африку и Австралию. Материки-скитальцы продолжают свое путешествие по поверхности Земли. Где и когда они встретятся вновь, вряд ли возьмется предсказать даже специалист в области палинспастических построений (реконструкции положения материков в тот или иной период времени).

От рождения до распада: эволюция океана

Несмотря на то что океаны не так живучи, как континенты, продолжительность их существования составляет десятки и сотни миллионов лет. За это время они проходят сложный путь развития. Благодаря исследованиям в Красном море и Аденском заливе в настоящее время довольно основательно изучены ранние его этапы, начинающиеся с формирования небольших рифтовых впадин и подводного вулканического сооружения с океаническим рифтом в центре. Последующее раскрытие океана за счет наращивания молодой океанической коры привело к возникновению абиссальных котловин, сначала довольно узких и относительно неглубоких, затем огромных по площади, с выровненным дном. На это ушли миллионы лет. Однако по облику этих и других чисто океанических структур вряд ли удастся определить, вступил ли океан в пору зрелости или еще не достиг ее.

На ранних стадиях эволюции океанические бассейны окружены пассивными окраинами. Их облик менялся со временем. В период зарождения впадин с океанической корой по их периферии тянутся очень узкие шельфы, переходящие в обрывистые, ступенчатого строения континентальные склоны. Со стороны суши молодой океан обрамлен горными глыбово-сбросовыми сооружениями и остатками вулканических построек, типа тех, которые можно видеть до сих пор на Аравийском побережье Аденского залива. Вступив в пору «зрелости», океан сильно расширился, причем за счет не только образования абиссальных равнин, но и влияния на прилегающие районы континента. К этому времени океанские волны вырабатывают обширную материковую отмель шириной более 200–300 км (примером могут служить шельфы аргентинский или атлантический США) и не менее широкую прибрежную равнину, затопляемую морскими водами в эпохи высокого стояния уровня океана. Густая сеть подводных каньонов, словно первые морщинки на лике океана, прорезала континентальные склоны.

Современная геологическая эпоха — время «зрелости» большинства из существующих океанических бассейнов. Очевидно, в силу этого нам не просто сейчас представить себе завершающие стадии их эволюции. Однако история исчезнувших океанов Япетус, Тетис, прото-Атлантики, Уральского палеоокеана и других свидетельствует о том, что и у океанов неминуемо наступление «старости», «дряхлости» и распада. Критерии, согласно которым можно было бы констатировать наступление этих этапов, до сих пор не выработаны, а вся позднейшая часть жизненного цикла описывается чаще всего одним термином — «схлопывание» (имеется в виду закрытие океанической впадины). Между тем именно эти стадии с тектонической точки зрения наиболее интересны. С ними связаны формирование глобальных горно-складчатых систем, заложение передовых и межгорных прогибов, интенсификация эрозионных процессов, различных тектонических деформаций и метаморфизма, а иногда и вспышки вулканической активности.

0 наступлении «старости» океана может сигнализировать трансформация одной или нескольких пассивных континентальных окраин, его обрамляющих, в активные. С этого момента начинается уничтожение коры океана, что в конце концов приводит к его исчезновению.

Жизнь океана поддерживается благодаря активности срединно-океанических рифтов. В результате как бы наращивается новая ткань — молодое базальтовое ложе океанических впадин. До остановки спредингового конвейера океан успешно сопротивляется деструктивным процессам, протекающим на его активных окраинах. В самом деле, поглощение относительно древней океанической коры в зонах субдукции восполняется ее воспроизводством в срединно-океанических рифтах. Но как только этот конвейер останавливается, наступает состояние, близкое к параличу, за которым неизбежно следует коллапс. Однако если распад отмершего организма протекает практически мгновенно, то океан даже после прекращения спрединговых процессов еще долго существует на лике Земли. Поэтому данное состояние лучше определить как «дряхлость» океана, хотя с тектонической точки зрения он уже является отмершей структурой.

По каким же причинам возможно прекращение спрединга? Разрастание океанической коры связано с мантийным диапиризмом. При его ослаблении, а затем и полном прекращении происходит отмирание срединно-океанического рифта. Со временем окружающие его подводные хребты постепенно нивелируются, трансформируясь в подводное плато. Под давлением соседних литосферных плит, в тылу которых располагаются молодые, быстро растущие океанические структуры, часть континентальных окраин, бывших до того пассивными, превращаются в активные, после чего начинается процесс разрушения коры древнего океана. Длительность деградации его ложа зависит от размеров бассейна и скорости спрединга дна в соседних, более молодых океанах.

Впрочем, случаи внезапной остановки «сердца» океана пока доказательно подтвердить невозможно, разве что в отношении окраинных морей. Зато вполне допустим другой вариант, когда ослабление мантийного диапиризма выражено достаточно слабо и проявляется лишь на фоне более активного спрединга дна в соседних, молодых океанических бассейнах. Со временем это приводит к искажению исходно симметричной структуры бассейна, что проявляется прежде всего в смещении срединно-океанического хребта из центра на периферию. Вслед за этим происходит поглощение отдельных его сегментов под активной окраиной выдвигающегося континента.

Начальный период сближения срединного хребта с активной окраиной континента не опасен для нормального функционирования океанского «организма», так как происходящие изменения еще не стали необратимыми. Действительно, давление со стороны соседней литосферной плиты может вдруг ослабнуть, и тогда события повернут вспять. Решающим событием становится погружение отдельных сегментов срединно-океанического рифта в зону Беньофа. С этого момента наступает состояние, которое можно определить как паралич отдельных частей ранее единого образования. При сем меняется и облик самой окраины континента, под которую погружается океанический рифт, характер протекающих здесь тектонических процессов. До этого активный край континента был четко обозначен глубоководным желобом и нормальной зоной Беньофа, падающей под континент под углами 30–40°. На некотором же расстоянии от границы континент-океан в глубине суши располагалась цепь андезитовых вулканов. После погружения крупного сегмента океанического рифта под край континента перед ним разрастается, как снежная куча, огромное аккумулятивное поднятие, сложенное океанскими осадками. Парализованная часть океана, простирающаяся за поглощенным сегментом океанического рифта, теряет способность к регенерации, рассекается трансформными разломами на гигантские полосы и со временем начинает разрушаться. Кора океана вспучивается, ломается на фрагменты, а со временем выдавливается в виде надвиговых пластин на одну из окраин, чему благоприятствует опускание крупных участков шельфа на значительные глубины.

Впрочем, «дряхлый» океан еще долго сопротивляется разрушению. Нередко возникают структуры типа Калифорнийского залива, где погружающийся под край континента океанический рифт как бы берет реванш, создавая молодую структуру. Раздвиг в этом молодом рифте сопровождается деструкцией уже отмершей коры того же самого бассейна. Однако эта вспышка активности угасающего мантийного диапира в конечном счете мало что меняет, так как и омоложенная часть океанического рифта через определенное время уходит под континент под давлением со стороны соседней литосферной плиты.

По мере отмирания океанического бассейна обрамляющие его континенты сближаются, а между ними из смятых в складки отложений бывших континентальных склонов и подножий формируется обширная горная страна типа Альпийско-Гималайского пояса. Перед его фронтом закладываются системы передовых прогибов.

Примером деградации океанического бассейна в настоящее время является Тихий океан. В его южной половине срединно-океанический рифт, носящий название Восточно-Тихоокеанского поднятия, смещен в восточную половину и находится неподалеку от активной тихоокеанской окраины Южной Америки. Подобная асимметрия характерна для «стареющего» океана. В северной половине Пацифики деградация океанической коры выражена значительно сильнее. Северная ветвь Восточно-Тихоокеанского поднятия здесь почти целиком погрузилась под край Северо-Американского континента. Сохранились лишь ее реликты в виде подводных хребтов Горда и Хуан-де-Фука. Южнее расположена регенерационная структура — молодой рифт Калифорнийского залива. В целом же эта часть Тихого океана переживает следующую стадию деградации, которую можно определить как «дряхлость» бассейна. Впрочем, из-за огромной площади Пацифики на ее полное разрушение потребуются еще десятки миллионов лет.

Век динозавров

Первые динозавры появились в среднетриасовую эпоху. Однако подлинного расцвета эта группа достигла в юрский и меловой периоды (наибольшее видовое разнообразие и широкое распространение). Эти вымершие пресмыкающиеся относятся палеонтологами к двум отрядам — ящеротазовых и птицетазовых. Они появились независимо друг от друга и прошли в мезозое сложный путь развития, завоевав разные среды. Одни из них жили в воде, другие — на суше, третьи поднялись в воздух. Самыми известными представителями можно считать стегозавров, листозавров, бронтозавров, ихтиозавров, диплодоков, тираннозавров и птеродактилей. Меньше всего динозавров водилось в центральных, глубоководных районах океана. Зато прибрежные зоны, особенно лагуны и глубоко вдававшиеся в сушу заливы, были основными ареалами их обитания. Ихтиозавры питались рыбой, моллюсками, другими морскими животными. Диплодоки — крупнейшие травоядные животные, достигавшие 25–26 м в длину, обитали на мелководье, по берегам не только морей, но также озер и рек. Эти животные имели массивное туловище, огромный сильный хвост и мощные лапы. Длинная шея заканчивалась маленькой по сравнению с другими частями тела головой. Отпечатки их пятипалых лап, сохранившиеся в затвердевшем карбонатном иле на плато Куштанг в Узбекистане, свидетельствуют о громоздкости и неповоротливости этих существ. Диплодоки занимали ту же экологическую нишу, что и современные бегемоты, т. е. мелкие водоемы тропической гумидной зоны с обильной растительностью на дне и по берегам. Полагают, что они редко вылезали на сушу, где им было тяжело передвигаться из-за огромного веса (40–50 т). Здесь они легко становились добычей хищников, в основном относимых к роду тераподов.

Наиболее известный плотоядный ящер — это тираннозавр, обладавший огромной зубастой пастью, мощными нижними и укороченными верхними конечностями. Он перемещался прыжками, опираясь на утолщенный хвост. Эти страшные хищники охотились в основном на крупных травоядных пресмыкающихся — стегозавров, спина и голова которых были защищены панцирем из одного-двух рядов треугольных костных пластин величиной до 1 м. Эти животные достигали 10 м в длину и перемещались на четырех конечностях, причем передние были короче задних. Тираннозавры достигали в длину 10 м, а в высоту 6 м.

Динозавры, как и рептилии, были холоднокровными животными, выводившими потомство путем откладывания яиц. Окаменевшие кладки динозавров время от времени находят в меловых отложениях Средней Азии, в пустыне Гоби и в других регионах. Особый интерес писателей-фантастов нынешнего и прошлого веков (В. А. Обручева, А. Конан Дойля и др.) вызывали летающие ящеры — птерозавры, иначе птеродактили. Это были первые позвоночные, поднявшиеся в воздух. Многие из них вели хищный образ жизни. Размах крыльев у самых крупных особей достигал 7 м при весе тела не более 14 кг. Однако найдены остатки и разнообразных мелких птеродактилей, не крупнее галки или синицы. Полагают, что птеродактили были далекими предками птиц. На это указывает хотя бы то, что птицы, как и рептилии, выводят потомство из яиц, хотя они и теплокровные животные. Об этом же свидетельствуют находки археоптерикса — юрской формы, имевшей уже оперение, что считается признаком теплокровности. Ведь птиц согревает не только теплая кровь, но и покров из перьев. Впрочем, первые настоящие птицы появились, видимо, гораздо позже, уже в меловое время. Археоптерикс еще не умел летать. Он только подпрыгивал, что позволяло ему жить как на земле, так и на деревьях.

Не менее интересным, чем сами динозавры, было время, в которое они жили. Позднеюрская и раннемеловая эпохи были отмечены быстрым расширением дна молодых океанов — Атлантического и Индийского. Северная Америка, слегка разворачиваясь по часовой стрелке (особенно сильно южным флангом), удалялась от Африки и Евразии. Рифтовые зоны, рассекшие Гондвану как в центре, так и на западе еще в конце юры, начали раскрываться, образовав цепочку солеродных бассейнов. Наконец, в позднем апте сюда проникла морская вода, а в раннем альбе произошло полное отделение Южной Америки от остальной Гондваны. С распадом Пангеи разделился и мир динозавров. Некоторые группы, обособившиеся уже после раздела ее на Лавразию и Гондвану, обитали только на материках северного полушария, другие — в южном. Так, остатки листозавров — обитателей пресноводных водоемов — встречаются только в меловых отложениях на материках южного полушария. Такое странное их расселение и натолкнуло А. Вегенера в начале нашего столетия на мысль о дрейфе материков.

Расширение молодого и относительно неглубокого ложа Атлантики и Индийского океана сопровождалось затягиванием в зоны субдукции и разрушением океанической коры древних тихоокеанских литосферных плит — Фаралон и Кула. Поверхность ложа в пределах этих плит была погружена на глубину нескольких тысяч метров, так как подстилалась древней и остывшей корой. Те же процессы происходили и на окраинах океана Тетис. Быстрое исчезновение глубоководных котловин в этих океанах за счет разрастания относительно неглубокого ложа молодых океанических бассейнов привело в конечном итоге к вытеснению огромных масс морской воды, которая хлынула на континенты. Началась эпоха великих меловых трансгрессий. Ими были отмечены позднеальбское, сеноман-туронское и сантон-кампанское время. Уровень океана в эпохи этих трансгрессий поднимался на 150–200 м, а в сеномане и туроне и более, выше современного. Низменные пространства на материках, в основном на древних платформах, оказались надолго покрытыми водой. В этих-то обширных и неглубоких эпиконтинентальных водоемах обитали динозавры. Площадь суши в позднемеловую эпоху сузилась, как никогда. Климат, и до того теплый, из-за испарения с огромных водных пространств стал повсеместно влажным. Горы и возвышенности, выступавшие над водой, покрылись буйной растительностью. Под пологом лесов стали развиваться коры выветривания. Поступление терригенного материала с суши в моря и океаны резко сократилось, а сам этот материал во многих районах окрасился в красный цвет из-за обогащения оксидами железа.

Все это привело к небывалому расцвету морской фауны и флоры. Верхнемеловые отложения в разных районах Земли сложены органогенными известняками, переполненными макро- и микрофауной. Особенно большое распространение получил мел — тонкозернистый микропористый известняк, пачкающий пальцы и одежду. Он сложен мельчайшими фрагментами нанопланктона, видимыми только в поле сканирующего электронного микроскопа при увеличениях в сотни и тысячи раз. Речь идет о кокколитах — остатках золотистых водорослей. Они обитают и поныне в верхнем, фотическом слое теплых морей и строят поддерживающий каркас из низкомагнезиального кальцита.

На многих континентальных окраинах, например в южной периферии океана Тетис, на атлантической окраине Северной Америки, в Мексиканском заливе, продолжался быстрый рост мощных рифовых массивов. Накопление карбонатов происходило на обширных приливных равнинах, в многочисленных лагунах и заливах, а кое-где и в центральных районах океанов. Терригенные, в том числе грубые, осадки формировались главным образом в пределах Тихоокеанского кольца, т. е. на окраинах Северной Америки, Азии, отчасти и в Южной Америке, и вокруг островов ряда вулканических дуг.

В целом позднемеловая эпоха вошла в геологическую историю как время карбонатонакопления. При этом органическое вещество почти не попадало или не сохранялось в осадках. Большая его часть разлагалась и возвращалась в круговорот. В итоге верхнемеловые отложения редко рассматриваются как нефтематеринские. С ними, однако, связаны в бассейне Персидского залива крупные месторождения нефти, в меньшей степени газа, что связано с хорошими коллекторскими свойствами карбонатного комплекса этого возраста. Основные же вместилища залежей углеводородов находятся в нижнемеловых отложениях. В них сосредоточены огромные запасы углеводородного сырья. Вообще же меловые отложения — самые богатые нефтью и газом образования на окраинах континентов, где открыты основные ресурсы этих горючих ископаемых (20,7 млрд т нефти и 3,7 трлн м3 газа. [Геодекян и др., 1988]).

Меловой период завершился маастрихт-датской регрессией моря. Его уровень значительно понизился, но все еще был существенно выше современного. Рубеж мела и палеогена (66 млн лет назад) ознаменовался удивительными событиями: произошло коренное обновление фауны и флоры. Множество видов, родов и классов животных и растений вымерли, среди них и динозавры. Место последних заняли млекопитающие и птицы. Широко распространились голосеменные и покрытосеменные растения. В приполярных районах началось похолодание. Мир некоторыми своими чертами стал походить на тот, в котором мы живем.

Внезапность этой метаморфозы до сих пор продолжает будоражить умы. В конце 70-х годов Л. Альварес, Ф. Азаро и Э. Майкл из Калифорнийского университета обнаружили в пограничных между мелом и палеогеном (66 млн лет) слоях горизонт, обогащенный иридием — элементом, совершенно не характерным для верхних оболочек Земли. Эта находка была сделана в горах Губбио в Италии. В течение нескольких лет тот же иридиевый слой был идентифицирован в различных районах мира: Западной Европе, Северной Америке и в других местах. Упомянутые авторы высказали предположение о внеземном источнике этого элемента. Согласно этой гипотезе, Земля в конце мелового периода встретилась на своем пути с огромным болидом или каким-то другим небесным телом, которое, попав в поле тяготения планеты, упало на нее, сгорев в атмосфере.

Иридий рассеялся над Землей и попал в конечном итоге в осадки, в том числе и в донные.

Однако космическая катастрофа, если она была на самом деле, должна была вызвать не только рассеяние иридия. Облако пыли и газов, поднятое от падения небесного тела и горения его в атмосфере, могло быть настолько большим, что наступило бы длительное (несколько месяцев) помутнение воздуха, когда солнечные лучи не могли бы пробиться на землю. По мнению Л. Альвареса, если удар болида пришелся на сушу, это должно было вызвать значительное похолодание. Если же остатки небесного тела упали в океан, то, напротив, усилился бы парниковый эффект, т. е. на короткое время значительно потеплело бы. Выпавшие горячие азотнокислые дожди способны были растворять карбонатные остатки и скелеты животных.

У. Уолбач, изучавшая в Чикагском университете образцы отложений, обогащенных иридием, в поле электронного сканирующего микроскопа, обнаружила в них частички сажи. Ее находка может свидетельствовать о гигантском пожаре на поверхности Земли после падения небесного тела. По мнению У. Уолбач, в результате гигантского пожара, полыхавшего на суше 66 млн лет назад, сгорело до 90 % всей наземной растительности. Руководитель удачливой аспирантки Э. Андерс полагает, что падение небесного тела диаметром более 10 км, эквивалентное взрыву всех запасов ядерного оружия, помноженному во много тысяч раз, должно было вырыть кратер диаметром до 300 км. «Огромный огненный шар уплотнил атмосферу, — считает он. — Его радиус составил тысячу километров. Ветры со скоростью сотен километров в час охватили всю планету в течение считанных часов, высушивая деревья, как волосы, гигантским феном. Температура в 2000° вызывала испарение горных пород, которое распространилось очень быстро. Вероятно, происходили их конденсация и выпадение в раскаленном виде, что было причиной вторичных пожаров» [Гор, 1989].

Такой сценарий, подобный апокалипсису, вряд ли реален. Ведь при катастрофе подобных масштабов должны были погибнуть не только динозавры, но и все другие животные, да и большинство растений, прежде всего высших. Вода бы в океанах закипела, и все живое в его верхнем слое должно было свариться. Это не только бы не ускорило эволюцию органического мира, но отбросило бы ее на многие десятки миллионов лет назад. Между тем иридиевый горизонт и перекрывающие его слои отнюдь не обогащены скелетными остатками или органическим веществом, хотя после описанного выше катаклизма земля и моря неминуемо превратились бы в гигантское кладбище. Да и скелеты погибших динозавров не были обнаружены ни в самом иридиевом слое, ни в соседних с ним пластах. Таким образом, если и было столкновение с крупным космическим телом, то не оно (во всяком случае, не только оно) стало причиной драматических перемен в животном и растительном царстве на рубеже мела и палеогена. Последние, кстати сказать, произошли постепенно, как бы исподволь. Так, млекопитающие уже доминировали 70 млн лет назад, т. е. за 4 млн лет до катастрофы, и за это время смогли значительно потеснить архаичных своих предшественников. Окончательное же их вымирание могло произойти вследствие существенных изменений климата и ландшафтных обстановок на суше, а также трансформаций существовавшей до того системы океанических течений. Что же подготовило эти изменения? Чтобы дать ответ, попробуем сначала представить себе климаты прошлого.

Климаты прошлого

Водный баланс между континентами и океаном (иначе говоря, круговорот водных масс между ними) определяется главным образом двумя факторами: соотношением площадей суши и водных пространств (океанов и эпиконтинентальных морей); распределением континентальной суши по широтам. Естественно, чем больше площадь суши, тем меньше зеркало вод, с которого происходит испарение влаги. Отсюда и меньший объем атмосферных осадков, выпадающих над континентами. Сложнее обстоит дело с тем, какую роль играет распределение площади материковой суши по географическим широтам, и в частности с тем, как оно влияет на баланс атмосферных осадков. Геологические данные показывают, что наиболее засушливый климат на материках устанавливался в эпохи, когда они сходились вместе, образуя гигантские конгломераты. Подобная ситуация имела место в конце докембрия и в интервале от позднего карбона до середины триаса (вспомним Пангею). Как показали расчеты [Tardy et al., 1989], уровень водного стока в перми и триасе был самым низким за весь фанерозойский этап эволюции (570 млн лет) и приближался к современному объему стока, равному, по данным указанных авторов, 0,397x1020 г/год.

Напротив, гумидными были меловой период (130-66 млн лет назад), поздний силур-девон (415–350 млн лет назад) и кембрий (570–510 млн лет назад), когда материки были рассеяны по поверхности Земли. В меловое время объем выпадавших над континентами осадков составлял около 0,5·1020 г/год, что примерно на 20 % выше современных значений. В триасе он снизился до 0,35 1020 г/год, в основном вследствие того, что значительные массивы суши находились в то время в пределах широт, где господствуют субтропические и засушливые условия (рис. 8). Наивысший уровень атмосферных осадков (и испарения) был характерен для кембрийского периода, когда многие крупные континентальные массивы располагались вблизи экватора (рис. 9). Оценка скоростей осадко-накопления по величине отношения изотопов стронция (87Sr/88Sr) подтверждает эти выводы.

Рис. 8. Положение материков (а) и распределение площади, занятой материками и океанами в различных широтах (6), в начале триасового периода [Tardy ei al., 1989] 1 — континенты; 2 — горные хребты и вулканические дуги; 3 — океаны

Рис. 9. Положение материков (о) и распределение площади, занятой материками и океанами в различных широтах (б), в раннекембрийскую эпоху [Tardy el al., 1989] Условные обозначения те же, что и на рис. 8

Другие влагообильные периоды в фанерозойскую стадию развития планеты, а именно девонский, меловой и палеогеновый, также характеризовались высокими скоростями аккумуляции толщ отложений. С другой стороны, карбон, пермь и триас, отмеченные равномерной группировкой континентальных масс по широтам в составе единого материка Пангея, отличались весьма пониженными скоростями их формирования. Не в последнюю очередь это было связано с малыми объемами выпадавших над сушей атмосферных осадков, со слабо протекавшими химическими процессами выветривания и с незначительным количеством смываемых с суши в океан продуктов эрозии. К тому же и площадь шельфов явно сократилась по сравнению с периодами фрагментации континентальной литосферы. А шельфы и соседний с ними континентальный склон были и остаются основными областями аккумуляции карбонатных и кремнистых отложений.

Наивысший размах денудация суши приняла в девонский период, хотя он и уступает в этом отношении современной эпохе: по данным исследователей, современные значения достигают 108·106 т/км2/млн лет.

Таким образом, в геологической истории Земли отчетливо выделяются эпохи преобладания гумидного и аридного климатов на суше. Кроме того, следы обширных оледенений, не уступавших по масштабам плейстоценовым, свидетельствуют о том, что климат менялся от теплого до холодного (по крайней мере в высоких и умеренных широтах). В фанерозое оледенениями были отмечены позднеордовик-силурийское время (Северо-Африканский кратон, отчасти Бразильский щит), поздний карбон — пермь и ранний триас (Южная Африка, Южная Америка и Антарктида), наконец, плейстоцен (северные районы Евразии и Северной Америки, Антарктида). Последнее похолодание, достигшее максимума в четвертичное время, началось в высоких широтах гораздо раньше. Так, ледовая шапка Антарктиды стала образовываться еще в олигоцене, а по некоторым данным даже в эоцене. Одним словом, земной климат долго эволюционировал от теплого в мелу до холодного, прежде чем началось глобальное оледенение, затронувшее в плейстоцене не только высокие, но и умеренные широты.

Не выясненным до конца остается одно очень важное обстоятельство: существовали ли ледовые шапки на полюсах постоянно (в позднем докембрии и фанерозое), или они формировались лишь в редкие эпохи глобального похолодания климата? Еще недавно большинство специалистов не сомневались в ответе на этот вопрос. Да, говорили они, ледниковый панцирь в высоких широтах — непостоянное явление. Он образуется лишь на некоторых этапах при определенном сочетании космических факторов (положение Солнца относительно центрального ядра Галактики и уровень активности самого Солнца) и астрономических (наклон земной оси, прецессия и др.). До недавнего времени еще бытовало убеждение, что при соблюдении этих условий климат на Земле становился настолько теплым, что субтропическая растительность произрастала даже вблизи полюсов, если там, конечно, была суша.

Необходимо отметить, что при всей важности совместного действия перечисленных факторов не меньшее значение имели и чисто земные обстоятельства. Одно из них, как говорилось выше, — это особенности расположения материков на поверхности планеты. Их объединение в крупные конгломераты, когда значительные площади суши оказываются вблизи полюсов, создает благоприятные предпосылки для развития широкомасштабного оледенения. Этому условию отвечают все фанерозойские эпизоды, с которыми связано образование обширного ледникового панциря на ряде континентов.

В последние годы стали накапливаться данные, указывающие на то, что ледники (не только горные), пусть и в «зачаточной» форме, существовали даже в один из самых теплых геологических периодов — меловой. Интересные результаты дали исследования серии Билдинг-Шейл во впадине Эроманга в центральных районах Австралии. Здесь среди темно-серых глин и алевролитов валанжин-альбекого возраста были обнаружены валуны и глыбы докембрийских кварцитов и вулканитов диаметром свыше 3 м. Валуны и более мелкие обломки встречаются поодиночке либо группами, располагаясь вдоль поверхностей, разделяющих отдельные горизонты. В большинстве своем они несут признаки окатывания в прибрежных условиях. Взаимоотношения между глыбами и вмещающими осадками указывают на ледовый разнос крупного материала (рис. 10). На других континентах также были встречены аналогичные образования, имеющие возраст от среднеюрского до среднемелового. Полагают, что они сформировались в высоких широтах (65–70° ю. ш.). Приведенные данные свидетельствуют о том, что ледовые шапки на полюсах могли существовать на протяжении большей части мезозоя [Frakes, Francis, 1988).

Рис. 10. Местоположение находок раннемеловых отложений ледового разноса [Frakes, Francis, 1988]

Изучение стабильных изотопов кислорода в раковинах из меловых отложений Австралии и Антарктиды позволяет представить в первом приближении порядок среднегодовых температур, господствовавших в этих регионах. Они оказались довольно низкими для этого интервала геологического времени, считавшегося самым теплым за последние 300–250 млн лет. Эти значения для южных районов Австралии в позднем мелу не превышали +11…+ 13 °C, в районе Антарктиды на островах Дж. Росса и Верд в сантоне и кампане + 13,6 °C, а в Маастрихте +11,7 °C. Согласно этим данным, в зимние сезоны температура в этих регионах могла, по-видимому, опускаться ниже 0° [Perrie, Marshall, 1990].

Все вышесказанное подтверждает предположение, что на полюсах действительно могли существовать в рудиментарном виде ледовые шапки, сохранившиеся с периодов господства ледового климата. Хотя палеогеографические и палеоклиматические данные и подтверждают наличие связи между изменениями параметров земной орбиты (наклон земной оси, прецессия и др.), носящими цикличный характер, и определенными трансформациями климата, также цикличными, но основные долговременные тенденции контролировались другими факторами. Прецессионные циклы записаны, например, в глубоководных осадках Южной Атлантики позднемелового-раннетретичного возраста [Herbert, D'Hondt, 1990]. В этом разрезе с тонким переслаиванием мергелей и известняков хорошо проявлена повторяемость, отражающая интервалы времени продолжительностью 23,5±4,4 тыс. лет. Другие циклы, обусловленные изменениями угла наклона земной орбиты и эксцентриситета, имеют длительность соответственно 41 тыс. лет и примерно 127 тыс. лет. Периодичности разного типа определялись в геологическом прошлом скоростью вращения Земли и расстоянием между Луной и нашей планетой. Впрочем, эксцентриситет зависит только от параметров земной орбиты. Не радикальные изменения климата, носившие в основном плавный и не драматичный характер, влияли на продуктивность карбонатстроящего фитопланктона, обитавшего в поверхностных водах Южной Атлантики. По колебаниям величины биологической продуктивности (о чем можно судить по содержанию карбоната кальция в донных осадках) можно определить характер и длительность тех циклов, которые были обусловлены изменениями параметров земной орбиты.

Вместе с тем, согласно последним данным, здесь еще далеко не все ясно. Об этом, в частности, говорят результаты исследования изотопного состава натечных карбонатных корок из пещеры Дьявола в штате Невада (в США), формировавшихся на стенках этой пещеры в течение последних тысячелетий. Изучение слоев корок с возрастом 200-50 тыс. лет позволило проследить колебания температуры в пещере на протяжении значительного промежутка времени. Кривая колебаний температуры, построенная по изотопным данным, значительно отличается от аналогичной кривой, которая была выведена по результатам исследования изотопного состава карбонатов в морских осадках того же возраста. Отсюда можно заключить, что изменения параметров земной орбиты не влияли на наступление ледниковых эпох. Согласно кривой, построенной по морским осадкам, одно из оледенений в плейстоцене завершилось 130–127 тыс. лет назад, когда северного полушария стало достигать максимальное количество солнечных лучей благодаря изменению угла наклона земной оси. Результаты же исследования в пещере Дьявола говорят о том, что потепление наступило на 17 тыс. лет раньше [Monastersky, 1988].

Геологические и биологические регуляторы климата

Как известно, состав земной атмосферы в докембрии изменился с появлением и развитием жизни на планете. Первые простейшие микроорганизмы «выели» метан и другие углеводороды, а их потомки, освоившие фотосинтез, — огромные количества углекислого газа, господствовавшего в первичной атмосфере. В ее составе стал преобладать азот при постепенно повышавшемся содержании кислорода. Очевидно, что уже на заре развития биосферы живые организмы оказывали решающее воздействие на состав воздушной среды и газовую составляющую океанов, а через эти параметры и на климат всей планеты. Несомненно, что позднее, когда жизнь распространилась на континенты, освоила центральные районы океана и его дно, ее способность влиять на климат Земли еще более усилилась. Механизм этого влияния реализуется, по-видимому, через усиление или ослабление парникового эффекта.

Действительно, стоило увеличиться концентрации углекислого газа в атмосфере всего лишь на 25 %, а это произошло за последние 30 лет, как среднегодовая температура в умеренных широтах сразу же стала повышаться. Известно, что из 10 самых теплых зим, наблюдавшихся в нашем столетии в северном полушарии, восемь пришлись на 80-е годы, когда содержание углекислого газа в воздухе достигло 0,035 % против 0,028 % в середине века. Что же произойдет, если концентрация этого газа удвоится, т. е. достигнет 0,07 %? Ученые утверждают, что это вызовет катастрофические для человечества последствия. Среднегодовая температура возрастет в экваториальном поясе на 1,5 °C, а в высоких и умеренных широтах на 3–4 °C. Льды Антарктиды и Гренландии начнут быстро таять, что будет сопровождаться повышением уровня океана и морей. Огромные массивы суши окажутся затопленными. Произойдет то, что неоднократно наблюдалось как в плейстоцене, так и на протяжении всей геологической истории Земли, т. е. трансгрессия моря.

Следовательно, наличие или отсутствие парникового эффекта является важнейшим фактором, определяющим климат планеты. Очевидно, что количественные флуктуации в составе атмосферы, вызывающие серьезные последствия, весьма невелики. Двести лет промышленной революции, за которые было сожжено, по-видимому, около биллиона тонн ископаемого топлива, привели к усилению парникового эффекта, что, в свою очередь, обусловило заметное потепление климата. Всего 200 лет. Несомненно, что и в прошлом мог действовать механизм, связанный уже не с антропогенным воздействием, а с жизнедеятельностью организмов. Основными участниками процессов, контролирующих баланс кислорода и углекислого газа в атмосфере, в последние 400–300 млн лет остаются фитопланктон, обитающий в верхнем, фотическом слое океанских вод, бентос и высшая наземная растительность. Немаловажное значение имеет и направленность седиментационных процессов.

Напомним, что большинство морских организмов строят раковины или другие скелетные компоненты из карбоната кальция. Некоторые же представители фитопланктона используют кремнезем. После гибели организмов органическое вещество — слагаемое живых клеток — в большинстве седиментационных обстановок разлагается. В осадках фоссилизируется не более 0,2–0,4 % Сорг, участвующего в круговороте. Накопление значительного количества органического вещества происходит в болотных и озерных водоемах на суше, а также в полузамкнутых морских бассейнах с застойным гидрологическим режимом. В океанах такими зонами являются континентальные склоны, особенно в областях устойчивого подъема глубинных вод, и в меньшей степени приливно-отливные равнины или лагуны. Если органическое вещество, за исключением малой его части, не переходит в ископаемое состояние, то большая часть скелетных остатков достигает дна, формирует здесь осадки и таким образом выводится из круговорота веществ. Правда, в глубоководных океанских котловинах существует критическая глубина карбонатонакопления. Ниже ее карбонатные остатки, в основном раковинки фитопланктона, не проникают, растворяясь полностью. В современную эпоху эта глубина равна около 4500 м. Зато на континентальных окраинах, где накапливается до 80 % всех осадков океана, основная масса скелетных карбонатных остатков, в том числе рифы и другие постройки, не разрушается, образуя мощные осадочные толщи. Вместе с ними связываются и выводятся из оборота огромные количества кальция и углекислого газа, растворенных в морской воде.

Оптимальные условия для развития карбонатстроящих организмов существуют в низких и субтропических, отчасти в умеренных широтах, т. е. в теплых водах. Поэтому в эпохи глобального потепления климата ареалы распространения организмов с карбонатной функцией резко расширяются, захватывая умеренные, а иногда и высокие широты. Потепление, как известно, сопряжено с таянием ледников и повышением уровня океанских вод, нередко значительным. Это, в свою очередь, влечет за собой сокращение площади суши и расширение морского мелководья, которое в условиях некоторого снижения терригенного сноса с суши заселяется преимущественно карбонатстроящими организмами. Повышение уровня вод способствует быстрому росту рифов.

Теплый и влажный климат благоприятствует буйному развитию высшей растительности на суше, что при условии захоронения древесных остатков усиливает изъятие углекислого газа при одновременном обогащении воздушной среды кислородом. С течением времени описываемая последовательность событий неизбежно реализуется в сокращении концентрации углекислого газа в воздухе, а в конечном итоге и в снятии парникового эффекта. Результатом происшедшего сдвига становится постепенное похолодание климата, так как значительная часть солнечного тепла, достигающего верхних слоев атмосферы, начинает рассеиваться в космосе. Ледовый панцирь на полюсах постепенно разрастается, начинается оледенение, захватывающее умеренные широты. Вместе с тем происходит расширение области распространения холодных вод в океане, усиливается активность придонных течений, несущих кислород, и апвеллинговых процессов.

Как следствие, ареал обитания организмов с карбонатной функцией, а также высшей наземной растительности резко сокращается. Место карбонатного планктона занимает кремнистый: диатомовые, перидиниевые водоросли, силикофлагелляты, радиолярии. Биологическая продуктивность диатомовых и перидиниевых водорослей при наличии в среде биогенных элементов на несколько порядков выше продукции карбонатного планктона. Поэтому в эпохи похолодания на огромных пространствах океанского дна в холодных, умеренных и отчасти в тропических широтах (где обитают радиолярии) накапливаются кремнистые осадки. В зонах подъема глубинных вод эти последние существенно обогащаются органическим углеродом (1,5–5 % и выше), который попал на дно вместе с остатками диатомей и других организмов. Перевод атмосферного углекислого газа в органический углерод осадков называют действием «углеродной помпы». Она также усиливает эффект похолодания. Одновременно, однако, активизируются седиментационные процессы, протекающие с участием молекулярного кислорода.

Когда говорят об «углеродной помпе», обычно не учитывают, что органическое вещество в осадках из зоны апвеллинга относится к особому, амикагиновому типу [Вассоевич, Конюхов, Лопатин, 1976]. В структуре слагающих его гетерополиконденсатов связано много кислорода, азота и серы (N до 6 %, отношение Н/Сат достигает наивысших значений, 1,4–1,45). Разрушение этих гетерополиконденсатов и облагораживание органического вещества за счет удаления кислорода, азота и серы произойдут лишь при погружении вмещающих отложений в глубокие недра спустя миллионы лет. Таким образом, вместе с углеродом в органике амикагинового типа на долгое время связываются многие другие элементы, в том числе и входящие в состав атмосферы.

По соседству с углеродистыми, слабодиатомовыми осадками в зонах подъема глубинных вод формируются многие аутигенные образования, в том числе глаукониты, фосфориты, цеолиты. Хотя рост этих стяжений протекает очень медленно, масштабы аутигенеза подобных осадков весьма значительны. Только на континентальном склоне Западной Сахары глауконитовые пески и алевриты занимают, согласно нашим исследованиям в 1990 г., полосу протяженностью около 500 км в диапазоне глубин от 500 до 2500 м. Огромные поля глауконитовых песков оконтурены и в других зонах апвеллинга. В кристаллической решетке этих слоистых силикатов, аналогичной структуре трехэтажных глинистых минералов, находится много атомов кислорода. В эпоху похолодания усиливается «проветривание» океанских и морских глубин, ведущее к образованию (или утолщению) верхнего, окисленного слоя донных осадков. На это также расходуются значительные массы кислорода (в том числе на перевод закисных форм железа в оксиды), растворенного в воде, куда он поступает из атмосферы.

В эпохи похолодания на суше усиливается контрастность климатических условий. В пересыхающих водоемах обширных аридных поясов активно формируются псевдослоистые силикаты — сепиолит и палыгорскит. В структуре этих новообразованных минералов также связывается много растворенного в воде кислорода. Не просто подсчитать, какое количество последнего расходуется в отмеченных выше процессах. Несомненным, однако, является то, что его «потребление» в седиментационных процессах в эпохи похолодания значительно выше, чем в периоды господства теплого климата.

Движение ледников сопровождается эрозией обширных пространств суши. Разрушению подвергаются самые разнообразные породы, в том числе известняки и доломиты. Однако если большинство других образований в виде обломков разной величины остаются в моренных грядах или сносятся в конечные водоемы стока, то мелкие карбонатные зерна при переносе разрушаются полностью. Значительное количество углекислого газа, некогда связанного в их составе, возвращается в воду и воздух.

Благодаря перечисленным выше факторам, а также вследствие накопления продуктов вулканических извержений, окисления органического вещества, метана и нефтяных углеводородов, просачивающихся к поверхности, наконец, из-за лесных и степных пожаров равновесие вновь начинает смещаться в сторону повышения роли углекислого газа в атмосфере. Похолодание постепенно сменяется потеплением, ледники начинают отступать и таять. Маятник снова качнулся в другую сторону.

Вот как, на наш взгляд, действуют биологические и седиментологические механизмы регуляции климата, приводимые в действие главным образом живыми организмами. На одной стороне биологических «качелей» находится кремнестроящий фитопланктон, на другом — организмы с карбонатной функцией и высшая наземная растительность. На длительность периодов похолодания, потепления и перестройки климата от одного состояния к другому влияет, естественно, множество факторов, в том числе астрономические и тектонические. Так, резкое повышение вулканической активности приводит сначала к помутнению верхних слоев атмосферы, отражению части солнечных лучей и тепла в космос, что способствует похолоданию. Однако связанное с извержениями поступление углекислого газа в воздушную среду в долговременном плане должно приводить к глобальному потеплению климата.

Можно думать, что в течение длительных промежутков геологического времени, по крайней мере в фанерозое, сохранялось устойчивое равновесие между потреблением и поступлением в атмосферу таких важнейших ее составляющих, как кислород и диоксид углерода. Причины, приведшие к существенному нарушению сложившегося баланса, имели, скорее всего, тектоническую природу (рис. 11). Позднепалеозойское оледенение в гондванской части Пангеи закончилось одновременно с распадом этого суперматерика, начавшимся с углубления и расширения реликтового океана Тетис. Об этом свидетельствует накопление в центральных его котловинах радиоляриевых илов, ныне обнажающихся в Альпах, Апеннинах, Оманских горах, а в позднем триасе и юре накапливавшихся ниже уровня карбонатной компенсации. Однако на обширных шельфах и континентальных склонах, окружавших океан, господствовала аккумуляция карбонатов. Дальнейший распад Пангеи на фрагменты и раскрытие молодых неглубоких океанов резко расширили площадь шельфов, подводных склонов и неглубоких котловин, которые стали на долгое время областями накопления карбонатных осадков. Глобальные же трансгрессии моря в позднеюрскую и особенно в позднемеловую эпохи привели к еще большему распространению организмов с карбонатной функцией и благоприятствовали рифостроительству. За несколько десятков миллионов лет огромные количества углекислого газа были связаны в виде карбоната кальция, образовавшего мощные толщи известняков и доломитов на континентальных окраинах океанов Тетис, Атлантического и Индийского. Уже к концу мела климат на полюсах стал заметно меняться. Об этом свидетельствует анализ органических остатков, состава растительных сообществ, а также колец роста и сосудистой системы окаменевших деревьев в районе арктического склона Аляски. В позднем мелу этот регион располагался от 75 до 85°с. ш. Если в коньякский век среднегодовая температура близ Северного полюса достигала + 13 °C, то в Маастрихте и палеоцене она упала соответственно до + 5 и + 6… + 7 °C. В Маастрихте отмечалась некоторая аридизация климата в летние месяцы, а зимы стали морозными. Однако море вряд ли покрывалось льдами [Spicer, Totman, 1990]. В сеномане ледники сохранялись лишь на высотах более 1700 м, в Маастрихте они опустились до 1000 м.

Рис. 11. Площади, занятые континентами и океанами в различных широтах, в современную эпоху (а) и в фанерозое (б) ITardy el а!., 1989) Условные обозначения те же, что и на рис. 8

В высоких широтах южного полушария также отмечается похолодание, начавшееся в Маастрихте, т. е. до предполагаемого столкновения Земли с небесным телом, вызвавшего глобальный катаклизм. Небезынтересно отметить, что именно в Маастрихте произошло закрытие южного рукава океана Тетис и сближение Аравийско-Африканского континентального блока с Евразией. Тем самым тенденция к распаду материков сменилась тенденцией к их объединению. Первые признаки похолодания, зафиксированные в Маастрихте, обозначили лишь точку перелома, от которой началось смещение климатического маятника в сторону глобального понижения температуры. Однако только по прошествии 60 млн лет это привело к широкомасштабному оледенению.

За 300 млн лет до того к такому же похолоданию, вернее, к перелому тенденции от потепления к похолоданию привело пышное развитие высшей растительности на континентах (каменноугольный период). Вместе с древесными остатками, давшими начало многочисленным скоплениям угля, в недрах было захоронено огромное количество углерода, усвоенного растениями в процессе фотосинтеза и разложения углекислого газа атмосферы. Начавшемуся в позднекаменноугольную эпоху в южном полушарии оледенению благоприятствовало, как подчеркивалось выше, помимо указанного фактора, объединение континентов в гигантский суперматерик. Как видим, уже в то время действовали биологические и седиментологические «качели». Так, накопление карбонатов, достигшее максимума в девоне, постепенно сменилось во многих районах формированием кремнистых толщ — фтанитов, которые широко распространены в Уральском регионе, Северном Казахстане, на тихоокеанской окраине Северной Америки (Скалистые горы) и в других местах. Похолодание в позднем карбоне привело, таким образом, к вытеснению карбонатстроящих организмов холоднолюбивыми кремнистыми. Стали преобладать процессы, приведшие к снижению потребления углекислого газа и увеличению расхода кислорода.

Такова в общих чертах схема, позволяющая увязать трансформации климата на Земле в геологическом прошлом с тектоническими, биологическими и седиментационными процессами, протекающими у ее поверхности и в недрах.

Заключение

Анализируя изменения погодных условий по сезонам, фиксируемые в северном полушарии в последние годы, многие ученые приходят к выводу, что на Земле уже установился режим парникового эффекта. А коли так, то граничный уровень содержания углекислого газа в атмосфере, определяющий возникновение парникового эффекта, равен приблизительно 0,03-0,35 %. Удвоения этих значений ожидают к середине следующего столетия. В связи с этим на страницах популярных и научных журналов появляются самые разнообразные, зачастую противоречащие друг другу прогнозы. Большинство исследователей предрекают надвигающуюся экологическую катастрофу. Она будет заключаться прежде всего в непредсказуемых и необратимых изменениях климата, а также в повышении уровня вод Мирового океана на 1,5–2 м вследствие быстрого таяния антарктических и гренландских льдов уже в первые десятилетия следующего столетия. Видный советский ученый М. И. Будыко, а вслед за ним и академик A. Л. Яншин, проанализировав эту проблему с палеогеографических позиций, приходят к выводу, что назревающие климатические изменения в целом будут благоприятны для многих регионов [Яншин, 1989].

Дело в том, что повышение среднегодовой температуры должно сопровождаться возросшим испарением воды с поверхности морей и океанов, а это приведет к увлажнению климата прежде всего в умеренных широтах. Последнее же создаст благоприятные условия для сельскохозяйственного производства, в частности позволит продвинуть многие культуры, выращиваемые ныне только на юге, дальше на север. Многие пустыни и полупустыни будут напоены водой и станут пригодными для обживания людьми.

В недавней истории нашей планеты известны так называемые плювиальные эпохи, приуроченные к относительно коротким временным интервалам, отделявшие один ледниковый максимум от другого. С этими эпохами были связаны буйное развитие наземной растительности, превращение Сахары, среднеазиатских и аравийских пустынь в саванну, а также накопление сапропелей в глубоководных котловинах Средиземного и Красного морей, другие события. Согласно данным изотопного анализа, среднегодовая температура в межледниковые эпохи поднималась в умеренных и высоких широтах на 1,5–2° выше современной. Не следует, однако, забывать, что увлажнение климата в плювиальные эпохи происходило благодаря не только повышенному уровню испарения с поверхности морей и океанов, но и таянию материковых льдов, которые сейчас отсутствуют. При этом ледовый панцирь Антарктиды, да и льды Гренландии «пережили» эти эпохи, хотя частичное их таяние происходило. Иначе трудно понять, за счет каких источников уровень океана поднимался до отметки 10–15 м против современного.

Следовательно, опасность затопления низменных участков побережья в будущем вполне реальна. Даже повышение уровня морских вод на 1–2 м создает серьезную угрозу для некоторых стран, например Голландии, отчасти Египта, Нигерии и Бангладеш. Вопрос лишь в том, как скоро это случится: в следующем веке или через два-три столетия. Не исключено, что под угрозой окажутся плавни Кубани и Дона, низовья Днепра и Дуная, некоторые прибрежные районы Прибалтики и северных морей. Сильно расширится зеркало каспийских вод. Грядущие изменения будут способствовать возрождению Арала. Таким образом, несмотря на определенные потери, в целом для нашей страны предсказываемые изменения климата благоприятны. Жителям средней полосы России, видимо, придется распрощаться со снежными зимами, а для катания на лыжах выезжать на Урал или Кольский полуостров.

В более отдаленном будущем должны заработать регуляторные седиментационные механизмы, о которых говорилось в предыдущем разделе. Потепление вызовет более широкое распространение карбонатстроящего планктона и бентоса, а подъем уровня океана будет способствовать развитию коралловых рифов. Из воды и воздуха начнут извлекаться большие количества углекислого газа. В конце концов равновесие будет когда-нибудь восстановлено. Самую серьезную опасность для нашей цивилизации представляют уменьшение озонового слоя атмосферы, появление озоновых дыр, а также кислотные дожди при одновременной вырубке лесов, пополняющих кислородом воздушное пространство. Если эти процессы не приостановить в ближайшем будущем, начнется истощение кислородом грунтовых вод и почв, отравление внутренних бассейнов и прибрежных вод океана. Вслед за этим возникнут обширные зоны, непригодные для обитания людей. Экологическая катастрофа приобретает с каждым годом все более реальные очертания.

Литература

Алексеев В. П. В поисках предков. М.: Сов. Россия, 1972. 303 с.

Ахметов С. Ф. Беседы о геммологии. М.: Мол. гвардия, 1989. 240 с.

Вассоевич Н. Б., Конюхов А. И., Лопатин Н. В. Общее и особенное в образовании углей, нефти и углеводородных газов // Горючие ископаемые. М.: Наука, 1976. С. 7–19.

Геодекян А. А., Забанбарк А., Конюхов А. И. Тектонические и литологические проблемы нефтегазоносности континентальных окраин. М.: Наука, 1988. 176 с.

Гор Р. Экологические кризисы в истории Земли // За рубежом. 1989. № 38. С. 20–21.

Горсей Дж. Записки о России XVI-начала XVII в. М.: Изд-во МГУ, 1990.288 с.

Джафаров Г. Д. Легенды и правда об алмазах и бриллиантах. Баку: Элм, 1989. 100 с.

Здорик Т. Б. Изумруд // Природа. 1990. № 5. С. 36–40.

Колэн И. Кто же наши предки? // За рубежом. 1989. № 46. С. 20–21.

Лебединский В. И., Кириченко П. П. Книга о камне. М.: Недра, 1988. 192 с.

Лисицын А. П. Осадкообразование в океанах. М.: Наука, 1974. 438 с.

Матье М. Э. Во времена Нефертити. Л.; М.: Искусство, 1965. 119 с.

Матюшин Г. Н. У колыбели истории. М.: Просвещение, 1972. 255 с.

Менчинская Т. И. Бирюза. М.: Недра, 1989. 192 с.

Оппенхейм А. Древняя Месопотамия. М.: Наука, 1990. 319 с.

Пыляев М. И. Драгоценные камни, их свойства, месторождения и употребление. СПб., 1877. 196 с.

Сифр М. В безднах Земли. М.: Прогресс, 1982. 235 с.

Смертенко В. М. Хризолит // Природа. 1990. № 9 С. 48–51.

Смит Г. Драгоценные камни. М.: Мир, 1980. 586 с.

Соколов Б. С. Палеонтология докембрия и раннего кембрия. Л.; Наука, 1979. С. 5–17.

Сребродольский Б. И. Мир янтаря. Киев: Наук. думка, 1988. 144 с.

Уорд Ф. Изумруд — символ жизни // За рубежом. 1991 № 1. С. 17–19.

Ферсман А. Е. Очерки по истории камня. М.: Изд-во АН СССР, 1956. Т. 2. 372 с.

Церен Э. Библейские холмы. М.: Правда, 1986. 479 с.

Цикобер Л. И., Ахметов С. Ф. Аметист // Природа. 1990. № 2. С. 40–43.

Яншин А. Л. Опасен ли парниковый эффект? // Наука и жизнь. 1989. № 12. С. 22–25.

Buick R., Dunlop J. Evaporitic sediments of early Archaean age from the Warrawooma Group, North Pole, Western Australia // Sedimentology. 1990. Vol. 37. P. 247–277.

Fenies H., Allen, Faugeres J. C. Characterisation des dépots de chenaux de marée du bassin d'Arcachon // Bull. Inst. géol. Bassin Aquitaine. 1986. Vol. 39. P. 7–38.

Fitzgerald D., Penland S. Backbarrier dynamics of the East Friesland islands // J. Sediment. Petrol. 1987. Vol. 57. N 4. P. 746–754.

Frakes L., Francis J. A guide to phanerozoic cold polar climate from high-latitude ice-rifting in the Cretaceous // Nature. 1988. Vol. 333. P. 547–550.

Gross Т., Williams A., Nowell A. R. A deep-sea sediment transport storm // (bid. Vol. 331. P. 518–520.

Herbert T., D'Hondt S. Precession climate cyclicity in late cretaceous-early tertiary marine sediments: A high resolution chronometer of cretaceous-tertiary boundary events // Earth and Planet. Sci. Lett. 1990. Vol. 99. P. 263–275.

Kershaw S. Evolution of the Earth atmosphere and its geological impact // Geol. Today. 1990. Vol. 55. P. 55–60.

Monastersky R Devil's hole fires ice age debate // Sci. News. 1988. Vol. 134, N 23. P. 356–361.

Perrie D., Marshall J. High paleolatitude late cretaceous paleotemperatures: New data from James Ross island, Antarctica // Geology. 1990. Vol. 18. P. 31–34.

Schidlowsky M. A 3800 million-year isotopic record of life from carbon in sedimentary rocks // Nature. 1988. Vol. 333. P. 313–318.

Shinn E., Steinen R., Lidz B., Swart P. Whitings, a sedimentologic dilemma // J. Sediment. Petrol. 1989. Vol. 59, N 1. P. 147–161.

Spicer R., Totman P.J. Late cretaceous-early tertiary paleoclimates of northern high latitudes: A quantitative view // J. of Geol. Soc. 1990, Vol. 147. P. 329–341.

Tardy J., H-Kqunkou R., Probst J.-L. The global water cycle and continental erosion during phanerozoic time (570) m. y. // Arner. J. Sci. 1989. Vol. 289. P. 455–483.

Walker J. Precambrion evolution of the climate system // Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol. 1990. Vol. 82. P. 261–289.

Оглавление

Человек и камень

  Там, где обитали предки человека

  Древние каменные орудия

  Пещеры — дом, храм и мастерская

  Древние рудознатцы и каменотесы

Магия камня

  Посланцы из древнего мира

  Легенды и мифы о камнях

  Камень, происшедший от радуги

  Амулеты и талисманы, «роковые» камни

  Камни раздоров

  Камни вокруг нас

  Песчаники — застывшие русла рек, окаменевшие дюны и пляжи

  Что такое глина?

  Известняк — кладбище древних обитателей морей и озер

Яшмы — реликты дна океанов

  Соли — свидетели зарождения древних пустынь

  Уголь и горючие сланцы — окаменевшие леса и топи

Листая каменные страницы

  Главные персонажи

  Другие персонажи

  Время и место действия

  Метод актуализма, или Занавес приподнимается

В сонме земных стихий

  Великий транспортный конвейер

  Пахари Земли

  В царстве Эола

  Послушные власти Селены

  Сыновья Геи

  Сыпучие «волны» на дне морском

  Бездонные водовороты и мутьевые облака

  Реки без берегов

  Три возраста камня

    Рождение и младенчество (состояние осадка)

    Юность камня

    Пора зрелости

  Переход в новое состояние

  Специализация пород

Фрагменты из каменной летописи земли

  Планета простейших

  Великая революция

  Муссоны обрушиваются на сушу

  Растения и животные завоевывают сушу

  Материки — извечные скитальцы

  От рождения до распада: эволюция океана

  Век динозавров

  Климаты прошлого

  Геологические и биологические регуляторы климата

Заключение

Литература Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg