Ганжара Геология и ландшафтоведение

Географическое распространение вулканов. Современные вулканы размещены на земной поверхности очень неравномерно. Имеются обширные пространства, практически лишенные вулканической активности, такие как Европейская часть России или Западная Сибирь. С другой стороны существуют территории очень богатые вулканами, например о. Исландия или побережья Тихого океана.

Все районы современного вулканизма приурочены только к определенным тектоническим зонам, наиболее активным в течение четвертичного периода. На материках такими территориями являются зоны рифтогенеза — сильного прогрева и растяжения литосферы, молодые горноскладчатые сооружения и зоны перехода от континентов к океанам. В океанах вулканы концентрируются в пределах срединно-океанических и асейсмических горных хребтов (типа Китового и Гавайского), а так же они образуют вулканические дуги типа Алеутской или Курильской. Во всех случаях распределение вулканов контролируется глубинными разломами.

Такие же закономерности справедливы и для геологического прошлого.

Метаморфизм

К метаморфизму относят разнообразные эндогенные процессы, с которыми связаны изменения в структуре минералов и химическом составе горных пород. В исключительных случаях (при падении метеоритов) возможно проявление метаморфизма на поверхности Земли. Происходят эти процессы на различных глубинах в земной коре, в интервале температур от 100 до 900° под давлением от 100 до 10 тыс. атм., которое создается весом вышележащих толщ горных пород в условиях, отличающихся от их первоначального образования. В процессах метаморфизма принимают участие водные растворы, содержащие углекислоту, щелочные металлы и другие летучие, и хорошо растворимые минеральные вещества.

Процессы, происходящие в зонах выветривания и цементации, а также процессы плавления пород не относятся к метаморфическим.

Главными факторами метаморфизма горных пород являются: температура; давление гидростатическое или одностороннее;

химически активные флюиды и газы, как выделяющиеся из внедряющейся магмы, так и поступающие с больших глубин из мантии.

120

Метаморфические изменения заключаются в распаде первич- ных минералов, перегруппировке и образовании новых, устойчивых к новым условиям, минеральных видов. Сочетания различных факторов и форм проявления метаморфизма обусловили весьма разнообразный характер преобразования горных пород. В зависимости

от преобладающих факторов метаморфизма выделяют несколько его типов: региональный метаморфизм; ультраметаморфизм; контактовый метаморфизм; динамометаморфизм (дислокационный, катакластический); автометаморфизм и импактный

метаморфизм.

Региональный метаморфизм — это метаморфизм относительно невысоких температур и умеренных давлений. Он охватывает огромное пространство (имеет региональный характер) и мощные толщи пород различной степени и интенсивности метаморфизации.

В зависимости от соотношения температуры, давления и коли- чества флюидов меняется степень метаморфизации пород. По этим признакам выделяются различные фации метаморфизма, которым свойственны определенные метаморфические породы, характеризующиеся определенной ассоциацией породообразующих минералов. К ним относятся: кордиерит, андалузит, дистен, силлиманит, некоторые гранаты, пироксены ряда диопсид-геденбергит, волластонит, некоторые амфиболы, серпентин, тальк, хлорит и др.

Для пород, образовавшихся при региональном метаморфизме характерна ярко выраженная параллельная текстура (кристаллизационная сланцеватость, èëè гнейсовидностъ) и своеобразные, так называемые, ластовые структуры, возникающие при

процессах перекристаллизации силикатов.

Региональный метаморфизм приурочен к древним щитам и платформам, а также складчатым областям различного возраста. Наиболее глубоко метаморфизованы породы в пределах древних щитов (Балтийского, Украинского, Алданского) и в основании древних платформ (Восточно-Европейской и Сибирской). Ввиду сложности процессов регионального метаморфизма в настоящее время не су-

ществует единого мнения об их природе.

Ïîä фацией метаморфизма понимаются породы, сформированные в сходных термодинамических условиях. На принадлежность пород к одной и той же фации указывают парагенетические ассоциации минералов, особенно минералы, образовавшиеся (и устойчивые) только в определенном интервале температуры и давления.

121

В настоящее время принята следующая система фаций регио-

нального метаморфизма:

Цеолитовая фация. Отвечает минимальным значениям температуры (100–200°) и давления (1–4 тыс. атм.). Характерны новообразования цеоли-

тов, альбита, адуляра и др.

Зеленосланцевая фация (100–350°, 2,5–6 тыс. атм.). Устойчивы хлорит, эпидот, тремолит, актинолит, тальк, серицит, альбит, кальцит, иногда биотит, гранат. Типичные представители — филлиты, известковые и другие сланцы,

зеленокаменные породы, серпентиниты и т.д. Альмандин-амфиболитовая фация (300–700°, 3–8 òûñ. àòì.). Â íåé óñ-

тойчивы роговая обманка, средний плагиоклаз, гранат, кордиерит, ставролит, дистен, биотит, флогопит, мусковит, диопсид, иногда эпидот и др. Типичные представители — амфиболиты, кристаллические сланцы, гнейсы и

мигматиты.

Гранулитовая фация (более 600°, 3,5–10 тыс. атм.). Включает метаморфические породы, сложенные главным образом, безводными высокотемпературными минералами. Для нее характерны пертитовый калиевый полевой шпат, средний и основной плагиоклаз, гранат, силлиманит, кордиерит, форстерит, гиперстен, диопсид, кальцит, скаполит и др. Типичные представители: силлиманитовые гнейсы, чарнокиты, некоторые мигматиты, фор-

стеритовые и другие мраморы (кальцифиры).

Эклогитовая фация. Представлена эклогитами — безполевошпатовыми породами, состоящими главным образом из пироксена и граната (пироп-альмандина), встречающимися редко, в частности в виде обломков в алмазоносных кимберлитовых трубках.

Повышение температуры и давления способствует образованию минералов, содержащих меньше воды, относительно более тугоп-

лавких и плотных (тяжелых). Такой метаморфизм называется прогрессивным. Одно из его крайних проявлений — процессы грани-

тизации, сущность которого заключается в плавлении метаморфизованных осадочных и магматических горных пород и их преобразование в породы близкие по составу и структуре к гранитам.

При восходящих тектонических движениях, метаморфические горные породы, образовавшиеся при высоких температурах и давлениях, могут оказаться в иных термодинамических условиях. В этом случае происходит процесс наложения низкотемпературных минеральных ассоциаций на породы, сформированные при более высоких температурах. В результате образуются новые ассоциа-

ции минералов, характерные для новых термодинамических условий. Такой метаморфизм носит название регрессивный (диаф-

торез).

122

Ультраметаморфизм может рассматриваться как особая крайняя стадия регионального метаморфизма, происходящего в глубо-

ких зонах земной коры. Для него характерно частичное или полное расплавление горных пород, палингенез èëè анатексис.

Расплавы, образующиеся при ультраметаморфизме, проникают во вмещающие породы, вследствие увеличения объема при разогреве. Происходит как бы инъекция расплавленного магматического материала (обычно кварц-полевошпатового состава), во вмещающие породы и образование смешанных пород (состоящих из ма-

териала исходной породы и расплава). Поэтому ультраметаморфизм называют также инъекционным метаморфизмом. Смешанные породы, образующиеся при этом, называют мигматитами. Îíè

широко развиты в древних кристаллических массивах Балтийско-

го, Украинского и Алданского щитов.

Контактовый метаморфизм. Этот тип метаморфизма наблюдается на контакте интрузии и вмещающих горных пород. В целом это метаморфизм высоких температур и умеренных давлений.

Изменения происходят не только во вмещающих породах, но и в верхней части самих магматических интрузивных тел. Вследствие, сложного взаимодействия факторов, иногда с наложением различ- ных видов метаморфизма, на контакте интрузивных тел с вмещающими породами, образуется ореол метаморфических пород. Пре-

образование горных пород, окружающих интрузивное тело, называют экзоконтактовым метаморфизмом, а изменения, происходящие в краевой части самих интрузивных тел — эндоконтактовым метаморфизмом. Ширина зоны контактового метаморфиз-

ма различна и колеблется от нескольких метров до нескольких километров (фото 3.27). При этом мощность экзоконтактовых зон значительно превышает мощность эндоконтактовых.

Изменения горных пород и минералов в контактовых зонах — результат воздействия высокой температуры внедрившейся магмы, ее летучих компонентов и растворов, с которыми связаны про-

цессы метасоматоза. В связи с этим выделяют два вида контактового метаморфизма: термоконтактовый è контактово-мета- соматический. Первый из них протекает одновременно с внедре-

нием магмы, второй — в процессе и после становления интрузивного массива.

Контактово-метасоматический метаморфизм обусловлен привносом в горные породы и выносом из них различных веществ. В результате отмечаются существенные изменения химического и минералогического состава пород контактовых зон. При этом вы-

123

деляют два процесса: пневматолитовый, связанный с активным выделением газов из застывающей интрузии, и гидротермальный,

связанный с воздействием высокотемпературных растворов. Все породы, образующиеся при метасоматозе, называют метасоматитами. При пневматолитово-гидротермальном метаморфизме привносятся в горные породы различные элементы (Fe, Mg, S, К, Na, Si, U и др.) и вещества. Проникая в горные породы с высокой температурой, летучие вещества ускоряют химические реакции и способствуют кристаллизации минералов, т.е. играют роль минерализаторов. При более низкой температуре, сами вступают с породами в химические реакции, что приводит к образованию новых минералов и горных пород. Для этих процессов характерны: турмалин — боросиликат алюминия, бесцветная слюда, в состав которой входят фтор и литий, и многие другие минералы.

В результате пневматолитово-гидротермального метаморфизма карбонатные породы, залегающие на контакте с интрузивными

массивами, превращаются в своеобразные горные породы, называемые скарнами. Они состоят преимущественно из пироксена,

граната и некоторых других известково-железистых минералов. Наиболее часто скарны образуются на контакте известняков с интрузивными телами гранитов.

В результате пневматолитово-гидротермального воздействия на магматические породы кислого гранитного и близкого к нему состава, а также на филлиты, сланцы и гнейсы образуются грейзены. В грейзенах помимо кварца, замещающего полевые шпаты первичной породы, и светлой слюды, встречаются — топаз, флюорит, турмалин и ряд важных рудных минералов.

Породы, окружающие жилы, также претерпевают значитель-

ные изменения под воздействием гидротермальных растворов. Наблюдаются процессы окварцевания (обогащение кварцем), хлоритизации (образование хлоритов за счет метасоматического изменения других минералов), серицитизации (образование

скрыточешуйчатой разности слюды — серицита путем изменения полевых шпатов), оталъкования (образование талька из оливина)

è äð.

Породы, образующиеся под влиянием преимущественно высо-

котемпературных изменений без существенного изменения хими- ческого состава, называют роговиками. Для них часто характер-

на большая мощность, плотное тонкозернистое строение. Исходным материалом для роговиков служат глинистые, песчано-глини- стые, песчаные, карбонатно-мергелистые и другие породы.

124

В порядке возрастания температуры выделяют следующие фа-

ции контактового метаморфизма:

Фация альбит-эпидотовых роговиков (200–350 °С) объединяет слабо метаморфизованные породы во внешних приконтактовых зонах интрузивных тел. По минеральным ассоциациям сопоставима с зеленосланцевой фацией с добавлением (при метаморфизме глинистых пород) андалузита

или кордиерита.

Фацияроговообманковыхроговиков(350–600°С).Характерныемине- ральные ассоциации — слюды (биотит, мусковит, флогопит), роговая обманка, кордиерит, андалузит, гранаты и др. При развитии фации в карбонатных породах образуются — диопсид, гроссуляр, волластонит, кальцит, кварц. Эти ассоциации отвечают породам внутренних и промежуточных частей

экзоконтактовых зон интрузивных тел.

Фация пироксеновых роговиков (550–750 °С) объединяет породы самых внутренних частей приконтактовых зон. Частично она сопоставима с гранулитовой. Отличается присутствием некоторых высокотемпературных,

но менее глубинных минералов —андалузит и ряд других. Санидинитовая фация. Она не имеет аналогов среди фаций

регионального метаморфизма. Характеризует участки непосредственного соприкосновения осадочных пород с базальтами или диабазами при высокой температуре (более 700 °С) и низком давлении. В этих условиях устой-

чивы санидин, редкие известковые силикаты (мелилит и т. п.).

Динамометаморфизм (дислокационный, катакластический)

— метаморфизм горных пород в условиях небольших температур и очень высоких давлений. Он обусловлен влиянием сильного одностороннего давления (стресса) и связан с тектоническими движениями земной коры с образованием разломов и перемещением по ним отдельных блоков горных пород (фото. 3.26). Динамометаморфизм проявляется вдоль разрывных нарушений, сбросов, надвигов, сдвигов, взбросов и в подошве покровов. В процессе перемещения пород по разрывам происходит их дробление. Механическое разрушение пород иногда сопровождается пластическими деформациями, минеральный состав почти не меняется (фото 3.27). В более глубоких зонах, где температура значительно выше, совместное воздействие более высокой температуры и давления приводит к частичному изменению минерального состава.

В зависимости от величины и соотношений температуры и дав-

ления в зонах тектонических движений выделяют ряд характерных горных пород. Различают: тектонические брекчии, катакла-

зиты, милониты.

125

Тектонические брекчии — почти не измененные по составу породы, состоящие из различных по величине остроугольных обломков, сцементированных мелкораздробленной массой. Катаклазиты характерны для начальных стадий динамометаморфического изменения пород. В них наблюдается сильное раздробление всех хрупких минералов, изогнутость и смятие пластических ми-

нералов (слюды, хлориты и др.), но сохраняются черты исходного материала. Милониты образуются при более интенсивном од-

ностороннем давлении. Они состоят из тонкораздробленного материала (фото. 3.26). Некоторые милониты характеризуются рассланцеванием и полосчатостью. Другие представлены более однородными по внешнему виду породами, часто весьма крепкими,

плотно сцементированными.

Автометаморфизм. Этот тип метаморфизма происходит в период застывания интрузивной магмы и становления магматических горных пород. Такой метаморфизм протекает в образовавшихся твердых составных частях породы в самом интрузивном теле (при его остывании и кристаллизации) под влиянием летучих веществ и гидротермальных растворов остаточного расплава при падении температуры и давления. В сложном процессе автометаморфизма выделяют несколько стадий в соответствии с изменяю-

щимися термодинамическими условиями:

– собственно магматическую, протекающую при температуре выше 600 °С;

–пневматолитовую (400–600 °Ñ);

–гидротермальную (400–375Ñ °).

Наибольшие изменения пород происходят в пневматолитовую и гидротермальную стадии автометаморфизма. Широко развиты процессы амфиболизации, альбитизации, серпентинизации и др. Под амфиболизацией понимается замещение пироксена амфиболом.

Серпентинизация чаще связана с гидротермальной стадией и заключается в автометасоматическом изменении бесполевошпатовых ультраосновных горных пород (перидотитов, дунитов и др.). Главнейшие безводные железисто-магнезиальные минералы этих пород (оливин и пироксены) замещаются, под влиянием кислых ра-

створов, водным силикатом магния (серпентином).

Импактный метаморфизм. Импактный метаморфизм — это изменение горных пород под действием мощных взрывов. В этом случае горные породы подвергаются кратковременному, но очень интенсивному воздействию высоких температур и сверхвысоких давлений. Расчеты показывают, что на Земле такие условия реа-

126

лизуются только при ядерных взрывах и при падении крупных метеоритов.

Установлено, что метеориты весом в несколько тонн и выше попадая в плотные слои атмосферы, взрываются из-за неравномерного нагрева. Причем чем больше масса метеорита, тем сильнее взрыв. При этом практически мгновенно выделяется огромное количество энергии, расходуемой на механическое и тепловое изменение горных пород. В центре удара температура может достигать 10 000 °С, а давление 10 000 кбар.

Под воздействием такого «удара» минералы и горные породы дробятся, частично испаряются, теряют кристаллическую структуру и, превращаясь в ударное (диаплектное) стекло.

При несколько меньших давлениях минералы, не изменяя своего химического строения, переходят в более плотные высокобари- ческие модификации, не характерные для земных условий. Среди таких минералов необходимо назвать модификации углерода: лонсдейлит è алмаз (морфологически отличный от земного), а также особо плотные модификации кварца: стишовит è коэсит.

Ученые считают, что в прошлом метеоритные дожди достигали высокой плотности и захватывали огромные площади.

Известно немало следов, оставленных на Земле крупными метеоритами. Около 2000 их обломков собрано на поверхности обитаемых материков; более 4000 — в Антарктиде.

В настоящее время с помощью аэрокосмической съемки и наземных наблюдений в разных частях земного шара обнаружено более 200 крупных метеоритных кратеров. Они имеют форму огромных кольцевых образований, сходных с кальдерами вулканов, и обрамлены коль-

цевым валом из выброшенных продуктов дробления. Такие крупные кратеры называют «астроблемами» (ãðå÷. — звездные раны).

Они заполнены раздробленными, измельченными и, частично, расплавленными горными породами — импактитами. Импактиты — представляют собой лавоподобные метаморфические породы, состоящие из стекла со значительной примесью обломков вмещающих пород.

От высокой температуры в момент удара часть пород подверглась плавлению и испарению. Размеры астроблем впечатляют. Так, например Пучеж-Катунская астроблема (Центральные районы европейской части России) имеет около 80 км в диаметре; Попигайская — более 100 км.

Падение крупных метеоритов редкое явление природы, поэтому продукты импактного метаморфизма не играют существенной роли

127

в строении земной коры. В тоже время, многократные падения на Землю крупных метеоритов, безусловно, оказали значительное вли-

яние на эволюцию биосферы и климата.

Дегазация недр. Процессы дегазации недр давно известны геологам, но пристальное внимание они привлекли только в последние десятилетия. Извержения вулканов сопровождаются выбросами гигантского количества различных газообразных веществ.

В зонах глубинных разломов наблюдаются интенсивные потоки водорода, гелия и радона. Предполагается, что эти газы образуются при дегазации глубоких горизонтов литосферы, нижней мантии или даже ядра. Возможно, что мантийную природу могут иметь и газы углеводородного состава.

Расчеты и данные экспериментов показывают, что для получе- ния всего современного объема гидросферы и атмосферы первич- ной мантии Земли было достаточно потерять менее 10% от первоначального количества летучих компонентов, содержавшихся в ней.

Иногда такие выбросы газов приводят к катастрофам. 21 августа 1986 г. крупная катастрофа произошла в озере Нисс (Камерун). Из озера внезапно вырвалось облако углекислого газа с примесью сероводорода и других газов. В нем в считанные минуты задохнулись 1600 человек. Полагают, что ядовитое облако — следствие подъема магмы вдоль тектонического разлома. Взаимодействие разогретой воды и скалистых пород на дне озера вызвало взрыв, вынесший на поверхность ядовитые газы. За два года до этого аналогичный выброс газов произошел на озере Монун, также находящемся в сейсмически активной зоне.

Процессы дегазации недр продолжались в течение всей геологической истории Земли. Они сопровождали процессы дифференциации первичного мантийного вещества и оказывали очень большое влияние на процессы в других оболочках Земли.

Значение эндогенных процессов в истории Земли

В геологической истории Земли эпохи необычайно интенсивной магматической деятельности сменялись длительными периодами со слабым проявлением вулканической и магматической активности. Эпохи усиленного магматизма характеризовались высокой степенью тектонической активности: значительными горизонтальными перемещениями континентальных блоков земной коры, возникновениемскладчатыхдеформаций,разрывныминарушениями, вертикальными движениями отдельных блоков. В периоды относительного спокойствия, наоборот, геологические изменения рельефа

128

земной поверхности оказывались слабыми и определялись, в основном, экзогенными процессами.

Данные о возрасте изверженных пород, полученные различными методами радиогеохронологии, дают возможность установить существование сравнительно коротких эпох магматической и тектонической активности и длительных периодов относительного покоя. Это, в свою очередь, позволяет провести естественную периодизацию истории Земли по геологическим событиям, по степени магматической и тектонической активности.

В истории Земли выделяются около 20 тектономагматических эпох (табл. 3.2), каждая из которых характеризуется своеобразной магматической, тектонической активностью и составом образовавшихся горных пород.

3.2. Экзогенные процессы

Экзогенные процессы включают: процессы выветривания, переноса продуктов выветривания, осадкообразование è преобразование осадка в породу.

Выветривание (синоним — гипергенез) — это совокупность абиотических и биологических процессов разрушения и образования горных пород и слагающих их минералов под воздействием агентов атмосферы, биосферы, гидросферы в верх-

них слоях земной коры. Неотъемлемой частью процессов выветривания являются процессы денудации — переноса продук-

тов разрушения горных пород в пониженные участки под действием внешних сил (вода, тепло, ветер и др.). В результате этих процессов образуется кора выветривания. Мощность современной коры выветривания составляет от нескольких метров до десятков метров. Термин «выветривание» является не вполне удач- ным. В русской геологической литературе он возник в середине ХIХ в. как перевод английского термина Vesering, что в буквальном переводе значит «выпогоживание». Последнее, звучит порусски не выразительно, поэтому и был предложен более благозвучный эквивалент.

В то же время, «выветривание» не имеет прямого отношения к геологической деятельности ветра. Однако созвучие создает неясности в понимании термина. Что бы избежать этого недоразумения, в 1922 г. академик А.Е. Ферсман предложил называть процессы преобразования минералов и горных пород на поверхности земли — «гипергенез» (от греч. hyper — над, сверху).

129