Процессы внутренней динамики Земли

Геологическая деятельность подземных вод

Атмосферные осадки и талые снеговые воды сливаются в реки. Большая их часть впадает в моря или озера. Меньшая часть испаряется с поверхности Земли в атмосферу. Другая часть поверхностных текучих вод просачивается (инфильтруется) вглубь, пополняя подземные воды. Под воздействием подземных вод внутри пластов осадочных пород происходит растворение и вынос хлоридов, сульфатов, карбонатов, а слествием — формирование пустот, полостей и пещер. Этот процесс называется карстом — по названию горного известнякового плато Карст близ г. Триеста на побережье Адриатического моря, где карстовый процесс и карстовые формы наиболее полно развиты.

Геологическая деятельность льда.Немалую роль в разрушении коренных горных пород играют и ледники. Они занимают около 11% поверхности суши земного шара. А общий …
объем заключенного в них льда составляет около 30 млн км3. Лед обладает пластичностью и способностью течь под давлением. Скорость движения ледников составляет от 0,25 мм/ч до 1,25 м/ч. Переносимый и откладываемый ледниками обломочный материал – от тонких глинистых частиц до крупных валунов и глыб – называется мореной.

Геологическая деятельность морей.Большую геологическую работу по разрушению горных пород и переносу их обломков производит море. Разрушительная работа моря называется абразией (лат. «абрасио» — соскабливаю). Морские волны обладают колоссальной разрушительной силой. Они разбивают даже самые крепкие породы. Например, в архипелаге Тонга (западная часть Тихого океана) в 1885 г. во время подводного вулканического извержения на месте существовавшей ранее отмели появился остров высотой 76 м. К 1889 г. он был размыт и вновь превращен в отмель. Волны способны перемещать на значительные расстояния глыбы весом до тысячи тонн.

Гравитационные процессы.Под действием силы тяжести продукты выветривания либо остаются на месте своего образования, либо скатываются вниз по склонам гор и оврагов и накапливаются у подножий. В первом случае они называются элювием (лат. "элюо" — вымываю), во втором — осыпями. На крутых обрывах под влиянием сил гравитации вследствие подмыва или переувлажнения склона могут происходить оползни, приводящие к большим разрушениям и человеческим жертвам. Крупные массы горных пород перемещаются (оползают) вниз по наклонной поверхности глинистого слоя. В горах с крутыми обрывистыми склонами под влиянием силы тяжести возникают обвалы больших масс горных пород, особенно во время землетрясений. Так, в 1911 г. на Памире обвалившаяся глыба пород объемом 8 млрд т, спустившись по склону, перегородила р. Мургаб, образовав плотину высотой 600 м.

В недрах Земли непрерывно происходят процессы, называемые внутренними, или эндогенными (греч. "эндон" — внутри). Среди них различают магматизм, метаморфизм и тектогенез.

Магматизм.Магматические процессы проявляются в перемещении из глубоких недр к земной поверхности расплавленной магмы (греч. "магма" — тесто). Различают поверхностный (эффузивный) и глубинный (интрузивный) магматизм.

П о в е р х н о с т н ы й м а г м а т и з м проявляется в форме вулканизма (лат. "вулканус" — огонь). Выделяют два типа вулканов — центральный и трещинный.

Вулканы центрального типа имеют форму усеченного конуса, образованного продуктами извержения (рис. 8). В центре вулкана расположено жерло (рис. 9, 5), соединяющееся непосредственно с вулканическим очагом (рис. 8,1). Через жерло извергаются магматические продукты. У поверхности жерло переходит в чашеобразную воронку — кратер (греч. "кратер" — глубокая чаша), образующийся в результате взрыва (рис. 8, 6). Нередко после извержения вулкана в верхней части вулканического очага возникает полость. В нее проваливается вершина вулкана, а иногда и примыкающая к нему местность. Такая обвалившаяся впадина называется кальдерой (исп. "кальдера" — большой котел). Размеры кальдер могут во много раз превышать размеры кратеров. Например, кальдера Кракатау имеет в поперечнике 7 км. В Японии известны кальдеры до 13-25 км.

Стенки древнего кратера представляют собой высокий вал, называемый "сомма" (рис. 8, 3). При следующем извержении вулкана на дне кальдеры образуется небольшой конус (рис. 8, 4). На его вершине располагается новообразованный кратер.

Продукты вулканических извержений представлены жидкими, твердыми и газообразными веществами.

Жидкие продукты вулканических извержений называются лавой (итал. "лава" — затопляю). Достигая земной поверхности, лавы теряют большую часть летучих компонентов и становятся более вязкими. По минеральному составу лавы разделяются на основные (базальтовые), средние (андезитовые) и кислые (гранитные, или риолитовые). От химического состава лавы в значительной степени зависят и ее физические свойства. Базальтовые (основные) лавы обычно более жидкие и высокотемпературные. Они текут со скоростью до 40-50 км/ч. Гранитные (кислые) лавы характеризуются повышенной вязкостью и малой текучестью. Их извержение сопровождается выделением огромного количества газов и выбрасыванием в атмосферу обломков твердых пород, встретившихся на пути их прорыва.

Твердые продукты вулканических извержений в зависимости от величины обломков подразделяются на пепел, песок, лапилли и бомбы. Пепел состоит из мельчайших частиц (менее 1 мм) лавы, вулканического стекла и других пород. Песком называются частицы лавы величиной от 1 до 5 мм. Лапилли (лат. "лапиллис" — камешки) — это пузырчатые или округленные обломки шлаков величиной до 1,5-3,0 см. Вулканические бомбы представлены крупными обломками лавы от нескольких сантиметров до 1 м и более.

В составе вулканических газов преобладают пары воды. В различных количествах присутствуют также углекислота, окись углерода, азот, водород, метан, хлор, фтор, газообразные соединения серы и бора, аргон и другие газы. По мере угасания активности вулкана и падения температуры состав газов изменяется.

Газы и пары воды с температурой выше 180°С называются фумаролами (лат. "фумус" — дым). Поствулканические процессы также сопровождаются выделением газов. Газы с температурой 100-180° С, содержащие значительное количество сернистых соединений, называются сольфатарами (итал. "сольфатара" — серная копь). Газообразные смеси с температурой менее 100° С, в которых, кроме паров воды, преобладают углекислые газы, называются мофетами (итал. "мофета" — место зловонных испарений).

Обычно в качестве одного из "классических" примеров приводится извержение вулкана Мон-Пеле на о. Мартиника (Малые Антильские острова) 23 апреля 1902 г. Вулкан, возвышающийся в 10 км от города Сен-Пьер, стал проявлять активность с конца апреля. 8 мая в 7 ч 50 мин. утра раздались взрывы колоссальной силы. И на высоту более 10 км взметнулись мощные пепловые облака. Из кратера вулкана вырвалась плотная раскаленная черная туча газа и распыленной лавы. Она устремилась вниз по склону вулкана со скоростью 180 км/ч. Температура в огненной туче достигала 700 -1000° С. Туча толкала перед собой плотный сгусток горячего воздуха. Через несколько секунд он ураганом налетел на город Сен-Пьер, разрушил все дома. Еще через десять секунд город накрыла и сама туча.. Горячий газ мгновенно обжигал легкие. От удушья погибло 30 тысяч жителей Сен-Пьера. Спасся лишь один человек. Он сидел в подвале тюрьмы, и окошко его камеры было обращено в сторону, противоположную той, откуда надвигалась раскаленная черная туча.

После извержения 8 мая из жерла вулкана стал медленно выдавливаться купол, состоявший из раскаленной густой лавы кислого состава, имевшей температуру до 700-800° С. В середине октября 1902 г. На восточной стороне купола начал подниматься огромный лавовый обелиск, напоминавший по форме гигантский палец. Он рос со скоростью около 10 метров в сутки и достиг 900 м над уровнем кратера. В августе 1903 г. обелиск распался.

Подавляющее число современных вулканов центрального типа расположены в пределах трех основных вулканических поясов. Это — Атлантический, Средиземноморско-Индонезийский и Тихоокеанский вулканические пояса. На Земле насчитывается около 800 действующих вулканов центрального типа. Несколько тысяч вулканов, активных в минувшие геологические эпохи, считаются потухшими. Но некоторые из них неожиданно пробуждаются после нескольких веков "спячки".

В вулканах трещинного типа лавы изливаются из трещин, рассекающих земную поверхность. Обычно это очень жидкие текучие лавы базальтового состава. После застывания они принимают форму плоского горизонтального слоя, называемого покровом.

Такие излияния бурно происходили в минувшие геологические эпохи. Древние базальтовые покровы занимают огромные площади на земной поверхности. В России они распространены, например, в Красноярском крае (Тунгусская синеклиза) на территории около 1,5 млн. км2. В Южной Бразилии, в районе реки Парана, базальтовые покровы проявляются на площади около 700 тыс. км2. На полуострове Индостан площадь базальтов Деканского плато — около 650 тыс. км2, а в Северной Америке, в районе рек Колумбии и Змеиной, — более 50 тыс. км2 .

Излияния базальтовых лав трещинного типа происходят и в современную эпоху. Например, на острове Исландия и в центральной части срединно-океанических хребтов. В Исландии в июне 1783 г. из трещины Лаки длиной 24 км хлынула жидкая базальтовая лава. Ее общий объем составил около 12 куб.км. Лава покрыла площадь 565 кв. км. Извержение Лаки, сопровождалось выбросом вулканического пепла и ядовитых газов.

В океанических водах базальтовые лавы образуют шаровую, или подушечную, отдельность. При излиянии горячей лавы на дно океанов морская вода разогревается до 350°С. При взаимодействии растворенных в лаве химических веществ с водой образуется горячая серная кислота. Она растворяет минералы лав, вступая с ними в химические реакции. В результате возникают сульфиды — соединения серы с металлами. Выпадая в осадок, они создают конусообразные постройки, внутри которых реакции продолжаются.

Вдоль центральных частей таких "конусов", как по "трубам", к их вершинам поднимаются горячие растворы. Остывая, они освобождаются от сульфидов. Окрашенные в черный цвет растворы сульфидов образуют черные "облака". Поэтому их назвали "черными курильщиками". В таких конусах отмечено высокое содержание меди, свинца, цинка, золота и других металлов.

С вулканической деятельностью связаны проявления многих полезных ископаемых. Так, выделяющиеся при извержении вулканов и фумарол газообразные продукты способствуют образованию повышенных концентраций серы, борной кислоты, аммониевых солей, хлоридов натрия, железа, меди, цинка, окислов железа и меди, сернистого мышьяка, киновари и других минералов. Некоторые из них образуют крупные скопления. Например, месторождения самородной серы на Курильских островах, Камчатке, в Японии. Извержения вулканов сопровождаются выделением огромного количества тепла.

Г л у б и н н ы й м а г м а т и з м. Во многих случаях поднимающаяся из недр вверх магма остывает в различных горизонтах земной коры, не достигая поверхности Земли. Она образует различные по форме застывшие в коренных породах магматические тела, называемые интрузиями (лат. "интрузио" — внедрение). Этим же термином обозначается и процесс внедрения магматического расплава в земную кору.

Образовавшиеся на большой глубине очень крупные магматические тела площадью более 200 км2 (рис. 9, 1) называются батолитами (греч. "батос" — глубина). Ближе к земной поверхности застывают дайки, жилы, лакколиты, лополиты, факолиты и силлы.

Дайка (англ. "дайк" — преграда) — это вертикальное (рис.9, 3) пластинообразное магматическое тело. Образуются дайки чаще всего путем заполнения магмой трещин. Подобные интрузии с непараллельным ограничением называются жилами.

Лакколит (греч. "лаккос" — яма, "литос" — камень) представляет собой караваеобразную интрузию (рис. 9, 2). Ее верхняя часть обычно выпуклая, нижняя — плоская. Вогнутые, чашеобразные пологие линзовидные магматические тела (рис. 9, 5) называются лополитами (греч. "лопас" — миска, "литос" — камень), а выпуклые (рис.9 ,6) — факолитами (греч. "факос" — чечевица). В качестве силл (англ. "силл" — порог) выделяются пластообразные магматические тела, внедрившиеся в горизонтально залегающие слои горных пород (рис. 9, 4).

В исходной магме содержатся в растворенном состоянии практически все химические элементы. В условиях больших давлений и высоких температур вязкость и подвижность магме придают пары воды и газообразные продукты (углекислота, сернистые, хлористые, фтористые и другие соединения, фтор, водород и другие газы) .

По мере приближения магматических расплавов к земной поверхности температура и давление понижаются. Вследствие этого из магмы в определенной последовательности выпадают различные минералы.

Согласно одной из гипотез, при понижении температуры расплава до 700° С начинают кристаллизоваться наиболее тугоплавкие безводные минералы. Такие, как оливин, пироксены, нефелин, апатит, полевые шпаты, гранат и др. Вместе с ними образуются рудные минералы (пирротин, пирит, магнетит, пентландит, ильменит, самородная платина и др.).

В интервале температур 600-400° С из магматического расплава кристаллизуются пегматиты — специфические светлые крупнозернистые породы. В их состав входят фтор, бром, хлор, вода и другие легколетучие компоненты. По данным академика А.Е.Ферсмана, в гранитных пегматитах присутствует около 300 минералов. Некоторые из них содержат ценные элементы — ниобий, тантал, литий, бериллий, рубидий, цезий, редкоземельные элементы и др.

По мере дальнейшего понижения температуры из магмы удаляются летучие компоненты. После кристаллизации значительной части расплава, при 500-350° С, видимо, одновременно существуют газ и жидкость. Такие растворы называются газо-водными, или пневматолито-гидротермальными (греч. "пневма" — газ, "гидор" — вода). В них содержится много летучих компонентов — H2O, F, Cl, B, CO2 и т.д. , являющихся переносчиками минералообразующих и рудообразующих веществ.

При пневматолито-гидротермальном процессе минералообразование осуществляется двумя путями. При взаимодействии растворов с твердыми вмещающими породами в последних растворяется часть собственных минералов. Они замещаются новыми минералами. Минералообразование происходит также в открытых трещинах и полостях. Так, в результате образования жил или при взаимодействии растворов с гранитными породами и сланцами возникают кварц, мусковит, топаз, а также касситерит, вольфрамит, берилл, молибденит, колумбит и др.

Метаморфизм.В определенных глубинных условиях, отличающихся от первоначальных условий образования горных пород, происходят необратимые изменения в их структуре, минеральном и химическом составе. Этот процесс называется метаморфизмом (греч. "метаморфоо" — превращаю). В результате проявления метаморфизма образуются отличные от исходных (прежних) горные породы, называемые метаморфическими породами.

Главные факторы метаморфизма — высокие температуры и давления, химическая активность воды, углекислоты, горячих растворов, содержащих ионы натрия, калия, кальция, фтора, бора и серы.

Различают два основных типа метаморфизма: региональный и локальный метаморфизм.

Р е г и о н а л ь н ы й м е т а м о р ф и з м охватывает большие площади и вызывается совместным действием повышения температуры и давления. Существенную роль играют и флюиды – вода и углекислота (СО2), присутствующие в метаморфизуемых осадочных породах.

Л о к а л ь н ы й м е т а м о р ф и з м распространяется на ограниченную площадь и подразделяется на контактовый метаморфизм и динамометаморфизм.

Контактовый метаморфизм (лат. "контактус" — соприкосновение) связан с внедрением горячей магмы в относительно холодные осадочные толщи верхней часть земной коры. Магматический расплав подвергает осадочные толщи в зоне контакта тепловому и химическому воздействию. В результате этого происходит изменение минерального состава и структуры вмещающих горных пород. Магматические интрузии, в свою очередь, также изменяются под воздействием вмещающих пород. Характер контактных изменений зависит от температуры и состава магмы и вмещающих пород.

Преобразование горных пород под воздействием высокой температуры называется термометаморфизмом (фр. "термал" — теплый). Термальный контактный метаморфизм происходит при высокой температуре (850-1000° С) интрузивного тела и низком давлении. В этом случае горные породы перекристаллизовываются без существенного изменения химического состава исходной породы.

Контактовый метаморфизм, связанный с изменением химического состава пород вследствие значительного привноса и выноса вещества, называется метасоматическим (греч. "мета" — после, "сома" — тело) контактовым метаморфизмом. Причиной пневматолито-гидротермального метаморфизма являются пневматолито- гидротермальные растворы. Они вызывают изменение вмещающих пород при взаимодействии с ними летучих компонентов и горячих минерализованных растворов. В результате происходит замещение в них прежних минералов новыми. Высокотемпературные гидротермальные растворы, продвигаясь по порам и трещинам горных пород, производят гидратацию, окремнение, карбонатизацию, хлоритизацию и серитизацию первичных минералов.

Динамометаморфизм (греч. "динамис" — сила) — это изменение горных пород под влиянием высокого давления при сравнительно низкой температуре.

С метаморфическими породами связаны крупнейшие месторождения железа (Курская магнитная аномалия, Кривой Рог и др.), полиметаллов (меди, свинца, цинка и др.), редких металлов (месторождения шеелита, молибденита, оловянного камня и др.), золота и др. Многие метаморфические породы используются в качестве строительного материала. Например, мраморы, гнейсы, яшмы и др.

Предполагается, что и на очень больших глубинах в мантии Земли происходят глобальные метаморфические процессы. Это, например, описанный выше (гл. 1) переход базальтов в эклогиты на границе земной коры и мантии. В химическом отношении эти основные породы близки (табл. 3). Но минеральный состав и плотность их различны.

Таблица 3