Сейсмическая модель. В 1909 г. югославский ученый А. Мохоровичич, изучая распространение сейсмических волн Хорватского землетрясения, установил, что на глубине нескольких десятков километров их скорость скачкообразно увеличивается от 6,5 до 7—8 км/с.
Дальнейшие исследования показали, что в разных областях данный скачок происходит на неодинаковой глубине — на материках от 30 до 70 км, на дне океанов — 5—15 км. По имени ученого эту границу стали именовать «границей Мохоровичича», или сокращенно «Мохо», или просто «М». Причина столь резкого изменения скорости сейсмических волн до сих пор окончательно не выяснена. Высказываются предположения о смене на этой глубине химического состава пород, об изменении фазового состояния пород (образовании минералов с более плотной упаковкой атомов и ионов при неизменном элементарном составе), о совместном действии обоих факторов и т. д. Так или иначе, но границе Мохо в науках о Земле придают важное значение, считая ее нижней границей земной коры. В районе Москвы она имеет мощность около 45 км, на Памире — 70, восточнее Курильской гряды на дне Тихого океана — 10, в некоторых участках дна Северного Ледовитого океана — 5 км и т. д.
По сейсмическим же данным в пределах коры в дальнейшем было выделено три слоя: верхний — вулканогенно-осадочный (развит не повсеместно), средний — гранитный (или гранитнометаморфический), распространенный на материках, но отсутствующий на дне океанов, и нижний — базальтовый. Некоторые ученые выделяют и особый — диоритовый — слой. Мощность этих слоев, как и земной коры в целом, варьирует в различных частях земной поверхности.
Термины «гранитный» и «базальтовый» слои не следует понимать буквально, т. е. что они состоят из гранитов и базальтов. Просто, по данным геофизиков, скорость прохождения сейсмических волн в этих слоях отвечает примерно составу гранитов и базальтов. Геологические наблюдения, данные бурения дают информацию о вулканогенно-осадочном и верхней части гранитного слоя. Широкое распространение базальтовых лав, поступающих с больших глубин, позволяет предполагать реальность и базальтового слоя, хотя его состав во многом гипотетичен.
Ниже земной коры сейсмометрия выделяет несколько слоев: верхнюю, среднюю и нижнюю мантию, земное ядро. По этим данным в основном наша планета — твердое тело, но в верхней мантии с глубин 50—200 км распространен вязкий (частично расплавленный) слой, так называемая астеносфера. Ранее полагали, что астеносфера распространена повсеместно, но детальные исследования показали, что под древними ядрами материков она местами отсутствует.
Состав верхней мантии, залегающей под границей Мохо, также гипотетичен, но все же имеются многие основания полагать, что встречающиеся местами на земной поверхности ультраосновные породы, богатые железом и магнием и относительно обедненные кислородом и кремнием, по своему происхождению связаны с верхней мантией. По составу эти породы резко отличаются от типичных горных пород земной коры — гранитов и базальтов.
Земная кора и верхняя мантия Земли тесно связаны друг с другом, в связи с чем многие авторы предлагают именовать твердый надастеносферный слой литосферой.
В науках о Земле нередко один и тот же термин употребляется для обозначения разных понятий. Так получилось и в данном случае: многие геологи к литосфере относят только твердую земную кору, исключая из нее верхнюю мантию выше астеносферы. Имеется и обратное предложение — расширить границы земной коры, включив в нее и надастеносферную мантию, так называемый перидотитовый слой (Г. П. Леонов, И. И. Потапов и др.). В дальнейшем мы к земной коре будем относить верхнюю часть планеты до границы Мохо, включая в кору не только ее преобладающую твердую часть, но также Мировой океан и атмосферу. Под литосферой будем понимать всю верхнюю каменную оболочку планеты, включая верхнюю мантию до астеносферы.
Характерная особенность литосферы состоит в том, что она состоит не только из твердых веществ, которые в ней преобладают, но содержит также подземные воды и газы.
Кларки
Параллельно с разработкой сейсмической модели земной коры геохимики определили ее средний элементарный состав. Впервые на строго количественной основе эту задачу поставил и решил американский химик Ф. У. Кларк — один из основоположников геохимии. В 1888 г. он рассчитал среднее содержание элементов в коре по данным 880 анализов различных горных пород. Кларк был далек от каких-либо генетических представлений, в частности от господствующей в XIX в. космогонии Канта — Лапласа. К твердой земной коре он условно относил толщу горных пород мощностью в 10 миль (16 км), полагая, что примерно с таких глубин при горообразовании, вулканизме и других геологических процессах горные породы поступают на земную поверхность. К земной коре Кларк относил также гидросферу и атмосферу, но так как последние, по его данным, составляли не более 7% от массы твердой земной коры, то понятно, что числа Кларка отражали именно ее состав.
Последняя сводка Кларка, составленная совместно с помощником Г. Вашингтоном, была опубликована в 1924 г. и содержала информацию о распространенности 50 химических элементов (вместо 10 в 1888 г.). Учитывая заслуги Кларка в данной области, А. Е. Ферсман в 1923 г. предложил термином «кларк» обозначать среднее содержание химических элементов в крупных природных системах: земной коре и ее оболочках, мантии, ядре, Земле в целом, живых организмах, почвах, речных и подземных водах, звездах и других системах космоса.
В геохимии эта проблема клерков приобрела огромное теоретическое и прикладное значение, ее исследованию посвятили свои труды несколько поколений геохимиков. Для многих систем были получены точные данные, в частности для кислых (главным образом гранитов) и основных (преимущественно базальтов) изверженных пород. Но кларки земной коры в целом пока еще точно не установлены, так как неизвестно соотношение в ней отдельных типов пород. Ориентировочные расчеты дали следующие числа:
|
Ф. У. Кларк |
А. П. Виноградов |
А. А. Беус (без осадочных пород) |
|
|
1888 г. |
1962 г. |
1981 г. |
|
|
Кислород |
46,28% |
47% |
46,1% |
|
Кремний |
28;02 |
29,5 |
26,7 |
|
Алюминий |
8,14 |
8,05 |
8,1 |
|
Железо |
5,58 |
4,65 |
6,0 |
|
Кальций |
3,27 |
2,96 |
5,0 |
|
Магний |
2,77 |
1,87 |
3,0 |
|
Калий |
2,47 |
2,50 |
1,6 |
|
Натрий |
2,43 |
2,50 |
2,3 |
|
Титан |
0,33 |
0,45 |
0,6 |
|
Фосфор |
0,10 |
0,093 |
0,09 |
|
Сумма |
99,32 |
99,6 |
99,49 |
Интересно, что общие выводы у всех авторов те же, что и в первой работе Кларка: в земной коре преобладает кислород, это «оксисфера». Далее по распространенности следуют кремний и алюминий. Эти первые три элемента составляют около 80% массы земной коры. Если в подсчет добавить еще семь наиболее распространенных элементов, то сумма будет превышать 99%. В земной коре известно 89 химических элементов, и, следовательно, на оставшиеся 79 элементов в сумме приходится менее 1%. Подавляющее большинство химических элементов относится к группе редких и сверхредких. Например, кларк золота в континентальной земной коре по А. А. Беусу равен 1,7∙10-7%.
Если общая картина кларков земной коры выяснилась довольно отчетливо и основана на точных анализах горных пород, то расчеты кларков мантии и земного ядра основаны на различных гипотезах. Наиболее распространена метеоритная модель, согласно которой состав нижней мантии близок к каменным метеоритам, а состав земного ядра — к железным, в которых преобладают железо и никель.
Естествен вопрос о причинах резкой контрастности распространенности элементов, но обсуждение его завело бы нас слишком далеко от темы данной книги. Отметим только, что современная геохимия связывает различия в кларках с особенностями строения атомного ядра и электронных оболочек атомов, с процессами, протекавшими в звездную стадию существования земной материи (т. е. когда Земли как планеты еще не было), а также с последующими процессами, в том числе с геологической историей нашей планеты.
Неоднородность строения земной коры
Замечательным достижением наук о Земле является доказательство неоднородности строения земной коры в разных частях планеты. Геологи-тектонисты выделяют две главные структуры земной коры — океаны и континенты, причем к последним относят и мелководные прибрежные области океана — шельфы. Первые столетия своего существования геология главное внимание уделяла строению континентов, поэтому они изучены очень детально. И только в последние полвека науки о Земле всерьез взялись за океаны, информация о которых быстро растет. Все же и в настоящее время земная кора континентов изучена гораздо лучше, для большинства районов составлены такие подробные геологические карты, которых пока не знает геология океанического дна.
На континентах, в свою очередь, выделяются структуры разного порядка. Наиболее крупные из них — платформы и области рифейско-фанерозойской складчатости.
Причины многих тектонических процессов полностью не выяснены, что, однако, не исключает выдающегося научного значения тектонических построений. Более того, они представляют огромный практический интерес, так как к областям земной коры с различным строением приурочены и разные комплексы полезных ископаемых. За последние полвека оформилась самостоятельная наука о региональной металлоносности территории — металлогения, достижения которой особенно велики в нашей стране. Эта наука развивается преимущественно на тектонической основе. Вместе с тем платформы, складчатые области и другие структуры земной коры различаются и по геохимическим особенностям. Это также объекты региональной геохимии — раздела науки, основателем которой был академик А. Е. Ферсман (1883—1945). Поэтому так важна связь между металлогенией и геохимией, о которой много пишут в последние годы.
Древние платформы
В их пределах главные процессы магматизма и складчатости в основном закончились свыше 1,7 млрд. лет назад, в раннем докембрии — архее и протерозое. Весь поздний докембрий — рифей, а также фанерозой на платформах преимущественно протекали процессы осадкообразования и денудации (речная эрозия и др.). Платформы образуют ядра всех континентов: в Евразии это Восточно-Европейская (Русская) и Сибирская платформы, а также Таримская, Китайско-Корейская, Южно-Китайская, Индостанская и другие; в Америке — Североамериканская, Южноамериканская и Восточнобразильская платформы; в Африке — Северо — и Южноафриканская, в Австралии — Австралийская, в Антарктиде — Антарктическая.
В некоторых районах платформ докембрийские изверженные (гранитоиды) и метаморфические (гнейсы, сланцы и т. д.) горные породы выходят на земную поверхность. Такие районы именуются щитами. В Европе это Балтийский щит, на юге Восточной Сибири — Алданский, в Северной Америке — Канадский и т. д. Под щитами местами астеносфера отсутствует или же выражена слабо, залегает очень глубоко. На щитах широко распространены породы архейского (3,9—2,5 млрд. лет) и протерозойского (2,5—1,7) возрастов. В те отдаленные эпохи геологические и геохимические условия существенно отличались от современных: больше было радиоактивных элементов, иным был магматизм и тепловой режим земной коры, иной климат на ее поверхности, иной состав морей и океанов. Многие горные породы щитов, ныне обнажающиеся на земной поверхности, в прошлом залегали на больших глубинах, в условиях высоких температур и давлений. Поэтому для щитов особенно характерны проявления высокотемпературных магматических процессов. Конечно, и в архее, и в протерозое были моря, реки, отлагались различные осадки, давшие начало осадочным породам. Однако они практически не сохранились — часть из них, опустившись на глубину, была расплавлена и превратилась в магму, из которой в дальнейшем кристаллизовались граниты и другие изверженные породы. Другая часть осадочных пород под влиянием высоких температур и давлений была метаморфизована: известняки превратились в мрамор, пески — в кварциты, глины — в сланцы и гнейсы и т. д. Такие метаморфические породы широко распространены на всех щитах наряду с магматическими (изверженными) породами.
Рудообразование в архее и протерозое отличалось своеобразием; в эту эпоху сформировались крупнейшие рудные месторождения некоторых металлов, которых не знала последующая история земной коры. 2,6—2,4 млрд. лет назад в морях по не установленной до сих пор причине откладывались огромные количества соединений железа, впоследствии давшие крупнейшие железорудные месторождения мира, составившие славу Кривого Рога и Курской магнитной аномалии (КМА) в СССР, района озера Верхнее в Канаде, Минас-Жераис в Бразилии и многих других. В совокупности они содержат около половины мировых запасов железа. На щитах известны крупные месторождения золота, хрома, меди, никеля, цинка, свинца, серебра и других металлов. Для щитов характерны пегматитовые жилы с рудами бериллия, лития, тантала, ниобия и прочих редких элементов, а также месторождения драгоценных камней и слюды.
Итак, архейско-протерозойский этап истории земной коры характеризовался накоплением большой группы химических элементов, обязанной как эндогенным (магматическим, гидротермальным) так и экзогенным (поверхностным, низкотемпературным) процессам. С другой стороны, на щитах неизвестны месторождения солей, нефти, угля, газа, фосфоритов и других полезных ископаемых.
Причины подобной геохимической специализации щитов еще не полностью установлены, но, как и во многих других случаях, закономерности размещения элементов доказаны на огромном фактическом материале, и это помогает искать месторождения (хотя было бы лучше, если бы причины рудообразования были известны!).
Во многих районах платформ докембрийские изверженные и метаморфические породы перекрыты чехлом осадочных пород — осадками былых морей, рек, озер, ледников. Такие территории именуются древними плитами. Они особенно широко распространены в Евразии. На Русской плите складчатый докембрийский фундамент погружен на глубину в сотни и тысячи метров. Его перекрывают известняки, глины, пески и другие осадочные породы. Их изучение позволило установить сложную историю этой части платформы, показать, что для нее неоднократно были характерны эпохи опусканий, когда почти вся территория заливалась морем, а также эпохи поднятий, когда она становилась сушей и ареной деятельности рек и ветров, ареной оледенения, когда северная половина платформы покрывалась мощным слоем льдов. Менялись и климатические условия. И каждый из этих периодов оставил свои следы в виде различных комплексов осадочных горных пород, со многими из которых связаны полезные ископаемые. Но это другой комплекс, не тот, что на щитах. К числу важнейших относятся жидкие ископаемые — вода и нефть.
Для осадочного чехла плит, в том числе и для Русской плиты, характерны артезианские бассейны, содержащие несколько водоносных горизонтов. С глубиной состав вод изменяется: в приповерхностных горизонтах подземные воды в основном пресные (кроме юго-востока плиты), они широко используются для питьевого и технического водоснабжения. На средних глубинах (под Москвой на глубине нескольких сотен метров) залегают минеральные воды. Такова, например, полюбившаяся москвичам вода «Московская». На больших глубинах (сотни и тысячи метров) залегают хлоридные рассолы, которые местами по зонам разломов поднимаются к поверхности. Еще в Древней Руси такие рассолы использовались для выпаривания солей, имевших важное хозяйственное значение. Об этом говорят и географические названия городов Солигалич, Сольвычегодск, Соликамск. Происхождение глубинных рассолов на древних плитах (они известны и на Сибирской платформе) окончательно не выяснено, но имеется много оснований связывать их образование с растворением залежей солей, характерных для многих осадочных толщ.
Другое ценнейшее жидкое ископаемое — нефть, залежи которой известны и на древних — Русской, Сибирской, и на молодых плитах — Западно-Сибирской и Туранской.
В осадочном чехле древних и молодых плит концентрируются и газообразные углеводороды, образующие нередко самостоятельные газовые месторождения. Грандиозные запасы газа открыты на севере Западной Сибири, в Средней Азии, на Русской платформе (в Оренбургской, Саратовской и других областях). Нередко залежи газа находят там же, где и нефть, что позволяет говорить о нефтегазоносных провинциях.
К важнейшим полезным ископаемым осадочного чехла плит относится уголь (например, Подмосковный каменноугольный бассейн), железные руды, запасы которых, однако, сильно уступают докембрийским рудам. Происхождение руд также иное. Известны на плитах и руды алюминия (бокситы), меди («медистые песчаники»), фосфора (осадочные фосфориты). Для Русской и Сибирской плит характерны грандиозные залежи различных солей, в первую очередь поваренной соли (NaCl), калийных солей, в меньшей степени солей магния, бора, других элементов, в том числе и некоторых редких.
Рифейско-фанерозойские складчатые области
Их изучение привело к крупному обобщению — понятию о геосинклиналях. «Геосинклиналями, — писал академик Д. В. Наливкин, — обычно называют наиболее подвижные зоны земной коры, в которых накапливаются огромные толщи осадочных пород и проявляется разнообразный магматизм. В последующем все породы сминались в сложные складки и сильно преобразовывались — метаморфизовались. Вслед за складчатостью или одновременно с ней обычно вырастали высочайшие горы».
Сильное сжатие в условиях повышенных температур превращало осадочные породы геосинклиналей в метаморфические породы. При погружении осадочных пород на глубины, где господствовали температуры 100—400°, они также подвергались воздействию горячих вод (гидротерм), а при погружении в зону с температурой около 800—900° могли переплавляться, образуя силикатный расплав — магму. На больших глубинах сказывается и влияние потока газово-жидких растворов из мантии, так называемых флюидов, а также мантийных магм. По зонам разломов магма и горячие растворы местами достигали земной поверхности, создавая комплекс явлений вулканизма. Таким образом, в геосинклинальных зонах развивались своеобразные и интереснейшие геологические и геохимические процессы.
По времени последней складчатости различаются добайкальские, байкальские (в конце рифея), каледонские (в начале палеозоя), герцинские (в позднем палеозое), киммерийские (в мезозое) и альпийские (в кайнозое) складчатые области. Следы байкальской складчатости широко распространены в Восточной Сибири, каледонской — в Западной Сибири и Северном Казахстане, герцинской — на Урале, в Казахстане и Южном Тянь-Шане, Альпийской — в Карпатах, на Кавказе, Копетдаге и Памире, Курильских островах и Камчатке.
После завершения складчатости или одновременно с ней наступал орогенный период, т. е. горообразование, а затем за несколько миллионов лет горы полностью размывались реками с образованием волнистых равнин, которые в дальнейшем частично затоплялись морями, частично покрывались речными и другими континентальными отложениями. Так возникали молодые плиты и впадины — эпи (после) каледонские, эпигерцинские и другие, в которых под чехлом осадочных пород залегает складчатый фундамент рифейско-фанерозойского возраста. Иногда эти структуры именуют молодыми платформами. Их примером могут служить Западносибирская и Туранская плиты.
В результате последующих процессов активизации, о которых мы расскажем ниже, рифейско-фанерозойские складчатые области в настоящее время в основном характеризуются горным рельефом. Это Урал, Кавказ, Тянь-Шань, Гималаи, Кордильеры, Анды и другие высокие горные системы. Но местами для таких областей характерен холмистый рельеф (например, в Центральном Казахстане) или даже равнинный.
В разных складчатых областях геохимические процессы протекали не одинаково, что давно уже привлекало внимание исследователей, так как с геосинклиналями связано формирование многих рудных месторождений цветных, благородных и редких металлов.
Многовековый опыт поисков показал, что месторождения нередко вытягиваются в пояса длиной в сотни и тысячи километров. А. Е. Ферсман подчеркивал, что с первыми этапами формирования складчатых поясов связано излияние основных эффузивов, а с последними — интрузии гранитоидов, гидротермальные процессы. «Великий серебряный пояс на протяжении 3000 км прорезает Северную и Южную Америку, оканчиваясь где-то на юге Бразилии, с ним связана вся история человечества в XVI — XVII вв., и нельзя писать историю культуры Испании и Португалии, не учитывая рокового значения драгоценных металлов этого пояса», — писал ученый. Этот пояс является частью еще более грандиозного Тихоокеанского рудного пояса. Классические труды С. С. Смирнова, Ю. А. Билибина и их многочисленных последователей позволили установить геологические закономерности размещения подобных поясов. В Ленинграде во Всесоюзном геологическом институте (ВСЕГЕИ) возникла замечательная научная школа ученых-металлогенистов. Ее основатель, член-корреспондент АН СССР Ю. А. Билибин полагал, что складчатые пояса в своем развитии проходят ряд стадий — начальную, раннюю, среднюю, позднюю и конечную. Начальные и ранние стадии знаменуют собственно геосинклинальный этап (прогибания), для средней стадии характерно сжимание осадочных толщ, т. е. складчатость — инверсия геосинклинали, горообразование, для поздних и конечных стадий — консолидация, резкое преобладание разрывных нарушений (разломов), восходящие движения. С развитием складчатых поясов связана эволюция магматизма и рудообразования.
По Билибину, в ранние этапы накопилось 100% ресурсов платины, хрома, титана, ванадия, 90% никеля, в средние и поздние — 100% ресурсов олова, вольфрама, лития и бериллия, 76% золота.
Основную роль в рудообразовании складчатых поясов играют восходящие горячие растворы, мигрирующие по разломам. Из растворов осаждаются металлы, образуя так называемые гидротермальные месторождения. Эти процессы развивались преимущественно на глубинах от 0,5 до 7—8 км от земной поверхности. В зависимости от температуры, давления, состава растворов, многих других факторов из горячих вод (гидротерм) осаждались руды различных металлов. Применение законов физической химии, особенно термодинамики, позволило разобраться во многих деталях этих исключительно сложных явлений.
Обычно в гидротермальных рудах повышено (против кларка) содержание ряда металлов, что и позволяет выделять сурьмянортутные, свинцово-цинковые, медно-молибденовые и прочие типы месторождений.
Приведенная схема строения и развития геосинклинали представлена в обобщенном виде. Однако природа настолько сложна, что теория, как правило, охватывает лишь главное, типичное, а практический интерес часто представляет именно нетипичное, к которому, например, относятся так называемые уникальные месторождения. Они содержат грандиозные запасы металлов, но известны лишь в одном или очень немногих местах земного шара. Следует также иметь в виду, что отдельные зоны и стадии развития складчатых областей в разных регионах выражены то более, то менее сильно, рудообразование проявлено по-разному. Так, Уральские горы особенно богаты медью, железом, а Рудный Алтай — цинком, свинцом, а также другими полиметаллами, Тихоокеанский складчатый пояс в азиатском секторе — оловом, вольфрамом, медью, золотом, а в американском секторе, кроме того, еще свинцом, цинком и серебром. Подобные закономерности установлены для многих поясов, они позволяют успешно искать рудные месторождения. Что же касается причин подобных региональных различий, то, как и во многих других случаях, они еще во многом неясны и вызывают дискуссии.
Геохимия районов развития осадочных пород в складчатых областях, т. е. молодых плит и впадин, в общем, та же, что и древних плит платформ — нефть, газ, уголь, соли, руды железа, меди, алюминия и т. д.
На материках известны области, пережившие в фанерозое складчатость, перешедшие затем в стадию относительного тектонического покоя, превратившиеся в молодые плиты, но впоследствии, иногда через сотни миллионов лет, снова подвергшиеся процессам горообразования, а местами и магматизма. Однако последние по своему характеру существенно отличались от более ранних процессов. Так, например, во многих частях Тянь-Шаня складчатость закончилась в конце палеозойской или в самом начале мезозойской эры, т. е. примерно 200 млн. лет назад (герцинская складчатость). В то время здесь возникла высокая горная страна, которая полностью была размыта к концу триасового периода мезозойской эры (около 180 млн. лет назад). Образовалась грандиозная равнина с медленно текущими реками. В дальнейшем многие районы неоднократно затоплялись неглубокими («эпиконтинентальными») морями, после отступания (регрессии) которых местность снова превращалась в невысокую равнину. Так во многих районах Средней Азии продолжалось в течение почти всего мезозоя и кайнозоя, т. е. 170 млн. лет. Но во второй половине неогенового периода кайнозойской эры, около 10 млн. лет назад, по невыясненной до сих пор причине началась тектоническая активизация: одни районы поднялись на высоту нескольких километров, образовав современные грандиозные хребты Тянь-Шаня, а другие испытывали прогибание, и в них накапливались мощные осадочные отложения. Например, в Ферганской впадине мощность неоген-четвертичных осадков измеряется многими тысячами метров. Однако в отличие от герцинского этапа в эту эпоху в Средней Азии практически не проявился магматизм: активизация была только тектонической.
По-иному шло развитие Восточного Забайкалья. Здесь главный этап складчатости был в палеозое (каледонская и герцинская складчатости). В начале мезозоя, как и в Тянь-Шане, образовалась плита. Однако в мезозое началась тектоно-магматическая активизация, характеризовавшаяся не только горообразованием, но и магматизмом: здесь известны мезозойские граниты, широко распространены вулканические породы. Интересно, что вулканические извержения происходили еще геологически совсем недавно: в четвертичном периоде, тысячи лет назад — в Восточном Забайкалье, как и в соседней Монголии, известны хорошо сохранившиеся вулканические конусы молодых (четвертичных) базальтовых лав.
Регионы, по своей истории аналогичные Тянь-Шаню и Забайкалью, распространены широко, их именуют областями тектоно-магматической активизации. В этих областях также имеются выступы складчатого фундамента и участки, занятые осадочным чехлом, т. е. молодые плиты и впадины. Геохимия таких областей, с одной стороны, определяется процессами, протекавшими в эпоху древней складчатости, а с другой — молодыми процессами тектоно-магматической активизации. С обоими процессами связано разнообразное рудообразование.
Глубинные разломы
В жизни земной коры большую роль играют разрывы (разломы), по которым происходит перемещение в вертикальном направлении отдельных блоков друг относительно друга. По этим крупным трещинам циркулируют подземные воды. Особенно велика роль так называемых глубинных разломов, уходящих своими корнями в мантию, прослеживающихся на земной поверхности на сотни и тысячи километров и достигающих ширины нескольких десятков километров. Многие глубинные разломы существуют сотни миллионов лет. Зона глубинного разлома связывает верхнюю мантию и глубокие части земной коры с поверхностью. В таких зонах развиваются магматизм и гидротермальные процессы, к ним приурочены многие рудные пояса. Известны глубинные разломы, секущие различные структуры земной коры, захватывающие материки и океаны. Так, через всю Западную Африку от Гвинейского залива до Средиземного моря на тысячи километров простирается зона разлома, пересекающая породы различного возраста — от архея до палеозоя. Для этой зоны характерны мезозойские массивы гранитоидов, обогащенных вольфрамом, оловом и другими металлами.
Земная кора как особая система
Изучение земной коры с системных позиций представляет большой интерес. Особенно важно установить те главные противоположные процессы, взаимодействие которых обеспечивает единство земной коры как системы, увидеть в этих процессах механизм обратной связи, саморегулирования и тем самым подойти к кибернетике земной коры.
Земля получает солнечную энергию, которая расходуется на деятельность организмов, испарение вод, работу рек и многие другие процессы. Но в самой земной коре и мантии также существуют источники энергии. К ним относятся радиоактивный распад урана, тория, калия и других элементов. Роль этого источника в ходе геологического времени постепенно убывала, так как за миллиарды лет существования Земли часть содержавшихся в ней радиоактивных элементов распалась. Все же и в современную эпоху тепло, выделяемое радиоактивными элементами, значительно. Существуют и другие внутренние источники энергии.
Но если в земную кору непрерывно поступает энергия, то понятно, что эта система в целом неравновесна, хотя в отдельных ее частях и возможно достижение равновесия. Выражением неравновесности и является работа рек, горообразование, трансгрессии и регрессии морей, землетрясения, существование жизни.
Не только энергия, но и вещество поступает в земную кору извне. Особенно большое значение имеет миграция газов, паров, жидкой магмы из мантии, меньшую роль играет поступление вещества из космоса, преимущественно в форме метеоритов. С другой стороны, земная кора отдает вещество и энергию в космос и мантию. Поэтому земная кора не только неравновесная, но и открытая система.
Каковы же те противоположные процессы, взаимодействие которых определяет функционирование этой системы, какие из этих процессов главные? Легче ответить на первый вопрос, чем на второй. К противоположным процессам, например, относятся сжатие и растяжение. Сжатие, как отметил член-корреспондент АН СССР П. Н. Кропоткин, охватывает около 95% поверхности земной коры, с ним связана складчатость. Горизонтальное сжатие горных пород столь велико, указывает ученый, что при проходке туннелей и шахт от стенок выработок отскакивают куски горных пород, перегибаются железные балки.
Растяжение особенно характерно для рифтов — глубинных разломов, где происходит раздвижение блоков земной коры, а местами и излияние на поверхности магмы из мантии. Рифты обнаружены в осевых частях срединно-океанических хребтов, но известны они и на материках — в Восточной Африке, Западной Европе, на Байкале и других местах.
Во все геологические эпохи протекали также процессы поднятия блоков земной коры, приводящие к образованию возвышенных равнин и горных стран, и противоположные им процессы опускания, когда формировались впадины, частично затоплявшиеся морями.
За последние десятилетия установлено, что литосфера состоит из отдельных плит, включающих участки материков и океанов. Плиты передвигаются по поверхности астеносферы. Согласно тектонике плит, истоки которой восходят еще к трудам замечательного немецкого геофизика А. Вегенера (1880—1930), свыше 200 млн. лет назад существовал единый южный материк Гондвана. Он раскололся на отдельные плиты, которые к настоящему времени отплыли друг от друга на тысячи километров. Африка и Южная Америка в прошлом составляли единое целое. К Гондване относились Австралия, полуостров Индостан, Антарктида. В Северном полушарии также существовал крупный материк Лавразия, расколовшийся на литосферные плиты.
Согласно тектонике плит в рифтах срединно-океанических хребтов по глубинным разломам из мантии поступала магма, образующая при застывании новую океаническую кору. Это зона спрединга, рождения литосферной плиты. В рифтах астеносфера залегает ближе всего — по некоторым данным, на глубине около 20 км (на платформах — 200 км). Вновь возникшая литосферная плита со скоростью 1—10 мм в год (100— 1000 км за 100 млн. лет) перемещается по поверхности астеносферы к зонам сжатия или субдукции, где она засасывается по глубинному разлому в мантию. В зоне субдукции происходит складчатость, расположены очаги землетрясений, это типичные геосинклинали.
К другой группе противоположных процессов относятся осадкообразование и эрозия поверхности материков, а также многие другие геологические процессы. Следовательно, противоположных процессов много, они грандиозны по своим конечным результатам, но какие из них являются тем главным «механизмом», который обеспечивает развитие земной коры? Мы вернемся к этому вопросу в последней главе, в связи с понятием о большом круговороте вещества и превращении энергии в литосфере.
Историческая геология накопила огромное количество фактов, свидетельствующих о необратимом, поступательном и прогрессивном развитии земной коры за время ее истории, начиная с архея, т. е. почти за 4 млрд. лет (самые древние горные породы на щитах имеют возраст около 3,9 млрд. лет).
В тектоно-магматической истории нашей планеты петрографы устанавливают 5 стадий:
- лунная (ранее 3,5 млрд. лет);
- нуклеарная (3,5—2,5 млрд. лет — архей);
- кратонная (2,5—1,5 млрд. лет — протерозой); По другим данным, рифей начался 1,7 млрд. лет назад.
- континентальная (1,5—0,25 млрд. лет — рифей и палеозой);
- континентально-океаническая (позже 0,25 млрд, лет — мезозой и кайнозой).
В «лунную» стадию формировалась первичная кора, предположительно аналогичная по составу широко распространенным на Луне древним породам, так называемым анортозитам, и другим (они известны и в земной коре). В нуклеарную стадию началось образование протоконтинентов, а в кратонную уже оформились ядра платформ, земная кора достигла мощности 40 км, в ней интенсивно развивались процессы гранитоидного магматизма. В это время появились складчатые пояса, развивались процессы тектономагматической активизации. Полного развития они достигли в следующую континентальную стадию, когда очень разнообразными стали и магматические процессы. На последней континентально-океанической стадии произошел распад Гондваны, раздвижение литосферных плит привело к образованию Атлантического и Индийского океанов, оформились современные континенты.
Если говорить об истории лучше изученной протерозойско-рифейско-фанерозойской стадии развития земной коры, то за это время происходило разрастание плит и сокращение геосинклиналей, росла мощность гранитного слоя, уменьшался общий объем и мощность вулканогенных пород, увеличивалась относительная роль поднятий, континентального осадконакопления, наземного вулканизма, кислых интрузий и соответственно уменьшалось значение опусканий, морского осадкообразования, подводного вулканизма и основных интрузий.
Эволюционировало и рудообразование. Это особенно детально изучено на примере урановых месторождений, которые начали формироваться в протерозое (в архее их не было). Для последующих эпох характерны разные типы этих месторождений. Например, только в протерозое известны так называемые ураноносные конгломераты и только в мезокайнозое особый инфильтрационный тип месторождений.
Положение о развитии земной коры, по мнению автора, составляет один из важнейших законов геологии, который можно именовать законом эволюции земной коры. Он — плод коллективной геологической мысли ряда поколений ученых многих стран, в том числе и выдающихся ученых нашей страны.
Напомним, что с позиций кибернетики развитие основано на механизме положительной обратной связи, когда результат процесса усиливает его и система удаляется от первоначального состояния. Естественно предположить, что положительная обратная связь характерна и для земной коры, что, установившее, мы ближе подойдем к пониманию закономерностей развития коры. В этом состоит важность применения положений кибернетики к исторической геологии.
Вероятно проявление в земной коре и отрицательной обратной связи, которая должна находить выражение в явлениях устойчивости, стабилизации, саморегулирования. Так, проявление отрицательной обратной связи видно в усилении процессов донудации с возрастанием высоты гор (результат процесса — горообразование приводит к его ослаблению — размыву гор). Проявление отрицательной обратной связи следует искать и в периодичности развития, которая была установлена для земной коры наряду с ее прогрессивной эволюцией. Так, в ходе геологической истории неоднократно повторялись эпохи складчатости и горообразования, большие трансгрессии. Так, в меловом периоде значительная часть западной половины нашей страны (западнее Енисея) была затоплена морями, которые отступили в самом конце этого периода (около 70 млн. лет назад). В начале следующего палеогенового периода снова произошла грандиозная трансгрессия.
Периодически повторялись эпохи вулканизма, сухих и влажных климатов, крупных оледенений, которые установлены в конце докембрия, палеозоя и кайнозоя. Все это позволяет говорить о втором законе развития земной коры — законе периодичности, цикличности. Поскольку повторяемость происходит на фоне необратимого развития, то, как это неоднократно отмечалось, правильнее говорить не о цикличности, а о циклоидальности развития земной коры и отдельных ее частей. Циклоида — линия, совершаемая точкой, находящейся на ободе движущегося колеса. Нетрудно убедиться, что в этом находит конкретное выражение общий закон диалектического развития — по спирали.
В фанерозое продолжительность крупных геологических циклов близка к галактическому году, причем намечается ускорение развития земной коры: по расчетам Н. Ф. Балуховского, с палеозоя по кайнозой длительность циклов уменьшилась с 240 до 150 млн. лет. Установлены и более короткие тектонические циклы, продолжительностью 88±22 млн. лет, 44±11, 22±5, 5,5±2 млн. лет и т. д.
Галактический год — время обращения Солнца вокруг центра Галактики, равный примерно 180—220 млн. лет.
Д. В. Рундквист пришел к выводу, что последовательность процессов в циклах различной продолжительности аналогична. Это положение ученый назвал геогенетическим законом: в каждом относительно коротком цикле устанавливаются те же основные особенности эволюции, что и в крупном цикле, захватывающем больший отрезок времени. Рундквист установил действие этого закона в развитии минералов, формаций пород, магматизма, эндогенных месторождений. Так, общая тенденция развития магматизма состоит в эволюции от основных форм, которые господствовали в раннем архее, к кислым и щелочным. Но и в развитии отдельных интрузий гранитоидов ранние фазы являются более основными, а поздние — более кислыми. Подобная же закономерность характерна для отдельных вулканических циклов, например, для палеозойского вулканизма Казахстана и Урала, мезокайнозойского — Дальнего Востока и Карпат.
Итак, причины повторяемости геологических процессов необходимо искать в механизме отрицательной обратной связи. Это должно помочь пониманию причин таких характерных особенностей геологической истории, как периодизм складчатости, магматизма, горообразования, трансгрессий и регрессий морей.
Многие советские и зарубежные ученые подчеркивают, что развитие земной коры в целом направлено в сторону накопления информации, т. е. увеличения сложности и разнообразия, уменьшения информационной энтропии (роста ее обратной величины — негэнтропии). Д. В. Рундквист показал это на примере эндогенного рудообразования: в более ранние эпохи, например, в докембрии, формировались преимущественно метаморфогенные и собственно магматические месторождения, в фанерозое — более разнообразные гидротермальные месторождения. При этом усложнялся минеральный состав руд, росло содержание металлов в рудах. Эта закономерность прослеживается и в более частных случаях, например, в эволюции рудообразования, связанного с гранитоидами: с ранними докембрийскими гранитоидами связаны пегматиты, с палеозойскими — более разнообразные, так называемые скарновые и грейзеновые, месторождения, с мезозойскими — еще более разнообразные гидротермальные месторождения.
Увеличение сложности и разнообразия не носило монотонный характер: в отдельные эпохи происходили скачки в накоплении информации. Так, в эпоху складчатости, образования гидротермальных месторождений, дифференциации магмы быстро увеличивалось разнообразие земной коры.
Уменьшение энтропии и рост сложности не происходит самопроизвольно, для этого необходим приток энергии извне. Непрерывное поступление в земную кору солнечной, радиоактивной, а возможно, и других видов энергии определило не только неравновесность систем земной коры, их богатство свободной энергией, но и увеличение сложности и разнообразия.
Автор: Александр Ильич ПЕРЕЛЬМАН, старший научный сотрудник Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) АН СССР, профессор географического факультета Московского университета.