Три группы горных пород

Едва ли можно продолжать рассуждать о породах, не объяснив, что же они собой представляют.

В состав вещества земной коры входит более 100 химических элементов в различных количествах. Восемьдесят семь процентов (по весу) составляют кислород, кремний, алюминий и железо. Эти и другие менее распространенные элементы соединяются в различных соотношениях и образуют минералы, в большинстве своем представляющие твердые кристаллические тела, обладающие жесткой трехмерной кристаллической решеткой, подобной стальному каркасу здания.

Отчасти благодаря геометрической правильности их решетки минералы обладают определенными физическими свойствами, по которым их можно определять. Существует более 2000 минералов, но только небольшое число их является важными составными частями обычных на земной поверхности горных пород.

Породы представляют собой сочетание двух или нескольких (иногда многих) минералов, но некоторые породы состоят всего из одного минерала. Известны сотни пород, однако лишь немногие из них широко распространены. Кусок обычного гранита такого размера, что его легко можно держать в руке, может состоять из сотен кристаллических зерен пяти или шести обычных минералов и небольшого количества редких минералов, которые не имеют значения для целей нашего весьма общего обзора.

Изучив десяток-другой образцов, можно видеть, что породы делятся на три большие группы. Первая включает магматические породы, образованные при затвердевании жидкой горячей магмы. Другая – метаморфические («измененные») породы, возникшие в результате преобразования в твердом состоянии существовавших ранее пород под действием давления или тепла, или того и другого вместе. Наконец, существуют осадочные породы, созданные осаждением обломков и других продуктов разрушения существовавших ранее пород.

Эти три группы пород образуются в различных частях земной коры: осадочные породы – на поверхности, а два других вида большей частью на значительных глубинах. Но каждый вид пород может подвергнуться, конечно, медленному перемещению из зоны, где он был образован, в другие зоны. В результате этих медленных перемещений горные породы оказались перемешанными, так что сейчас мы видим на поверхности Земли все три группы. Чтобы проследить хотя бы в общих чертах историю развития земной коры, мы должны внимательно изучить горные породы.

Магматические породы. При геотермическом градиенте 30 на 1 километр точка, находящаяся на глубине 40 километров под поверхностью континента, будет иметь температуру 1200°. Лабораторные эксперименты по «изготовлению» пород показывают, что при этой температуре и небольшом давлении, существующем на поверхности Земли, некоторые породы плавятся. Однако в глубинах земной коры огромный вес вышележащих пород повышает температуру плавления настолько, что большая часть материала на этой глубине не может перейти в жидкое состояние. Но небольшое количество все же плавится, образуя очаги расплавленного вещества (которое в том случае, если оно не выходит на поверхность Земли, мы называем магмой). Предполагается, что такие очаги существуют в различных местах в толще коры.

Будучи жидкостью, магма подвижна. Приходя в движение, она стремится двигаться к поверхности. Частично она расплавляет породы на своем пути, образуя полость в земной коре, подобно тому, как паяльная лампа расплавляет кусок металла; движению магмы вверх способствует сила расширения газов, растворенных в ней. По мере ее движения вверх (процесс, который обычно происходит очень медленно) давление и температура убывают, и в какой-то точке начинается затвердевание. Начинают формироваться молекулы твердых минералов, к которым, как к ядрам, притягиваются другие подобные молекулы. При соединении достаточного количества сходных молекул образуются кристаллы, небольшие вкрапления твердого вещества в толще магмы. Количество и размеры этих вкраплений постепенно возрастают, и магма превращается в горячую кашеобразную массу. В конце концов эта смесь полностью затвердевает, и образуется магматическая порода, хотя еще и очень горячая. Вновь образовавшийся массив гранита может иметь температуру 700°, и для его остывания может потребоваться более десяти миллионов лет, настолько медленно происходит отток тепла через толщу залегающих выше пород.

В случае, если магма поднималась медленно и затвердевание ее происходило задолго до того, как она достигла поверхности, оно требовало много времени. За это время группирующиеся молекулы минералов успевали построить крупные кристаллы размером несколько миллиметров в диаметре каждый. Образовавшаяся таким образом магматическая порода была крупно-зернистой. Но если движение магмы происходило быстрее и она, достигнув поверхности, изливалась наружу в виде лавы, как изливается из скважины вода, кристаллы оставались маленькими (диаметром 1–2,5 миллиметра и меньше), так как не успевали приобрести большие размеры. В крайнем случае магма достигала поверхности раньше, чем успевали образоваться ядра кристаллизации; быстрое охлаждение при соприкосновении с атмосферой могло вызвать затвердевание желеобразной массы, лишенной кристаллов. Горная порода, образовавшаяся таким путем, не является кристаллической; это природное стекло.

Для нас эта последовательность процессов интересна в том отношении, что, когда мы находим на поверхности Земли крупный массив гранитов или других магматических пород, мы можем быть уверены, что их затвердевание произошло в толще земной коры. Если это так, то мы знаем, что после затвердевания пород в течение долгого времени, может быть миллионов лет, происходили эрозионные процессы, которые разрушили вышележащие слои и вывели эти породы на дневную поверхность. Вместо поднятия магмы к земной поверхности происходило постепенное снижение поверхности до уровня глубоко залегавших твердых пород. Таким образом, выходящий на поверхность массив горной породы подобен фундаменту древнего разрушенного здания, О глубине, на которой образовалась порода, свидетельствует не только размер зерен, но и те минералы, с которых началась кристаллизация магмы. При искусственном создании магматических пород в лаборатории в условиях контролируемого давления было установлено, какое давление требуется для образования в магме ядер кристаллизации различных минералов. При этом легко может быть рассчитана глубина, соответствующая данным значениям давления.

Многие разновидности магматических пород большей частью, хотя и не полностью, зависят от химического состава земной коры в тех местах, где возникают магматические очаги. Но, как мы уже говорили, на континентах состав пород (залегающих как на поверхности, так и в глубине), несмотря на местные отклонения, в среднем приближается к составу гранитов, в то время как состав пород ложа океанов почти целиком соответствует базальтам.

Рис. 5. Тела магматических пород и их соотношение. Самые крупные массивы называются батолитами, а их пальцеобразные ответвления – штоками. Грубо-кристаллические разности свидетельствуют о затвердевании на глубине, мелкокристаллические – вблизи поверхности, лишенные кристаллической структуры – на поверхности Земли. Масштаб не выдержан.

Массивы магматических пород могут иметь различную форму и размеры. На рисунке 5 дан типичный пример того, как после затвердевания огромного батолита и отходящих от него жил эрозия удалила большую толщу породы; позднее начал формироваться вулканический конус и лавовые потоки. Таким образом, на схеме представлены по крайней мере две генерации магматических пород.

Метаморфические породы. Хотя эти породы подобны магматическим, так как состоят из связанных между собой кристаллов, их отличием является то, что они образуются не из расплава. Многие из них обладают подобием слоистости – сланцеватостью, которая вызвана группировкой минералов в «слои» в результате химического обмена в условиях высокого давления, при котором происходит образование новых минералов. Этот процесс образования – или, точнее, преобразования – происходит без расплавления, при сохранении твердого состояния породы. Давление, необходимое для образования сланцеватости, соответствует глубинам около 10–30 километров в зависимости от того, какие новые минералы образуются в породах в ходе этого процесса. Таким образом, сланцеватые метаморфические породы свидетельствуют о том, что для того, чтобы эти породы вышли на дневную поверхность, эрозия должна была уничтожить 10–30-километровую толщу вышележащих пород.

Другие метаморфические породы, например кварцит или мрамор, не имеют сланцеватости. В основном они являются результатом перекристаллизации осадочных пород, погруженных на большую глубину и насыщенных горячей водой, но не подвергавшихся большому давлению. Поэтому они имеют кристаллическую структуру, но не обладают сланцеватостью.

Осадочные породы. Как возникают осадочные породы, показано на фото 2, изображающем стену каньона в горах Абсарока, западный Вайоминг. Массив магматических пород прорезан крутопадающими узкими долинами, созданными стоком дождевых вод. Большая часть обломков пород, которые выносятся из этих долин, в том числе и малых притоков, отлагается в их устьях. Отложения на рисунке образуют два конусообразных скопления, в плане напоминающих веер, наложенных на плоское дно более крупной долины, небольшой отрезок которой виден в передней части фотографии. Эти два аллювиальных конуса выноса, сложенные галькой и песком, представляют раннюю стадию размыва и переотложения материала горных пород. Коренные породы на поверхности Земли постепенно разрушаются и превращаются в рыхлый материал, который перемещается на более низкие уровни и отлагается. В рассматриваемом случае отложение происходит в тех местах, где течение временных водотоков замедляется вследствие резкого уменьшения уклона при выходе на плоскую поверхность.

Фото 2. Аллювиальные конусы выноса у подножия горного склона в западном Вайоминге. Во время последнего ливня дождевые воды прорезали русло в верхней части одного из конусов, но образовавшийся при этом материал был отложен ниже по склону в виде удлиненного скопления.

Галька и песок, слагающие конусы выноса, представляют собой осадок. Если размыва и переотложения их не происходит, то со временем осадочные слои уплотняются, частицы их цементируются минеральным веществом, растворенным в воде, которая просачивается сквозь толщу осадка. Тогда осадок превращается в осадочную породу. Такую породу можно сравнить с блоком бетона для покрытия дороги или фундаментом здания, состоящим из обломков пород, скрепленных цементом.

В масштабах геологического времени продолжительность существования большинства конусов выноса невелика, так как они образуются в местах, доступных для эрозии. Большей частью конусы выноса являются местом временной остановки в движении осадков, которое заканчивается в более крупном и более отдаленном бассейне, а возможно, и в море.

Предыдущая | Оглавление | Следующая