Экзогенные геологические процессы
После формирования на Земле атмосферы и гидросферы первичный рельеф Земли начинает интенсивно разрушаться. Начинается мобилизация вещества для будущих осадков, его перемещение к месту отложения, сам процесс седиментации, или накопления осадка. После накопления осадка наступает вторая важнейшая стадия – образование из осадка породы, - которая называется диагенезом. Процессы разрушения первичных пород, транспортировки продуктов разрушения и формирования новых осадочных пород относятся к экзогенным геологическим процессам. Их движущей силой является энергия Солнца и гравитационная энергия. Образовавшаяся осадочная порода, попадая на все большие глубины с повышающимися температурой и давлением, вынуждена приспосабливаться к ним и сильно меняться, так как ее составные части и строение были сформированы в совсем иных термодинамических условиях экзосферы. Эти изменения называются катагенезом.
Таким образом, формирование осадочных пород проходит следующие надстадии и стадии:
I. Седиментогенез.
1. Выветривание.
2. Денудация и перенос, или миграция, вещества.
3. Накопление, или седиментация.
II. Литогенез.
4. Диагенез.
5. Катагенез,
Большинство пород проходит все эти стадии. Однако в истории многих пород ряд стадий выпадает, либо они еще не вступили в превращения той или иной стадии. Осадкообразование на поверхности Земли неравномерно. Выделяются области повышенных и пониженных темпов накопления осадков. Можно выделить главнейшие области осадкообразования. Поступления терригенного материала с континентов служит основной для образования поясов седиментации вокруг них, создается так называемая циркумконтинентальная зональность. А.П. Лисицын выделяет три главных пояса максимального накопления осадочного материала.
Первый пояс связан с рубежом река-море. Интенсивная седиментация приводит к образованию гигантских осадочных линз. Основная масса осадков отлагается в дельтах рек и иногда в далеко выдвинутых в море или океан их подводных частях - авандельтах. Особенно выделяются размерами тела, образованные выносами рек Ганг, Брахмапутра, Янцзы, Хуанхэ и Миссисипи.
Второй глобальный пояс максимумом осажденного вещества тяготеет к континентальным склонам и их подножия. Здесь одной из основных аккумулятивных форм являются глубоководные конусы выноса, имеющие, как и дельты, весьма сложное строение.
Третий пояс седиментации, менее четко выраженный, связывают с более глубоководными зонами океанов - желобами и котловинами. Динамо-седиментационные условия в зонах максимального накопления осадков предопределили существование глубоких компенсированных прогибов, которые мы называем осадочными (или осадочно-породными) бассейнами. Эти бассейны являются родиной углеводородов. В приконтинентальных областях, наряду с терригенным, происходит и биогенное образование мощных карбонатных и кремнистых толщ.
Седиментогенез – одна из главнейших стадий в формировании горной породы. Он осуществляется в три этапа, последовательно сменяющих друг друга:
- образование осадочного материала;
- перенос (транспортировка) осадочного материала;
- накопление осадка.
Образование осадочного материала осуществляется в различных физико-географических условиях. Источниками и местами его формирования являются литосфера, гидросфера, атмосфера, глубинные недра планеты и космическое пространство.
С течением времени роль источников образования осадочного материала не остается постоянной. Известно, например, что в осадочных образованиях сформировавшихся на заре геологической истории Земли, существенную роль играли продукты вулканической деятельности. В настоящее время главнейший источник осадочного материала – литосфера.
Литосфера. Образование осадочного материала в литосфере происходит вследствие выветривания – механического раздробления и химического разложения пород различного состава генезиса.
Механическое раздробление происходит лишь в самой верхней части литосферы (под действием ветра, речных вод, временных потоков, морских течений, волновых ударов, атмосферных осадков, и т.д.)
Химическое разложение происходит, главным образом, под действием природных вод. Заметное влияние оказывают также свободный кислород, углекислый газ, органические и неорганические кислоты (образующиеся в основном при вулканических извержениях). Энергичный растворитель многих природных минеральных и органических соединений – вода.
Кроме того, на поверхности Земли осадочный материал образуется за счет продуктов жизнедеятельности растительных и, в меньшей степени животных организмов. Процессы выветривания горных пород и минералов происходят на суше и на дне водных бассейнов.
Атмосфера. Газы, составляющие атмосферу, играют важную роль в формировании осадочного материала. Углекислота, кислород и азот – один из главных компонентов мощных толщ известняков, доломитов, каменных углей, рассеянного органического вещества. Кроме того, атмосфера является и местом образования осадочного материала. Во время штормов с поверхностей морей и океанов срывается огромное количество пылевидных частиц воды. После ее испарения в воздухе остаются мельчайшие частички солей, представляющих собой осадочный материал. В благоприятных условиях они, достигнув суши, могут отложиться в виде осадков и выпасть на землю вместе с атмосферными.
Гидросфера играет огромную роль в образовании осадочного материала. В 1 км3 воды современного мирового океана содержит около 35 млн. тонн растворенных веществ и от 350 до 500 тонн взвешенных частиц. Весь этот материал поступал в гидросферу за счет сноса с суши, разрушения рифов, морских берегов, островов, образования подводных каньонов, в результате гальмиролиза (подводного выветривания), вулканической деятельности, жизнедеятельности организмов, а также вследствие поступления из космического пространства. Растворенные и газообразные вещества переходят в твердую фазу и образуют осадочный материал в результате химических реакций и жизнедеятельности животных и растительных организмов как в толще воды, так и в осадке.
Глубинные недра планеты. Осадочный материал из недр Земли поступает главным образом в результате вулканической деятельности в виде твердой, жидкой и газообразной фазы. Твердая фаза представлена вулканическими бомбами, лапиллями, вулканическим пеплом и пемзой. Вулканические бомбы образуются при выбросе обрывков лавы в атмосферу, округляющихся и затвердевающих в полете. Бомбы и лапилли отлагаются поблизости от вулкана (на склонах, у подножья). Мелкие частицы разносятся ветром на значительные расстояния – десятки и сотни километров, а пылеватые (мельче 0,01 мм) могут быть рассеяны на поверхности всей планеты. При подводных извержениях области разноса твердых частиц обычно меньше. Среди твердых продуктов вулканической деятельности наибольшее значение, как осадочный материал, имеют вулканический пепел.
Космическое пространство поставляет на Землю осадочный материал в виде метеоритов, метеоритной и космической пыли.
Перенос осадочного материала. Образовавшийся в различных обстановках осадочный материал в большинстве случаев не остается на месте. Под действием внешних сил он перемещается и накапливается в понижениях рельефа суши или на дне водоемов. Транспортировка осадочного материала осуществляется в водной, воздушной и твердой (ледники) средах. Во всех случаях решающую роль играет сила тяжести – именно она обуславливает перемещение ледников, рек, регламентирует дальность переноса атмосферой. Некоторую работу по переносу осадочного материала осуществляют и живые организмы.
Вода – один из основных агентов переноса осадочного материала. Реки, временные потоки (возникающие при выпадении атмосферных осадков, таянии снега и льда), морские и океанические течения несут огромное количество обломочных, коллоидных органогенных компонентов и растворенных веществ. Величина переносимых обломочных частиц и органогенных остатков в значительной мере определяется скоростью перемещения водных потоков и плотностью материалов.
Помимо обломочного материала вода переносит большое количество веществ в коллоидном и растворенном состоянии, а также биогенных фрагментов.
Атмосфера играет важную роль в процессе переноса осадочного материала. Ее транспортирующая способность определяется скоростью движения воздушной массы. Надо иметь в виду, что плотность воздуха несравненно ниже, чем воды, поэтому и транспортирующие возможности при равной скорости воздушной массы во много раз меньше, чем у водной. Расстояние, на которое перемещается осадочный материал с помощью атмосферы, определяется, прежде всего, размером частиц, постоянством скорости и направления воздушного потока.
Лед выполняет большую транспортирующую работу. Различают льды материковые и морские. Современные материковые льды распространены в высоких широтах на островах (о. Гренландия, Виктория, Новая Земля и др.). Материковые льды обладают способность перемещаться вниз по падению каменного ложа. Скорость их движения зависит от целого ряда факторов (уклон ложа, мощность ледника и др.) и составляет обычно от долей до 5 м/сут., но иногда достигает 30 – 40 м/сут. В процессе перемещения лед увлекает с собой обломки пород самого различного размера – от пелитовых частей до крупных глыб.
Из морских льдов как средство переноса осадочного материала имеют значение лишь прибрежные (припай), которые достигает дна водоема. Под действием сильных ветров и приливно – отливных течений лед ломается, отторгается от дна вместе с вмерзшим осадком и уносится от берега. В результате таяния таких льдов происходит переотложение прибрежных осадков часто на значительном удалении от берегов.
Действие силы тяжести играет огромную роль в транспортировке осадочного материала. Эта сила проявляет себя самостоятельно и при переносе осадочных частиц водой, атмосферой и ледниками. Сила тяжести наиболее ярко проявляется в горных районах, особенно при землетрясениях, вызывающих интенсивное растрескивание пород, ослабляющее силы связи между составными частями породы, отдельными пластами, участками и блоками. Эффективно сила тяжести проявляется в морях и океанах. Именно с ней связано возникновение турбидных (мутьевых) потоков.
Растительные и животные организмы не имеют большого значения при транспортировке осадочного материала. Как пример содействия транспортирующей деятельности рек и моря можно указать на травяные растения и деревья, перемещающиеся в водных потоках вместе с минеральными обломками, застрявшими в их корнях. Без участия растительности эти обломки сразу осели бы на дно.
Роль упомянутых сил природы в транспортировке осадочного материала в различных географических условиях неодинакова. Во влажных районах с растительным покровом (на равнинах и горах) перенос осадочного материала в основном осуществляется водными потоками. В областях развития пустынь основную работу в процессе транспортировки выполняет атмосфера. В высокогорных районах и полярных областях перенос обломков осуществляется движущимися ледниками и под действием силы тяжести (в горной местности). Течения и волнения осуществляют перемещение основной части осадочного материала в морских и океанических бассейнах. В тектонически-активных областях в пределах континентального склона перенос осадочных частиц осуществляется, в значительной мере, турбидитными потоками.
Накопление осадка. Осадочный материал, растворенные и газообразные вещества, находящиеся в состоянии неустойчивого равновесия, при взаимодействии с окружающей средой, между собой и при участии могут перейти в осадок. Места его накопления – водные бассейны и поверхность суши, однако значения первых несравненно выше. Общий облик осадка и его физико-химические признаки определяются с одной стороны качеством и количеством поступающего осадочного материала. С другой – физико-географической обстановкой и свойствами среды, в которой происходит седиментогенез.
В процессах переноса и осаждения осадочного материала происходит осадочная дифференциация. Сущность этого процесса в том, что под влиянием механических, химических, биологических и физико-химических процессов происходит рассортировка осадочного материала.
Механическая дифференциация – это один из наиболее ярко проявляющихся способов рассортировки осадочного материала. Она происходит при транспортировке и осаждении обломков минералов, горных пород, скелетных остатков организмов и отмерших остатков растений.
Химическая дифференциация – это совокупность химических процессов, происходящих в гидросфере, вызывающих последовательный переход растворенных веществ в твердую фазу и осаждение возникших продуктов в бассейне седиментации.
Биогенная дифференциация заключается в избирательном превращении растворенных и газообразных компонентов в минеральные скелетные образования или органические ткани в результате жизнедеятельности организмов.
Физико-химическая дифференциация – присуща коллоидному материалу. Она осуществляется в водной среде под действием физико-химических сил, вызывающих укрупнение частиц вследствие коагуляции коллоидных растворов и явления сорбции.
Стадия диагенеза. Осадок, сформировавшийся в стадию седиментогенеза, представляет собой неравновесную в физико-химическом отношении систему, состоящую из твердой и жидкой, твердой и газовой или всех трех фаз совместно. Значительную часть осадка составляют жидкая или газообразная фазы.
Диагенез это, прежде всего уплотнение и обезвоживание осадков под возрастающей нагрузкой отложений более молодого возраста. В зависимости от структуры и состава уплотнение тех или иных образований имеет свои особенности. Быстрее всего оно достигается в вулканогенных и карбонатных кластических осадках, несколько дольше этот процесс в песках и алевритах терригенного состава и кремнистых осадках биогенного происхождения, с наибольшей длительностью продолжается уплотнение глинистых осадков, которые изначально характеризуются очень высокой пористостью и влагонасыщенностью.
По физико-химическим свойствам осадочные породы радикально отличаются от осадков: неуравновешенная система уравновешена, что выражается в присутствии многочисленных минералов и конкреций.