Геологические факторы развития биосферы

В.Ф.Попов, О.Н.Толстихин

Развитие биосферы и геологической среды Земли тесно взаимосвязаны. Так, один из главных методов периодизации геологической истории - палеонтологический, основан на эволюции органического мира. Многие исследователи, в том числе и Альфред Вегенер (1910-1912 гг.), рассматривая очертания материков предполагали, что континенты раскололись из одного суперконтинента палеозойской эры - Пангеи. Только в конце 60-х годов ХХ столетия представления о движении континентов превратились из гипотезы в стройную теорию тектоники плит.

Твердые горные породы над астеносферой принято называть литосферой (каменной оболочкой), ее мощность составляет 150-300 км под континентами и от нескольких километров до 90 км - под океаном. Литосфера объединяет самую верхнюю часть мантии земную кору и состоит из семи больших и нескольких более мелких литосферных плит.

Сейсмические исследования показывают, что под земной корой вещество находится не в расплавленном состоянии, а в твердом вплоть до границы с ядром Земли. А очаги расплавленной магмы (магма - тесто, густая мазь, гр.) образуются лишь время от времени в некоторых местах. Литосфера и земная кора, будучи ее составной частью, “плавают” на астеносфере - разогретом и сравнительно пластичном веществе. Литосферные плиты движутся относительно нижней мантии и ядра в вертикальном и горизонтальном направлениях. Эти движения обусловлены циркуляцией или конвекцией мантийного вещества под действием внутриземного тепла и иных эффектов.

В областях, где конвективные кольца сходятся в восходящий поток, литосфера приподнимается и раздвигается в стороны, при этом образуются срединно-океанические хребты с рифтами (трещина, щель, англ.), простирающимися в их осевой части. По трещинам может изливаться базальтовая магма, которая застывая образует кристаллическую породу, таким образом происходит образование океанической коры и раздвижение морского дна или спрединг (развертывание, расстилание, англ.) со скоростью от нескольких миллиметров до 36 см в год. Именно в центральной части срединно-океанических хребтов в 70-х годах ХХ века были обнаружены черные курильщики. Там, где циркуляционные потоки мантийного вещества встречаются, происходит надвигание одной плиты на другую. При этом более древняя и тяжелая океаническая плита наклонно погружается под более молодую и легкую океаническую или континентальную плиту, этот процесс называется субдукцией, а на дне океана образуются глубоководные желоба (рис.4.3). Таким образом, литосферные плиты движутся от срединно-океанических хребтов, где разрастается океаническая литосфера, к глубоководным желобам, где она поглощается в мантию. В случае столкновения двух континентальных плит происходит коллизия. Континентальные литосферные плиты, состоящие в основном из гранита, оказываются настолько легкими, что не поддаются затягиванию в более плотную астеносферу. Таким образом, образуются нагромождения высочайших гор, например поднятие цепи Гималаев или Тибетского нагорья в результате столкновения Индостана с южным краем Евроазиатского континента, начавшееся 45-50 млн лет назад и продолжающееся поныне.

Нечто подобное наблюдается и в континентальных рифтовых зонах. В частности, раздвижение земной коры с формированием Байкальского рифта, наряду с формированием Байкальской озерной впадины с глубинами более 1500 м, привело к воздыманию системы горных хребтов по периферии впадины Байкала. Движение литосферных плит обуславливает огромные напряжения в горных породах, которые разряжаются через землетрясения. Действительно, очаги землетрясений четко выражены по краям или границам литосферных плит. Наклонные зоны субдукции или Беньофа, проникающие глубоко в мантию Земли, являются скоплением самых мощных очагов землетрясений. При субдукции океаническая плита попадает в область высоких давлений и температур, примерно на глубине 100-200 км из нее выделяются флюиды, которые поднимаются наверх и накапливаются у подошвы земной коры и внутри нее, где образуются очаги магмы. Время от времени она прорывается на земную поверхность и вызывают извержения вулканов. Именно над зонами Беньофа размещаются цепи действующих вулканов, которые протянулись на многие тысячи километров вокруг Тихого океана.

Ежегодно во всем мире случается не меньше 100 тыс. землетрясений обусловленных различными геологическими процессами, которые могут ощутить органы чувств человека, а фиксируемых чуткими сейсмическими приборами около 1 млн.

Движение литосферных плит, землетрясения и вулканизм относятся к эндогенным геологическим процессам, обусловленные внутриземными силами. В отличие от них экзогенные процессы связаны с внешними силами в зоне гипергенеза (гипер - над, сверху, гр.) - самой поверхностной зоне земной коры. Прежде всего, это процессы, приводящие к разрушению горных пород под действием совокупности различных факторов, таких как колебания температуры, химическое воздействие различных газов и растворов, жизнедеятельность живых организмов, замерзание и таяние воды, движения жидкостей и газов. В зависимости от преобладания тех или иных факторов выделяют физическое, химическое и биогенное выветривание.

Экзогенные геологическтие процессы правомерно подрездалить на две взаимосвязанные категории: процессы денудации и процессы аккумуляции вещества. Денудационные процессы обязаны всем указанным выше факторам разрушания вещества и гравитационному переносу обломочного или растворенного материала. Соответственно к таким процессам относятся снежные лавины, обвалы, осыпи, оползни, солифлюкция, дефляция, сели, водная эрозия и абразия морских побережий, суффозия, карст и термокарст. Коротко охарактеризуем эти процессы.

Снежные лавины формируются на горных склонах, иногда сравнительно пологих, при уклонах, составляющих первые градусы, однако чаще на поверхностях крутых и обрывистых. Они возникают в результате накопления массы снега, которая в какой-то момент превосходит величину внутреннего трения в основании снежного покрова. Дополнительными факторами, способствующими сходу лавин являются резкие повышения температуры воздуха, способствующими увлажнению массы снега и, одновременно, снижению силы внутреннего трения. Нередко накопившаяся толща снега становится настолько неустойчивой, что достаточно громкого крика или подрезка поверхности лыжником, чтобы вызвать сход лавины. Лавины могут иметь катастрофические последствия. Они нередко приводят к гибели людей и разрушении сооружений в горной местности. Одним из способов борьбы с ними – профилактический отстрел лавиноопасных масс снега до накопления их критических величин.

Обвалы горных пород возникают в результате их неодинаковой прочности и, соответственно, выборочного выветривания на скалистых склонах: в результате ослабления несущих слоев они разрушаются под давлением вышележащих, более прочных и массы последних обваливаются на склон, скатываясь по нему, порой до самого основания. На берегах рек, озер и морей обвалы часто возникают в результате эрозии или абразии оснований склонов, формировании соответствующих ниш с нависающими над ними козырьками горных пород, которые в конце концов обваливаются в прибрежную часть русла реки, озерного или морского побережья.

Осыпи имеют ту же природу, что и обвалы, однако представлены обычно менее крупными обломками горных пород. Их постепенное перемещение вниз по склону осуществляется в поле земной гравитации при содействии процессов прмерзания-протаивания, землетрясений, выветривания и дезинтеграции самих обломков, составляющих осыпь.

Оползни представляют собой блоки (массивы) горных пород, иногда весьма значительные по объему, оползающие вниз по склону под влиянием гравитации, в сочетании с накоплением массы пород оползневого блока и обычно увлажнением их самих и поверхностей, по которым происходит соскальзывание оползневого блока вниз по склону. Этому может также способствовать водная эрозия, разрушающая склоны долины в их основании.

Солифлюкция – процесс оплывания вниз по склону пластичных масс покровных отложений под влиянием их накопления в результате выветривания коренной основы, последующего переувлажнения и превышения массы накопившихся отложений по отнрошению к величине силы внутреннего трения в ее основании. В криолитозоне таким основанием могут являться мерзлые горные породы, по поверхности которых и происходит солифлюкционное оползание талых покровных отложений. По форме процесс солифлюкции может быть локализован в форме “языка”, порой прослеживающегося на сотни метров вниз по склону или проявляться в виде солифлюкционных ступеней, обычно простирающихся кулисообразно вдоль склона по всей его поверхности.

Дефляция – процесс ветрового выноса почвенно-грунтового материала, обычно сопровождающийся разрушением почвенного горизонта и образованием понижений поверхности, называемых дефляционными нишами.

Сели – грязе-каменный, обычно кратковременный поток, нередко влекущий валуны и значительные по объему и массе обломки горных пород. Происхождение селей связано с постепенным накоплением покровных отложений, элювиальных и делювиальных, представляющих собой диспергированные в результате процессов выветривания коренные породы. На каком-то этапе масса таких покровов, формирующихся на склонах гор, речных долин или распадков становится сопоставимой с величиной внутреннего трения этих пород в основании покрова. Их дополнительное увлажнение в результате длительных осадков приводит к дополнительному увеличению массы пород и, одновременно, снижению величины их внутреннего трения. Тогда происходит их катастрофическое сползание диспергированных горных пород вниз по склону и далее, вместе с речной водой, скатывание по руслу реки, обычно с уничтожением по мере движения всего, что встречается на пути селевого потока.

Водная эрозия наиболее распространенный экзогенный геологический процесс. К формам эрозионного рельефа относятся борозда, промоина, рытвина, ложбина, овраг, долина. Площадь промоин и оврагов ежегодно увеличивается на сотни тысяч га.

Водная эрозия берегов рек и абразия озерных и морских побережий представляет собой процесс разрушения горных пород под воздействием текущей воды и волнений. Непременным условием развития водной эрозии и абразии является вынос разрушающегося материала течением и его последующее переотложение в форме речных островов или накопления осадков на озерном или морском дне. Особенно активна водная эрозия и абразия на берегах рек и морских побережьях, сложенных льдистыми породами. Когда вода играет не только транспортирующую, но еще и отепляющую роль.

Суффозия – процесс выноса из почвогрунтов наиболее тонких фракций с последующим образованием понижений на поверхности почвы, нередко блюдцеобразной формы. В случае. Если процессы суффозии охватывают значительную по мощности толщу покровных отложений, возможно ухудшение их несущей способности и затруднения со строительством и эксплуатацией зданий и сооружений, в том числе - разного рода трубопроводов

Карст - процесс химического растворения (выщелачивания) ставнительно легко растворимых карбонатных или сульфатных пород (известняков, доломитов, гипсов, песчаников, сцементированных карбонатным или сульфатным цементом) с образованием на поверхности разного рода понижений, а в недрах земли – пустот, являющихся путями движения подземных вод. Карст приводит к разрушению и иссушению поверхности, нарушению почвенного покрова, ухудшению условий сельскохозяйственного производства, а порой – строительства и эксплуатации зданий и сооружений. В терригенно-карбонатных породах, например лессех, карст может развиваться совместно с суффозией.

Термокарст – процесс вытаивания подземных льдов в результате изменения водно-теплового баланса поверхности с образованием соответствующих термокарстовых понижений. На этом фоне возможны разрывы и полное уничтожение почвенно-растительного слоя с образованием термокарстовых озер либо байджарахов – всхолмлений, остающихся на месте наименее льдистых грунтов. Процессы термокарста существенно осложняют строительство и эксплуатацию зданий и сооружений в криолитозоне.

К аккумулятивным процессам относятся перенос и накопление рыхлого терригенного материала, а в криолитозоне также и подземных льдов. В соответствии с энергетическими факторами, аккумуляция может быть морской, речной, озерной, ледниковой, водноледниковой, ветровой, гравитационной, и криогенной.

Морская аккумуляция проявляется в переработке морским волнением, течением и организмами терригенного, органогенного и хемогенного (компоненты природных растворов, попадающие в морскую акваторию) материала, поступающего с суши с речным стоком или с побережий в результате береговых денудационных процессов, с последующим его отложением в шельфовой зоне моря, простирающейся обычно до глубин в 200 м и на больших глубинах. На низких побережьях морская аккумуляция захватывает также зону приливов, отливов и сгонно-нагонных явлений. Частично морские осадки связаны с накоплением органики морских организмов (например, органогенные известняки), а на значительных глубинах – также космического вещества.

Речная аккумуляция состоит в переработке речным потоком материала, сносимого с водосбора притоками более низких порядков, а также материала, сносимого со склонов долин процессами водной эрозии и гравитации. Она проявляется в образовании аллювиальных отложений, формировании и переформировании речного ложа образовании перекатов, отмелей, островов, речных дельт.

Озерная аккумуляция состоит в накоплении озерных отложений, материалом которых является твердый сток рек и ручьев, впадающих в озеро.

Ледниковая аккумуляция проявляется в формировании ледниковых или моренных отложений, которые, в зависимости от соотношения с ледниковым телом, делятся на донную, срединную и конечную морены, обычно отличающиеся как по характеру материала, так и по форме аккумулятивных образований.

Основная морена формируется в результате отложения на поверхность основания ледника терригенного материала (суглинков, песком, угловатых каменных обломков разного размера) накопленного ледником в процессе движения и освободившегося из тела ледника при его таянии. Обычно это сравнительно равномерный по мощности плащ, весьма неоднородный по гранулометрическому составу.

Конечные морены формируются на окончаниях ледниковых тел в результате напора ледниковых масс на подстилающую поверхность, обеспечивающего разрушение и транспортировку перед фронтом ледника этого диспергированного материала. Соответственно, конечные морены морфологически обычно выражены соответствующими валами, которых, в зависимости от подвижности окнчания ледника в зоне его абляции, может быть насколько.

Срединные морены формируются в условиях горных ледников в результате слияния двух боковых морен, в зоне абляции они формируют продолььные, в отличие от конечных морен, положительные формы. По составу и конечные и срединные морены представлены неотсортированным терригенным материалом.

Водноледниковая аккумуляция проявляется в трех формах – зандровой, озовой и камовой.

Зандры или флювиогляциальные поля образуются в результате выноса водным потоком терригенного материала из тающего ледника и его отложение на достаточно широкой поверхности.

В отличие от зандров, озы представляют собой результат накопления терригенного, обычно песчаного материала в глубоких промоинах самого ледникового тела. Это, по существу, отложения ледниковых рек, текущих в ледяных берегах. После таяния ледников эти отложения оказываются на подстилающей поверхности в форме валов, наследующих прежние русла ледниковых рек. Нечто подобное можно наблюдать и ныне весной на наледных полянах, когда река после ее вскрытия прорезает частично или полностью ледяную толщу и будучи частично подпружена телом наледи откладывает обычно песчано-галечный материал в ледяных руслах, который по мере таяния наледи превращается в песчано-галечные продольные гряды, простирающиеся вдоль по наледной пойме. В частности это все можно наблюдать не Большой Момской наледи.

Сходную природу имеют и камы – песчаные всхолмления, представляющие собой водноледниковые отложения, сформировавшиеся в проталинах ледяного тела округлой или неправильной формы, представляющих собой своеобразные озера на поверхности ледников. По мере таяния льда песчаные сформировавшиеся песчаные отложения высаживаются на ледниковое основания в форме всхолмлений различной, наредко значительной высоты.

Ветровая или эоловая аккумуляция вызвана ветровым переносом песчаных масс, обязанных либо процессам дефляции – ветровому выносу песчаного материала либо процессу коррозии – ветровой обработке скальных выступов с выборочным разрушением и выносом продуктов разрушения и последующим их осаждением. Эоловые отложения в форме подвижных барханов характерны для аридных и субаридных ландшафтов, однако при благоприятных условиях развиваются и в других природных зонах. В частности они распространены и в Центральной Якутии, в форме дюн на бровке высоких террас или подвижных песков -тукуланов на поверхностях последних. Дюны также характерны для морских побережий, где работа ветра по переносу песка завершает работу морских волн по его формированию, связанному с истиранием песчано-галечного материала выносимого в прибрежную зону моря водными потоками или оползневыми процессами на морских побережьях.

Криогенная аккумуляция проявляется в накоплении повторно-жильных либо инъекционных пластовых подземных льдов, которые начинают играть значительную, а в отдельных случаях – доминирующую роль в составе покровных отложений. В морфологическом отношении, криогенная аккумуляция может вызвать сравнительно равномерное поднятие поверхности или, что происходит чаще, ее вспучивание в форме булгунняхов - многолетних бугров пучения.