Глава пятая. Океан: берега и рост континентов

Речные наносы поступают в море

В четвертой главе мы проследили путь наносов через континент, вниз по реке к океану. Попав в океан, речные наносы смешиваются с другими, образующимися при размыве береговых скал волнами. Эта смесь сортируется, распространяется по определенной площади и отлагается в виде слоев. Поняв, как это происходит, мы можем сравнивать слои, которые сейчас образуются на морском дне, с древними пластами морских осадочных пород и таким образом представить себе обстановку, в которой образовались древние отложения. Лучше всего начать с рассмотрения речных наносов, иногда образующих дельты в устьях рек. Скорость течения речной воды, когда она смешивается с водами океана, становится все медленнее и медленнее, а наносы, содержащиеся в ней, постепенно осаждаются на дне океана. Отлагаются сначала крупные частицы, а затем все более мелкие. Наиболее тонкие частицы, взвешенные в воде, опускаются так медленно, что некоторые из них уносятся очень далеко от суши, прежде чем осесть на дно. Однако частицы пород не обязательно сразу же оседают. На мелководье в прибрежной зоне вода далеко не спокойна. Она постоянно находится в движении; волны и течения подхватывают частицы, оседающие или уже осевшие на дно, и переносят их с одного места на другое. При этих перемещениях продолжается сортировка частиц, помимо той, которая осуществлялась при переносе наносов реками. Как и в русле реки, частицы породы неоднократно вовлекаются в движение и снова отлагаются. Рано или поздно они попадают на такую глубину, где волновые движения не достигают их, и там они отлагаются окончательно. К этому времени частицы очень хорошо отсортированы, равномерно распределены по дну и образуют слои, которые в конце концов станут слоями осадочных пород.

Действие прибоя на береговые скалы

Во время перемещения и переотложения принесенные рекой наносы смешиваются с наносами другого происхождения. Эти последние образуются при размыве горных пород, обнажающихся вдоль берега (рис. 15). Породы подвергаются воздействию прибоя, образующегося, когда волна разбивается о берег. Сила ударов прибоя о скалы, особенно во время штормов, может измеряться десятками тонн на квадратный метр. Эта сила сжимает воздух, находящийся в трешинах, и скальная порода раскалывается. Рыхлые отложения, не обладающие такой прочностью, не требуют столь сильного воздействия, они просто смываются. Подрезая и размывая породы, прибой врезается в берег, как пила, врезающаяся в стоящее дерево. Дерево в результате этого в конце концов падает. Породы же, слагающие берег, обваливаются по частям, по мере того как прибой подрезает их на уровне моря, оставляя обрыв нависающим без опоры. Из этих обвалившихся обломков породы начинает образовываться пляж. Набегающие и откатывающиеся волны двигают частицы обвалившихся пород взад и вперед, причем в результате постоянных ударов и трения друг о друга обломки становятся все меньше и меньше и приобретают гладкую окатанную поверхность. Рано или поздно даже самые крупные (первоначально неподвижные) обломки истираются песком и галькой до такого размера, что во время сильных штормов начинают слегка перемещаться. С этого момента измельчение их путем истирания или дробления до такой степени, что они становятся легко подвижными, - вопрос времени. После этого они смешиваются с прочими частицами на пляже, которые движутся то назад, то вперед.

Рис 15. Прибой воздействует на береговые скалы, 'подрезая' их и измельчая обломки. Обломочный материал перемещается постепенно дальше в море, в направлении, показанном стрелкой

В каком направлении движется эта процессия частиц? За длительный промежуток времени осадки смещаются в море. Пляж представляет собой обширный, но тонкий покров осадков, который начинается у подножия берегового уступа и продолжается в море до линии, на которой происходит опрокидывание волн, образующих прибой и воздействующих на дно на всем своем пути к берегу. Отложения пляжа становятся более тонкообломочными в сторону моря. На многих пляжах у подножия уступа находятся галька и валуны, сменяющиеся в направлении к морю песком. По мере увеличения глубин энергия прибоя убывает, а с ней убывает и максимальный размер частиц, которые могут перемещаться прибоем. Тонкие - илистые и глинистые - частицы остаются взвешенными, пока не осаждаются в более глубокой воде за пределами действия разбивающихся волн. Это другой пример сортировки осадков природными силами. Подобно отложениям в русле реки, которые постепенно измельчаются вниз по течению, отложения пляжа становятся более тонкими в сторону моря. Такая сортировка, сохраняющаяся, конечно, и в пластах осадочных пород, дает нам ключ к определению направления, в котором текли древние реки, и положения древних побережий.

Степень сортировки и окатанности песка и гальки на пляже и в донных отложениях за пределами пляжа очень велика. Причиной этого является главным образом то обстоятельство, что прежде, чем достичь места окончательного отложения, частицы неоднократно перемещаются, и не только вперед и назад в полосе прибоя, но также и вдоль берега. *Волны, направление которых зависит от направления ветра, редко движутся строго перпендикулярно берегу. Обычно прибой подходит к берегу под углом. Каждая песчинка и галька в прибое выносится волной на берег по косой траектории. Но когда волна отступает, частица откатывается в море по наиболее прямому пути, перпендикулярно берегу. Таким образом частицы осадков в прибое движутся вдоль берега иногда на многие километры, зигзагообразно перемещаясь каждой набегающей и откатывающейся волной (фото 7). Если меняется ветер и волны начинают подходить к берегу под другим углом, осадки могут перемещаться в обратном направлении. Такая система представляет собой огромную мельницу, измельчающую песчинки и все более окатывающую их.

Фото 7. Прибой на пляже Калифорнии, севернее Сан-Франциско. Пунктирной линией со стрелками показан в обобщенном виде зигзагообразный путь песчинки, движущейся вдоль пляжа в сторону наблюдателя

Сортировка, которая происходит далее в море, подобна сортировке, происходящей в дельте. Она зависит главным образом от глубины и отчасти является причиной того, почему песчаники, алевролиты и аргиллиты хорошо отделяются друг от друга во многих разрезах осадочных пород.

Осадки на дне глубокого моря

До сих пор мы ничего не говорили о том, насколько далеко в море уносятся продукты размыва суши, принесенные реками или созданные прибоем. Однако вопрос этот важен для понимания истории осадочных пластов, накопившихся на дне моря. Решить его можно, взяв образцы донных отложений на различном расстоянии от суши и затем сравнив их между собой.

Тщательное опробование таких отложений влечет множество технических трудностей. Нелегко получить цельный образец грунта со дна, из-под огромной толщи воды. Только в последние десятилетия методика донного опробования была развита настолько, что позволила получить довольно хорошее представление не только о самом дне, но и о подстилающих его отложениях. На рисунке 16 показано различие между континентальными шельфами, на которых глубина воды в среднем не превышает 200 метров, и глубоководными участками дна, где глубина в среднем равна 3,8 километра, а местами составляет до 11 километров. Эти две разные области имеют и различную историю. Мы рассмотрим их по отдельности, начиная с отложений.

Глубоководная область океана по площади в пять раз больше всех шельфов, вместе взятых. Многое из того, что сейчас известно об отложениях на этих огромных глубинах, мы узнали только после 1950 г (Еще позже началось бурение дна океана, производимое с судна США "Гломар Челенджер". - Прим. ред). В это время во всем мире начала проводиться обширная международная программа изучения дна океана. Донные отложения слоисты, некоторые образцы содержат слои, представляющие собой результат непрерывного накопления осадков в течение десятков тысяч лет геологического времени.

Рис. 16. Континентальные шельфы (показаны черным), если взять их все вместе, увеличивают площадь континентов примерно на 10%. Карта составлена в необычной проекции, чтобы избежать искажений площади континентов и шельфов. Все они показаны почти в одном масштабе (шельфы нанесены по данным Менарда и Смита, 1966)

После высушивания керн разделяется на тонкие срезы для изучения под микроскопом. Под большим увеличением можно видеть, что осадок состоит из скопления отдельных разнообразных частиц. Произведя их классификацию и выделив три различные группы, можно установить источник и способ образования осадков. Первая группа, наибольшая по объему, состоит из крохотных раковин и скелетов морских животных и растений, представляя огромное количество ископаемых остатков очень небольшого размера. Очевидно, эти осадки являются "местными", образовавшимися в самом океане. Многие раковины состоят из минерала кальцита (СаСО₃). Кальций, входящий в его состав, имеет долгую историю. Он является продуктом химического выветривания горных пород на континентах. Раствор кальция в грунтовых водах просачивается в реки и выносится ими в море. Там его извлекают из воды мелкие морские организмы и соединяют с углеродом и кислородом, растворенными в морской воде в виде двуокиси углерода. Из этого соединения - кальцита - организмы строят свои панцири.

Другая группа тонких частиц по происхождению чужда океану; она принесена с суши. Эти частицы имеют различное происхождение. Среди них есть глинистые минералы, образованные при выветривании полевых шпатов и других минералов на поверхности континентов и затем вынесенные в море реками. Их частицы настолько малы, что, прежде чем попасть в виде отложений на дно, они уносятся далеко от суши, на которой образовались. Другие глинистые частицы, тоже являющиеся продуктами выветривания, были подхвачены ветром на сухих участках и принесены им в море, где они упали в воду и медленно опустились на дно. Некоторые тонкие частицы были выброшены в воздух при извержении вулканов и в конце концов достигли дна моря. Они, конечно, не являются продуктами выветривания. Это "новые" минералы, образовавшиеся непосредственно из магмы.

Таким образом, вторая группа морских донных осадков образовалась на континентах и затем была вынесена в море по рекам или попала в него через атмосферу. Третья группа, незначительная по количеству, состоит из мельчайших частиц, которые попадают в атмосферу Земли в виде метеоритов и в конце концов падают в океан. Они чужды Земле и попадают на нее из космического пространства.

Отложения континентальных шельфов

После того как мы произвели опробование отложений в глубинах океана и разобрались в том, из каких частей они состоят, мы можем обратиться к континентальным шельфам.

Пробы шельфовых отложений более разнообразны. Мы располагаем не только образцами с поверхности шельфа, но также данными буровых скважин, проникших глубоко в толщу его пород. Как поверхностные пробы, так и образцы с глубины свидетельствуют о том, что шельф не похож на дно океана. Шельф слагается в основном слоями песка, ила и глины или их сцементированных аналогов - песчаника, алевролита, аргиллита (Отложения шельфа часто нефтеносны. - Прим. ред). Таким образом, часть осадков еще не сцементирована, а часть представляет собой осадочные породы. Почти все эти осадки образовались на континентах в ходе различных процессов выветривания и были перенесены, главным образом реками, на мелководье в пределах шельфов. Здесь сравнительно крупные и потому довольно тяжелые частицы осадков вскоре оседали на дно. Это происходит сейчас и происходило в прошлом, как свидетельствуют пласты, залегающие под поверхностью шельфа. Мы видим, что в настоящее время, как и в прошлом, осадки, выносящиеся реками в море, оседают на континентальных шельфах, за исключением небольшой доли наиболее тонких частиц, которые достигают глубоководных областей. Таким образом, хотя реки - это, безусловно, основные пути переноса осадков с континентов в океан, они не могут уносить отложения далеко от берегов континентов. Поэтому, когда континент размывается, продукты его размыва уносятся реками и образуют шлейф, окаймляющий массив суши. Эти отложения участвуют в формировании шельфов и постепенно увеличивают площадь континента.

Как растет шельф

Мы можем получить более отчетливое представление о том, как разрастаются шельфы, на примере части Атлантического шельфа Северной Америки, лежащей у берегов штата Северная Каролина. Мы располагаем необычайно богатой информацией о строении этого шельфа, полученной геофизическими исследованиями и глубинным бурением при поисках нефти и газа.

На рисунке 17 можно видеть морские отложения, окаймляющие побережье и подстилающие его. Такие отложения достигают местами 3,2 километра, мощности, однако при детальном изучении выявлены такие их физические свойства, которые присущи мелководным отложениям, и комплекс ископаемых организмов, обитавших на мелководье. Эти слои не могли образоваться на глубине более трех километров. Но тогда как же могли накопиться такие мощные слои? Эта задача может быть решена, если мы предположим, что земная кора вдоль континентальной окраины медленно прогибалась одновременно с накоплением слоев осадков. В этом случае совсем не обязательно, чтобы в какой-либо момент глубина была особенно большой. Таблица 1 показывает, что прогибание, если оно имело место, должно было быть очень медленным. Мы можем судить об этом потому, что меловой период, в течение которого отложилась большая часть осадков, длился более 80 миллионов лет. Залегающие выше кайнозойские слои маломощны по -сравнению с нижележащими. Представляется вероятным, что прогибание и накопление осадков в основном происходило ранее образования позднейших кайнозойских слоев. Если мы предположим (в соответствии с изображенной на рис. 17 картиной), что трехкилометровая толща отложений накопилась за 80 миллионов лет, то средняя скорость прогибания составит немногим более одного миллиметра за 30 лет. С точки зрения человека скорость накопления около 2,5 миллиметра за время жизни одного поколения представляется ничтожной. Но в геологических масштабах времени накапливающиеся отложения очень скоро становятся мощными и тяжелыми, и это влечет за собой важные последствия. Особенно значим вес этих огромных масс породы. Он вызывает прогибание шельфа, что создает условия для накопления сверху новых толщ отложений.

Рис. 17. Прибрежная равнина и континентальный шельф в Северной Каролине, которые сложены кайнозойскими, меловыми и более древними отложениями, накапливавшимися в мелководном (шельфовом) море. Ниже этих слоев, постепенно погружавшихся и достигших большой мощности, залегают палеозойский и более древние метаморфические породы. Отметьте сходство с рисунком 14. Накопление осадков на шельфах увеличивает площадь континентов

Кроме того, на некоторых участках побережья (не показанных на рис. 17) слои, слагающие шельф, изогнуты таким образом, что создают длинные узкие впадины, параллельные берегу. Эти впадины служат как бы ловушками, в которых скапливаются более молодые осадки. Существование впадин является еще одной причиной того, почему большая часть продуктов разрушения континентов отлагается вблизи материковых окраин, а не уносится дальше в океан. Действительно, по данным расчетов, около 9/10 всех осадков, поступающих с суши, отлагается на континентальных шельфах или их внешних склонах. Только 1/10 часть осадков представляет настолько мелкие частицы, что они уносятся дальше и отлагаются в глубоководных областях дна океана.

Таким образом, очевидно, что отложения, которые сносятся с континента, осаждаются вокруг континентальных окраин и образуют своего рода платформы, которые постепенно надстраивают внешнюю часть материка. Объем их огромен. Общая площадь шельфов во всем мире составляет в настоящее время около 57% общей площади материков. Но далеко не вся толща материала, слагающего шельфы, заслуживает названия "осадков". Значительная часть его уже преобразована в осадочные породы. Это преобразование явилось в основном результатом воздействия медленно циркулирующих грунтовых вод, постепенно отлагавших в порах между частицами осадка цементирующее вещество. Со временем другие процессы поднимут "новые" пласты осадочных пород и сделают их частью собственно континента.

Однако на этом история роста континентов далеко не заканчивается. Новообразованные пласты становятся частью суши и подвергаются разрушительному действию эрозии. При этом продукты эрозии неизбежно будут снова выноситься в море и создавать новый шельф. Мы можем с некоторой уверенностью предсказать это, так как имеющиеся данные показывают, что подобные условия неоднократно были в прошлом. Большая часть морских осадочных пластов, которые мы сейчас находим на континентах, представляет собой мелководные осадки, накапливающиеся на глубине до 200 метров, а не такие, какие мы находим на дне океана на больших глубинах. Размер частиц осадков, особенности слоистости, а также ископаемые остатки, содержащиеся в осадках, - все свидетельствует об одном и том же. Мы имеем дело главным образом с мелководными морскими отложениями, накопившимися или на шельфе у окраины континента, или в ложбинах и впадинах во внутренней части континента.

Рис. 18. Возраст гранитных и метаморфических пород, определенный радиометрическими методами, позволяет выделить в Северной Америке три геологические провинции, последовательно образовавшиеся и в плане образующие концентрический рисунок. Условные обозначения: 3 - моложе 600 миллионов лет; 2 - от 1 до 2,5 миллиарда лет; 1 - старше 2,5 миллиарда лет

Это означает, что ббльшая часть материала горных пород снова вовлекается в кругооборот, не попадая в сферу воздействия больших глубин океана. Действительно, в течение миллиардов лет континенты, по-видимому, надстраиваются путем аккумуляции по мере того, как накопившиеся осадки, преобразованные в породы, включаются в состав континента. Но эти "новые" породы по большей части представлены материалом шельфа, состоящим из уплотненных наносов, образовавшихся при размыве самого континента. Таким образом, континент до некоторой степени надстраивается и расширяется частично за счет продуктов своего же разрушения.

Но на этом история не заканчивается. Тонкие осадки глубоководных областей океана тоже возвращаются на континенты, хотя и в измененной форме и особым путем, о котором читатель узнает из последующей главы книги.

Химическая сортировка

Сортировка материала происходит двумя способами. Первый и наиболее очевидный способ - механическая сортировка, осуществляемая реками, которые выносят осадки пород из внутренних частей континента к шельфам, а также волнами и течениями после того, как осадки достигают моря. Второй способ, менее очевидный, но такой же важный, - это химическая сортировка. Она осуществляется не реками, но процессами химического выветривания, в ходе которых химические элементы растворяются и выносятся в океан сначала грунтовыми водами, а затем реками. Некоторые элементы, находящиеся в растворах, осаждаются химическим или биохимическим путем в мелководных бассейнах или на шельфах, а другие уносятся в глубоководные области. Остаточный материал отличается от исходных пород, так как в результате выветривания он теряет некоторые элементы.

Химическая сортировка осадков напоминает то, что происходит с телом дикого животного после его смерти. Ткани его тела поедаются различными животными или сгнивают и в результате удаляются. То, что остается, представляет собой наиболее устойчивые части - кости, зубы, возможно, рога, копыта или когти. Химический состав этих сохранившихся частей отличается от состава тела животного при жизни. Этот процесс можно назвать биохимической сортировкой.

Однако элементы, входившие в состав мертвого тела - углерод, водород, кислород и другие, - хотя они и были удалены при "сортировке", продолжают существовать, входя в состав других организмов. Одно животное прекратило существование, но жизнь других продолжается. Подобно этому, продолжается существование континента. Породы и минералы, слагавшие его, разрушены, но элементы, некогда входившие в состав этих минералов, подвергшиеся сортировке и преобразованные в новые соединения, создали новые минералы и породы. И таким образом континент сохраняется.

Плавающие континенты

В первой главе мы сказали, что континент - это своего рода гранитный плот, плавающий на базальте и материале, еще более тяжелом, чем базальт. В очень схематизированном виде это изображено на рисунке 19. Этот плот является самовосстанавливающимся. Было бы неверно сравнивать континентальный плот с жестким деревянным плотом, потому что плавающий континент гибкий и благодаря своей гибкости больше напоминает плавающий толстый слой тяжелой нефти или асфальта. Однако не вся толща континента обладает гибкостью. Самый верхний слой, испытывающий лишь слабую нагрузку вышележащих пород, хрупок. Как можно видеть в любом каменном карьере или другой большой выемке, поверхность его разбита многочисленными трещинами.

Рис. 19. Гранитные континенты, плавающие на более тяжелом веществе мантии. Толщина континентов больше всего на участках наибольшего поднятия их поверхности. При размыве высокогорных массивов давление на подстилающее их тяжелое вещество ослабевает. Продукты размыва переносятся на континентальные шельфы, создавая на них добавочную нагрузку, что вызывает погружение и вытеснение вещества мантии в стороны. Это вещество медленно перетекает в области меньшего давления, соответствующие областям разрушенных гор. В результате происходит новое поднятие, 'обновляющее' горы

Тем, что континенты плавают, можно объяснить одно обстоятельство, которое в противном случае представлялось бы загадочным. Считается, что хорошо известный нам комплекс процессов, включающий выветривание, склоновые процессы и деятельность рек, мог бы снизить поверхность континентов почти до уровня моря всего лишь за 20 миллионов лет. Поскольку Земля гораздо старше, то почему же континенты давно уже не превратились в обширные пенеплены?

Происходящий в действительности процесс можно пояснить примером лодки, в которой сидят три человека. Лодка подходит к причалу, и один человек выходит. При этом лодка поднимается на несколько сантиметров, так как вода, окружающая лодку, стремится заместить воду, ранее вытеснявшуюся весом третьего человека. Подобным же образом при удалении материала горных пород с какой-либо части континента эта область поднимается. Удаленный материал отлагается в области шельфа и вызывает ее погружение. Вещество подстилающих слоев оттекает от прогибающихся частей шельфа к областям, с которых материал удалялся эрозией, и эти области соответственно поднимаются.

Но в то время как лодка представляет собою жесткую конструкцию и всплывает как единое целое, континент пластичен. Часть, которая в наибольшей степени подвергалась эрозии, может подниматься, в то время как остальные части поднимаются незначительно или совсем не испытывают поднятия. Таким образом, становится понятно, почему все континенты не были снижены до уровня моря, образовав огромные пенеплены. Они постоянно воссоздаются по мере снижения отдельных частей. Они постоянно противодействуют процессу своего погружения, так что живые организмы, однажды появившиеся на суше, смогли на ней жить и развиваться, а не были уничтожены. Поэтому сама непрерывность жизни на суше является хорошим доказательством того, что по крайней мере в течение последнего полумиллиарда лет континенты находились в плавучем состоянии.

Континенты легче по весу, чем базальтовое вещество, в которое они погружены. Возьмем в одну руку кусок гранита, а в другую - кусок базальта такого же размера, и мы почувствуем разницу. Круговорот вещества пород, начинающийся с химического выветривания, перемещает материал, из которого сложены континенты, не меняя существенно его состава.

Каким же образом континенты оказались легче остальной коры? Ответ на этот вопрос связан с их историей, которая составляет предмет рассмотрения в следующей главе.

Литература

Еngеl А. Е. J., 1963, Geologic evolution of North America: "Science", v. 140, p. 143-152. (A similar paper is reprinted in Cloud, Preston, ed., 1971, Adventures in Earth history: W. H. Freeman and Company, San Francisco, p, 293-302.)

Lоngwell C. R., Flint R. F , Sanders J. E., 1969, Physical geology: John Wiley 8c Sons, New York, p. 315-393, 534-539.