.
Горообразование и горный рельеф
А.А. Алексеев
(пособие для инструкторов и преподавателей туризма)
.
1. История Земли. Образование гор
История планеты Земля, формирования и изменения ее рельефа изучается несколькими самостоятельными науками: геоморфологией, геотектоникой, геологией и рядом других. В рамках конспекта одной единственной лекции, рассчитанной на 2-3 часа, вести подробное их изложение бессмысленно, поэтому мы выбрали наиболее наглядные и простые для понимания неспециалистов примеры и аналогии, отнюдь не претендуя при этом на научную строгость повествования.
Начнем с очень давнего периода, когда не было еще ни равнин, ни гор и, если следовать священному писанию, лишь дух Божий летал над водой. Впрочем, наука утверждает, что тогда и воды в жидком состоянии на Земле еще не было.
Примерно пять с половиной миллиардов лет назад, по одной из гипотез, из пылевидной туманности сформировалась Солнечная система. При сближении частиц энергия их движения переходила в тепловую и начинались ядерные реакции. Надо вспомнить, что в те далекие времена содержание изотопа урана-235, способного участвовать в цепной реакции, было значительно выше и поэтому ядерные реакции моги идти на необогащенном, природном уране. Вещество планет, таким образом, разогревалось и переходило в жидкое или полужидкое состояние. Можно предположить, что пять миллиардов лет назад Земля была жидким светящимся шаром. По другим гипотезам планеты сформировались холодными, а разогрев их шел изнутри. По этой гипотезе верхние слои вещества оставались твердыми.
|
Рис.1 |
Так или иначе, но на поверхности Земли образовалась кора из твердых горных пород. Ближайшая аналогия - образование льда на поверхности замерзающего моря. При этом следует отметить, что температура на поверхности Земли в то время достигала +800°С. Толщина твердой коры была неодинакова. На ней выделялись гигантские острова. Геологи называют их платформами. Эти острова, дрейфуя, как льдины по океану расплавленной мантии Земли, сталкивались, дробились, изменяли размеры и форму, пока, наконец, около трех и семи десятых миллиардов лет назад не появились, так называемые, древние платформы, дошедшие до наших дней.
Прошло еще около ста миллионов лет, и Земля остыла настолько, что на ее поверхности сконденсировалась вода. Кончилась "лунная" эра развития планеты, и началась новая геологическая история, известная нам более или менее подробно, благодаря осадочным породам, образовавшимся под воздействием воды и силы тяжести.
Два с половиной миллиарда лет назад древние платформы закончили свое формирование и, с тех пор, практически не менялись. К ним относятся Восточноевропейская, Сибирская, Восточно-Китайская и другие.
Итак, древние платформы, подобно льдинам, дрейфовали, да и теперь дрейфуют со скоростью от 2-3 до 10 см в год, по поверхности полужидкой мантии Земли в окружении более мелких образований, сходные с ледяной шугой. Кто видел ледоход на реках, возможно обращал внимание, что там, где сталкиваются крупные ледовые поля, лед прогибается, трескается, его осколки лезут друг на друга, а в океане при столкновении ледовых полей возникают зоны торосов. Очень похоже формируются и горы. В зонах столкновения платформ земная кора прогибается, сминается в складки, трескается. По трещина, их геологи называют тектоническими разломами, поднимается расплавленная магма, и начинают действовать вулканы. Обратите внимание, вулканы обычно образуются в стороне от линии столкновения платформ, по которым располагаются главные хребты (рис. 3 и 4). Они приурочены к разломам, отделяющим нетронутую часть платформы от вовлеченной в прогибание. Так, например, расположены Эльбрус, Казбек, Арарат, Арагац, вулканы Дальнего Востока. После прогибания, в зоне столкновения платформ, формируются горные хребты.
Зоны столкновения платформ специалисты называют геосинклинальными складчатыми поясами Земли. В пределах этих поясов и происходит горообразование. Взглянем на карту из школьного учебника географии (рис. 1). Вот, например, хорошо известный туристам и альпинистам Альпийский складчатый пояс. Он проходит от Испании через Альпы, Доломиты, Карпаты, Крым, Кавказ, Памир, Гималаи, Гиндукуш, Кара-Корум. Или Урало-Монгольский пояс, он простирается от Новой Земли через Урал, Тянь-Шань, Алтай, часть Саян. Складчатые пояса разделяют либо платформы (Альпийский, Урало-Монгольский), либо материковые и океанические плиты (Тихоокеанский пояс).
Толщина земной коры в различных местах различна. Под древними платформами она составляет 15-20 километров, под горными массивами гораздо больше. Горы, как айсберги, поднимаются над поверхностью Земли, но при этом их основания глубже погружаются в мантию. Под Кавказом, при средней высоте гор от 2,5 до 3,5 километров, толщина земной коры достигает 30-40 километров. Под Тянь-Шанем при высотах 5-6 километров мощность земной коры достигает 70-80 километров. А вот под океанами, где нагрузка значительно меньше, уменьшается и толща горных пород. Здесь она колеблется от 4 до 15 километров (рис. 2).
|
Рис.2 |
Активное горообразование идет не постоянно и не на всем протяжении складчатых поясов. Периоды горообразования, их называют эпохами складчатости, проявляются на различных участках поясов в разное время. Горы в эпоху складчатости образуются в два этапа. На первом происходит столкновение платформ (рис. 3). Чудовищная энергия их движения приводит в зоне столкновения к прогибанию земной коры. Почему именно к прогибанию? Потому что породам, вытесняемым из зоны столкновения, проще преодолеть выталкивающую (архимедову) силу жидкой мантии, чем силу тяжести. По краям образующихся прогибов возникают тектонические разломы. По ним выдавливается расплавленная магма, образуя многочисленные вулканы и целые лавовые поля. Такие поля можно увидеть, например, в Армении или в Индии на плоскогорье Декан.
Прогибание идет очень медленно, по несколько сантиметров в год и продолжается тысячи и миллионы лет. Прогибы заполняются морской водой. В мелководных теплых морях активно размножаются живые организмы. Отмирая, они образуют своими скелетами и панцирями километровые толщи осадочных пород: известняков, мергелей и др. Но вот энергия сталкивающихся платформ исчерпана. Встречное движение прекращается , прекращается и прогибание коры. Наступает второй этап горообразования.
|
Рис.3 |
Под действием выталкивающей силы происходит медленное поднятие погруженных в мантию пород, смятие пластов и образование горных хребтов и межгорных впадин. Когда все силы уравновешиваются, горообразование прекращается и эпоха складчатости завершается. Район стабилизируется, превращаясь в молодую платформу (не путать с равниной!) (рис. 4).
Затем, вернее, одновременно, горы начинают разрушаться. Обломки пород переносятся водой к их подножью в межгорные впадины и краевые прогибы. Со временем (миллионы лет!) они могут совершенно исчезнуть под наносами, а последующие геологические процессы способны превратить их в гладкие равнины. Такие разрушенные горы прячутся, например, под степными пространствами Крымского полуострова. Однако, жизнь складчатого пояса на этом не кончается. В его истории может наступить новый этап, способный уничтожить результаты прошедших эпох или дополнить уже существующие горы новыми, как это произошло на Кавказе, где хребты, расположенные севернее Главного Кавказского хребта, относятся к более ранней эпохе.
|
Рис.4 |
Возможны и другие механизмы горообразования. Например, из-за гидратации, разбухания горных пород, Заалайский хребет со скоростью около 2 сантиметров в год наступает на Алайскую долину, межгорную впадину, разделяющую Памир и Памироалай. По мере остывания Земли увеличивается толщина ее коры, а, следовательно, и объем горных пород. Земля как бы медленно разбухает, что, естественно, приводит к геологическим катаклизмам. В некоторых местах континентальные плиты наезжают на океанические, в этих районах образуются глубоководные впадины и островные дуги. Так сформировался регион озера Байкал и Тихоокеанские впадины. Однако, нам для понимания сути дела достаточно рассматривать столкновения платформ. Еще раз подчеркнем, что реальные процессы в земной коре гораздо сложнее, а приведенная схема служит лишь грубой аналогией.
В пределах молодых платформ под воздействием все той же архимедовой силы могут произойти сдвиги отдельных блоков (рис. 5), что тоже приводит к образованию гор. Так, например, возник район пика Победы на Центральном Тянь-Шане.
|
Рис.5 |
Районы, где образование гор идет в наше время, находятся, в основном, в пределах Тихоокеанского пояса (кольца) на побережье вокруг Тихого океана. Не завершилось горообразование и в пределах Средиземноморского или Альпийского складчатого пояса. Продолжают развиваться Кавказ, Памир и Гималаи. Свидетельства тому последние землетрясения на севере Италии, в районе Белграда в сентябре 1996 года.
Основные интересы горных туристов и альпинистов сосредоточены на территории Альпийского и Урало-Моногольского складчатых поясов.
Последняя эпоха складчатости началась в пределах Альпийского пояса около 160 миллионов лет назад. В конце ее, примерно миллион лет назад, возник Главный Кавказский хребет. А вот Передовой хребет сформировался значительно раньше. Его возраст достигает 200 миллионов лет.
Иная история у Урало-Монгольского складчатого пояса, к которому относится хорошо известный туристам Тянь-Шань. В пределах этого пояса горообразование завершено. С точки зрения геологов, он состоит из молодых платформ, образовавшихся в разное время. Возраст Урало-Монгольского пояса около полутора миллиардов лет. За это время пояс пережил три эпохи складчатости, в течение которых горы возникали и разламывались до основания. Развитие пояса прекратилось около 200 миллионов лет назад. В настоящем виде Тянь-Шань сформировался после смещения блоков земной коры по линии Пик Победы - Мраморная стена - Хан-Тенгри. Здесь возникли многокилометровые скальные стены. Произошло это уже в пределах молодой платформы, около 26 миллионов лет назад. Материал, слагающий указанный массив - мрамор, который в виде известняка образовался в залитой морем межгорной впадине, а затем был преобразован и поднят на огромную высоту.
2. Минералы и горные породы – строительные материалы природы
В первой главе мы выяснили как образуются горы. Теперь кратко остановимся на том, из чего они сложены. Геологи называют природные материалы, составляющие земную кору, минералами и горными породами.
Минералом называется природное тело, представляющее собой химическое соединение или самородный элемент. К минералам относятся всем нам известный кварц и такие его разновидности, как горный хрусталь, кремень, халцедон. Минералами являются слюда, золото, самородная медь и ее соединения: малахит, куприт, медный колчедан. К ним же относятся состоящие из углерода алмаз, графит, руды металлов, вода и многие другие вещества. Геологам известны свыше двух тысяч минералов. Некоторые из них: кварц, полевые шпаты, апатит, различные слюды образуются при кристаллизации расплавленной магмы. В этом случае говорят об их магматическом происхождении.
При внедрении магмы в земную кору впереди нее по трещинам поднимаются раскаленные парогазовые смеси – гидротермы. В их состав входят не только вода и, привычные для нас, азот, кислород, углекислый газ, но и другие вещества, например, окись кремния, окислы серы и различных металлов. При высоких температурах и давлении, характерных для земных недр, они превращаются в пар или становятся растворимыми в воде. По мере подъема газообразная смесь расширяется, остывает и, постепенно конденсируясь, превращается в сильно перегретую жидкость. При понижении температуры, падает растворимость веществ в оде и газовой смеси. При этом на стенках трещин начинают осаждаться природные окислы и соли, иногда образуя великолепные кристаллы. Минералы, получившиеся таким путем, называются гидротермальными. Основной минерал гидротермальных жил – кварц. Белые кварцевые жилы, вкрапленные в скальные породы – признак интересного для геолога и коллекционера участка. Гидротермальным путем образуются кварц и его разновидности: прозрачный горный хрусталь, фиолетовый аметист, голубовато-серый халцедон, полосатый агат, а также руды многих ценных металлов.
В процессе различных тектонических подвижек, внедрения магмы под влиянием высоких температур и давления образуются такие минералы, как гранат, алмаз, дистен, апатит. Это минералы метаморфического комплекса.
Находящиеся в растворах химические вещества, вступая с окружающими минералами в реакции замещения, образуют новые минералы. Это – метасоматический тип образования. Нередко метасоматические минералы принимают форму кристаллов или агрегатов первичных материалов. Так, например, хорошо известные белемниты, "чертовы пальцы", имевшие известковый скелет, теперь состоят из соединения кремния. Это касается и ископаемых раковин, а иногда и целых древесных стволов. К метасоматическим относятся широко распространенный кремень, опал, нефрит, лазурит, а также всем известная накипь, засоряющая трубы. С метасоматозом связано образование подмосковных агатов, аметистов, горного хрусталя.
Горной породой называется природный агрегат одного или нескольких минералов. В подавляющем большинстве случаев, минералы встречаются в составе горных пород. В чистом виде они довольно редки. По типу образования породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические.
Магматические породы образуются при застывании расплавленной магмы. Хотя температуры в глубинах Земли достаточны для плавления минералов, из-за высокого давления породы в мантии и более глубоких слоях содержатся в непривычном для нас пластичном виде. При этом они, как каша в автоклаве (скороварке) пребывают в перегретом состоянии. Туристам хорошо известно, что при срыве крышки автоклава, перегретая каша мгновенно вскипает, "вскипает" и газированная вода при снятии крышки. Похожие явления происходят и в земной коре, если в ней по какой-то причине образуется разлом. Давление в зоне падает, породы переходят в жидкое состояние, а вес вышележащих слоев выжимает расплав вверх по трещинам. Жидкая магма проплавляет и разрывает лежащие вверху горные породы и, двигаясь к поверхности, по мере подъема, остывает. Если ее движение прекращается на большой глубине, когда вся она была еще жидко, то при застывании образуются интрузивные тела или батолиты, в которых породы полностью и равномерно раскристаллизованы. Так образуются равномерно зернистые породы: гранит, диорит, габбро и другие (рис. 6а).
|
Рис.6 |
Если магма во время подъема успевает достаточно остыть, в ней начинается кристаллизация минералов, разумеется, в начале более тугоплавких. Возникшие кристаллы, двигаясь вместе с расплавом, постепенно растут. Затем движение магмы прекращается и начинается равномерная раскристаллизация всех прочих материалов. Но температура окружающих пород здесь ниже, поэтому остывание магмы идет быстрее, и кристаллы легкоплавких материалов получаются мелкими. Так образуются неравномерно зернистые породы, называемые порфирами (рис. 6б). Увидеть такие породы можно на станциях московского метро. Например, станция Проспект мира облицована серым диорит-порфиром со следами течения магмы, станция Рижская – гранит-порфиром, станция Алексеевская – красным гранитом и черным габбро.
Если магма достигла поверхности, то ее остывание происходит очень быстро. Излившуюся на поверхность магму называют лавой, а возникшие при ее застывании породы – эффузивными. Если глубинные, называемые интрузивными, породы застывают десятки, сотни, а иногда и тысячи лет, то эффузивные – максимум за месяц. При этом раскристаллизация произойти не успевает. А если до момента излива в магме уже были кристаллы, то они так малы, что видны лишь под микроскопом. Остальная часть минералов застывает в виде вулканического стекла. Это – афанитовая структура, которую имеет, например, базальт. Если в магме успели образоваться крупные кристаллы тугоплавких пород, они остаются вкраплениями в однородной массе. Это – порфировая стурктура. Ее имеет, например, диабаз, он же базальтовый порфирит – базальт с крупными вкраплениями полевого шпата. Если же предварительной раскристаллизации не было, образуется вулканическое стекло – обсидиан.
Теперь немного о составе горных пород. Как уже говорилось, известно свыше двух тысяч минералов, но, в основном, горные породы состоят из кварца, полевых шпатов, слюд, роговой обманки, пироксена и некоторых других. Эти минералы принято называть породообразующими. В зависимости от содержания в породообразующих минералах окиси кремния или окислов кальция, магния, калия, железа, алюминия, породы различаются по кислотности и цвету. Чем кислее порода, тем она светлее. Различают кислые, средние, основные и ультраосновные породы. Поскольку минералы с большим содержанием двуокиси кремния (кремнезема) имеют светлые тона, то по цвету можно приблизительно понять, с какими породами мы имеем дело.
К кислым породам относится интрузивный гранит и его эффузивный аналог – липарит. Здесь темноцветных минералов менее 10%. К средним порода относят диорит и его аналог – андезит, содержащие около 30% темноцветных материалов. К основным – габбро и базальт – 50% темноцветных минералов. Ультраосновные породы достаточно редки. Они содержать до 90% темноцветных материалов. К ним относятся пироксенит, перидотит и, хорошо известный по синим блесткам на черном фоне в облицовке памятников и станций метро – лабрадорит.
Осадочные породы возникают при разрушении или, иначе, при выветривании магматических и метаморфических пород. К ним относятся и биогенные породы, среди которых мел, ракушечник и известняк, различные руды, фосфориты, уголь и нефть. В результате физического (механического и температурного) выветривания образуется материал осыпей, морен, залежи песка и глины. Химическое выветривание и вымывание природными растворами приводит к образованию и кристаллизации кальцита, гипса, фосфоритов.
Метаморфические породы возникают при воздействии температуры и давления на ранее существовавшие породы. Отличительной чертой большинства метаморфических пород служит их слоистая, сланцеватая структура. При метаморфизации глина слеживается, превращаясь в мягкие филлитовые сланцы, затем начинаются изменения в ее минеральном составе, и образуются хлоритовые (от греческого "хлорос" – зеленый) сланцы. При достаточно высоких температурах и давлении возникают слюдяные и кристаллические сланцы. Им часто сопутствуют гранаты и дистен. Железистые глины превращаются в железистые сланцы или джеспилиты, широко распространенные, например, на Криворожском месторождении железных руд.
При метаморфизации песка возникает песчаник, затем кварцит и, при определенных условиях, гнейсовидный сланец, мало отличающийся на вид от магматических пород. Кстати, если воздействию высоких температур и давления подвергается гранит, из него образуется гнейс – кристаллическая порода, имеющая слоистую структуру.
При метаморфизации моренных отложении образуются конгломераты, а осыпей – брекчии. Примером искусственной брекчии служит строительный бетон с наполнителем из щебня. Тот же бетон, но с наполнителем из гальки, можно назвать искусственным конгломератом.
При метаморфизации известняка образуется мрамор, древесной смолы – янтарь. Особые породы возникают на контакте расплавленной магмы с окружающими (вмещающими) породами. Здесь образуются роговики, грейзены и скарны. Наиболее часто в подобных образованиях встречаются такие минералы, как гранаты, горный хрусталь. К этим образованиям нередко приурочиваются месторождения полезных ископаемых, например, Тырныаузское вольфрамит-шеелитовое месторождение на Кавказе.
Сведения о минералах и горных породах для туристов не обязательны, но тем, кто в горах интересуется не только техническими сложностями и окружающими пейзажами, иногда полезно взглянуть под ноги. И, если увиденное не оставит их равнодушными, мы рекомендуем обратиться к учебникам геологии, минералогии и петрографии, а также к многочисленным определителям минералов и горных пород.