Горообразование
Что больше всего поражает человека, попавшего в горный район? Нагромождение горных кряжей, уступы, обвалы, вознесенные в поднебесье скалы. Как все это получилось?
И сегодня еще геологическая наука не в силах дать исчерпывающего ответа на этот вопрос.
Горные пласты нередко настолько смяты, стиснуты, перемешаны, что нет сомнения: все они подверглись сильным множественным горизонтальным воздействиям. Складчатость многообразна. Здесь и гигантские складки, и даже микроскопические складочки, не видимые невооруженным глазом.
Но самое парадоксальное свойство складчатости — она возрастает с глубиной.
Видный советский геолог М. М. Тетяев писал: «Мы видели, что процесс складкообразования охватывает всю земную кору, а не только ее поверхность. На поверхности он выражается только в элементарных, примитивных формах, в то время как на глубине проявляется в формах гораздо более сложных. Следовательно, формы поверхности ни в коей мере не охватывают всего многообразного содержания общего процесса складкообразования…
Таким образом, это образование гор не связано непосредственно с процессом складкообразования, а возникает в результате поднятия участков земной коры с ранее созданной складчатой структурой, и созданной на глубине, но затем выведенной на поверхность вследствие поднятия».
Мы подчеркнули последний абзац, так как в нем для нас главное.
Вот так все и объясняется. Горы «готовятся» в глубинах, а затем всплывают на поверхность «готовыми».
Стоит нам обратиться к всеобщему круговороту веществ, как возникновение гор и свойства складчатости обретают новый понятный смысл. Во всяком случае если говорить о качественной стороне дела, о его толковании в описательной форме. Возможно, расчеты и детали внесут впоследствии серьезные уточнения в предлагаемое описание, но мы думаем, что они вряд ли смогут изменить его логическую суть.
Имея в виду деятельность дренажной оболочки, образование гор можно объяснить так.
Смываемые с материков осадки выпадают на океаническое дно послойно. Равномерно и ритмично, век за веком там образуются протяженные пространства осадочных пород.
Пропитываясь горячими растворами дренажной оболочки, поступающими снизу, уплотняясь и тяжелея, эти породы спускаются в верхние слои мантии.
Слоистые, напоминающие торт «наполеон» осадочные плоскости пока не претерпевают существенных деформаций. Но когда вещество верхней мантии сдвигается по горизонтали, из-под океанического дна под «всплывающие» материковые основания, начинают и происходить главные события: под сильным давлением, при высокой температуре осадочные породы сминаются в «гармошки» разных масштабов и форм. И при этом огромные их массы перемещаются на огромные расстояния — из коры океанического дна в пределы верхней мантии, далее под кору материков, а затем и в сами поднимающиеся материки.
Не все части материков и не все области океанического дна в одинаковой мере участвуют в уже известном нам круговороте твердого вещества. Быстрее возносятся высокие горы, ибо они быстрее смываются, а поэтому вызванное «всплыванием» материка вертикальное движение на этом участке наиболее интенсивно. В океане движение вещества тоже неравномерно: в пределы мантии прежде всего проникают участки, наиболее нагружаемые речным сносом.
Загадка геосинклиналей
В рельефе Земли есть особые участки, издавна привлекающие внимание ученых. Названы они геосинклиналями. О том, как возникают эти узкие и протяженные, то почти прямые, то изгибающиеся полосы, заполненные осадочными породами, написано много работ, выдвинуто много гипотез. Глубина осадочных наполнений в геосинклиналях достигает 10—15 километров и больше. Осадочные породы в них различные — морского и континентального происхождения.
В истории образования геосинклиналей пока многое неясно и противоречиво. Во-первых, почему они так глубоко и весьма длительное время прогибаются? Ведь не могут же тяжелые и прочные породы нижних горизонтов коры и верхней мантии прогибаться под весом слоев легких осадочных пород. Существует мнение, что накопление осадков в геосинклиналях происходит в результате длительного, измеряемого многими миллионами лет прогибания геосинклинальной области, но вот о причинах, вызвавших это прогибание, нет сколько-нибудь обоснованного мнения.
Следует также принять во внимание, что прогибание геосинклиналей — процесс непростой. Это хорошо видно на примере образования их младших сестер — геосинклинальных угольных месторождений. Осадочные толщи последних сложены, как правило, пластами углей, которые могли образоваться на суше, и многими слоями известняков, возникших в морских условиях. В Донецком бассейне чередуются 200 пластов угля и столько же пластов известняка, в Саарском и Верхне-Силезском их соответственно 350 и 477. Очевидно, эти районы много раз становились то морем, то сушей.
Еще менее понятна и еще больше противоречит законам механики дальнейшая судьба геосинклиналей. После накопления мощных толщ они вместо дальнейшего прогибания… выгибаются, образуя смятые в складки горные кряжи.
Представление о роли вод дренажной оболочки в формировании земной коры приоткрывает завесу над загадкой геосинклиналей.
Существенными в проблеме геосинклиналей представляются два момента: причины их погружения и воздымания.
Опускание поверхностей геосинклиналей можно в определенной мере объяснить тем, что вода растворяет и уносит по дренажной оболочке часть вещества пород, слагающих проницаемые слои земной коры.
Кстати говоря, свойствами дренажной оболочки хорошо объясняется и огромная протяженность геосинклиналей. Ведь ее растворы, двигаясь миллионолетиями от материков к океанам, образовали пористые дрены огромных поперечных сечений и протяженности. Такие дренажные «реки», в которые ежегодно сквозь кору материков поступают около 150 миллиардов тонн воды, должны всю ее «разгрузить» в океан — при этом они избирают по возможности кратчайшее расстояние. Так возникает линейная направленность геосинклиналей.
По мере разрушительной работы вод дренажной оболочки объем ее глубинных пустот, полостей и других емкостей растет и в какой-то момент, происходят прогибания под давлением вышележащих пород, вес которых оказывается достаточным, чтобы вызвать их проседание.
На местах геосинклинальных прогибов откладываются осадочные породы, плотность которых меньше плотности подстилающих пород. В результате по мере накопления осадков, которые замещают плотные породы, кора геосинклинали становится легче. Как говорят геофизики, в ней растет дефект массы, растут отрицательные аномалии силы тяжести. При определенной величине этих аномалий геосинклиналь начинает восходящее движение, всплывает подобно затонувшему кораблю, в трюмы которого накачали воздух.
Все это — и образование трещин, и утоньшение коры — облегчает восходящее движение всей толщи геосинклинали и превращение ее в горную область. Дальнейшая ее судьба будет определяться водой: чем больше воды пройдет в дренажную оболочку, тем легче станут породы и толще кора, тем выше станут горы.
Пожалуй, верно, что горы приходят готовыми из глубин, но только есть основания предполагать, что приходят они не так, как думали мы раньше. Да и горы горам рознь. Можно назвать по крайней мере четыре различных типа.
Одни горы местные: они поднялись на геосинклиналях. В них наблюдается нормальная последовательность слоев сверху вниз, от более молодых к древним.
Другие, как отмечено выше, пришли в состав материков издалека: они построены из морских осадков, которые сминались в складки, преобразовывались в горниле верхней мантии и, претерпев двойную обработку растворами дренажной оболочки, имеют слои, расположенные в хронологической инверсии — более древние породы лежат на более молодых. Совсем же молодые отложения в составе этих гор обычно не участвуют, так как долгий путь через владения верхней мантии сильно задержал их выход на поверхность и, как говорят специалисты, метаморфизовал, то есть изменил когда-то молодые морские осадки.
Происхождение третьего типа горных сооружений, которые, как Анды, воздымаются на границе материк—океан, еще не совсем ясно: возможно, они связаны с дрейфом континентов, но возможна связь их и с движением переработанных дренажной оболочкой океанических масс под континенты.
Наконец, есть и четвертый тип горных сооружений. Они возникают не на суше, а на океаническом дне в виде системы срединных хребтов.
Вода и землетрясения
Землетрясения слишком многообразны по своим проявлениям и причинам, чтобы можно было их объяснить, лишь исходя из представлений о роли дренажной оболочки. Все же во всех землетрясениях воды земной коры обязательно играют большую роль, особенно в случае землетрясений, связанных с вертикальными движениями отдельных блоков земной коры, облегчаемых эрозией или нагружаемых осадочными породами.
При разговоре о землетрясениях нам понадобится знать такие понятия, как гипоцентр и эпицентр.
Гипоцентр — это точка или область в недрах, где непосредственно совершаются события, вызывающие землетрясение. Если же эту точку спроецировать на поверхности, получим эпицентр. Эпицентр от гипоцентра может быть отделен многими километрами, десятками и даже сотнями километров. Большинство же очагов землетрясений лежит на сравнительно небольшой глубине: гипоцентры южноитальянских землетрясений находятся лишь в 4—5 километрах от поверхности, в Японии — обычно не глубже 50 километров. Таким образом, у большинства землетрясений очаги лежат в пределах земной коры.
Взаимодействие воды и пород земной коры постоянно нарушает равновесное состояние ее отдельных участков.
Все дело в неравновесности. Горные области и промываются и смываются быстрее, интенсивнее, чем равнины. Следовательно, они становятся легче, а это ведет к их всплыванию. Но и всплывание отдельных участков горных областей происходит неравномерно, что и приводит к землетрясениям. Частота их во многом тоже зависит от скорости эрозии. Так дело обстоит в горах.
Для объяснения землетрясений, которые возникают на равнинной местности, необходимо привлечение иного механизма.
Например, во время Ташкентского землетрясения 1966 года не наблюдалось видимых разломов и сдвигов, которые неизбежны при горизонтальных и вертикальных перемещениях отдельных участков земной коры. Гипоцентр его изначально лежал на глубине около 10 километров, но с каждым толчком поднимался все ближе к поверхности. За год было зарегистрировано свыше 700 толчков, в том числе свыше десятка семибалльных. Как нам кажется, к причинам землетрясений такого типа дренажная оболочка также может оказаться причастной.
Представим себе, как глубинные «реки» год за годом прокладывают себе подземные «русла». Там, где порода более податлива растворению и выносу, где гидростатический напор воды особенно силен, там неизбежно возникновение пустот разных размеров, заполненных парами, газами и водными растворами.
Для убедительности напомним некоторые цифры.
Как показывают расчеты материальных и тепловых балансов, в дренажную оболочку материков ежегодно приходит около 150 кубических километров воды в виде 4—5-процентного раствора. Этот водный поток уносит из коры материков в кору океана около 5—6 миллиардов тонн, или примерно 2—2,5 кубических километра, твердого вещества.
Именно поэтому вода способна создать в низах земной коры как мелкие поровые пространства и трещины, так и огромные полости наподобие карстовых пещер. Потолок таких выщелоченных участков может удерживать кровлю лишь до поры до времени, но даже небольшие изменения в геологической обстановке и дальнейшее действие тех же водных растворов в конце концов приводит к ее обрушению. Чтобы вызвать крупное семибалльное землетрясение, достаточно обрушить 30—50 кубических километров пород с высоты 1 километр. Если же такой обвал пласта произойдет на площади 300—500 километров, то достаточно высоты падения и 100 метров. При этом под понятием «падение» следует, разумеется, понимать быстрое проседание, а не свободный полет в пустоте.
Многократность ударов объясняется тем, что не вся кровля рушится сразу. Отпадает какой-то ее слой, и наступает временная передышка. Затем обваливается следующий слой, происходит новый толчок — и вновь затишье. Гипоцентр в таком типе землетрясений раз за разом поднимается, стремясь соединиться с эпицентром. Толчки следуют за толчками, а сила их постепенно уменьшается, так как уменьшается высота, с которой падает кровля. Это и создает пеструю картину землетрясения, когда высокобалльные удары могут чередоваться с мелкими толчками.
На ход таких землетрясений оказывают влияние и наиболее высокие, приливные волны в литосфере, которые, обегая земной шар, могут вызывать толчки, играя роль спускового механизма.
Иногда последовательные нарушения сплошности пород и обрушение подземной кровли приводят к образованию крупных провалов на поверхности Земли. Если огромные полости возникают где-то вблизи поверхности Мохоровичича, то возможны извержения горячих растворов из дренажной оболочки и магм из-под нее. Более того, они могут сопровождаться подъемом дневной поверхности, когда вытесняемые массы флюидов — в основном воды — не могут уйти в стороны. Из этих рассуждений напрашивается вывод о том, что везде, где есть дренажная оболочка, возможны землетрясения. Но ведь на Земле немало мест, где землетрясения почти не бывают.
Почему?
Попробуем объяснить это на примере Антарктиды.
Антарктида — своеобразный во многих отношениях материк. Поверхность этого материка защищена мощным слоем льда и потому не смывается реками и ручьями в океан. От эрозии она хорошо законсервирована и защищена от воздействия воды самой водой в виде льда. В коре этого континента нет круговорота вод (или он очень слаб), а поэтому не происходит и круговорота твердого вещества. В Антарктиде не известно крупных землетрясений, если не иметь в виду движений антарктического льда, разломов в нем, обрывов у берегов, сползаний с толчками, обвалов. Нет круговорота вещества — нет эрозионных полостей — отсутствуют землетрясения. Так представляется сейчас эта причинно-следственная цепочка.
Вулканы
Ассоциации, связанные с этим словом, величественны и тревожны. Взрыв кратера. Огонь, дым, гарь, пепел, лава и множество других опасных и трагических для человека явлений.
Грандиозные и потрясающие извержения вулканов описаны во многих специальных монографиях и популярных сочинениях, начиная с трудов Плиния Старшего и кончая книгами нашего современника — бесстрашного вулканолога Гаруна Тазиева.
Но нас в данном случае, как и в прежних главах, интересует научная основа явления, его внутренняя сущность — не столько форма, сколько содержание, обретшее материальное воплощение в явлении природы.
На Земле еще недавно было зарегистрировано 616 вулканов, деятельность которых проявилась в историческом прошлом. Из них 74 вулкана действовали в океане и 542 — на суше. Общее количество действовавших или способных действовать вулканов сегодня равно 817. Из них в «Огненном поясе» вокруг Тихого океана насчитывается 526 вулканов (в том числе на суше — 360 и под водой — 44).
На Камчатке и Курильских островах имеется 68 вулканов (в том числе 2 подводных и 56 действовавших в историческом прошлом).
Такой представлялась статистика о вулканах до последнего времени. Но новые исследования дна океанов показали следы совершенно неожиданной активности подводного вулканизма. Только в центральной части Тихого океана насчитывается до 200000 вулканических конусов и 2—10 тысяч крупных плосковерхих вулканов — гайотов. Их в Тихом океане, говорят, столько, сколько может поместиться на карте. И что интересно, особенно много их сосредоточено на срединных океанических хребтах. Общее количество сопок, или, как говорят исследователи океана, мелких вулканов, достигает четверти миллиона. Вулканическая деятельность многообразна, и разные вулканы работают по-разному. Одни отличаются особенно продолжительной активностью, например Стромболи в Италии, который действует почти без перерывов на протяжении нескольких тысячелетий. Другие поражают производительностью: например, Ближний Плоский и Дальний Плоский на Камчатке уже извергли 2830 кубических километров магматического материала. А самый крупный вулкан на Гавайских островах — Мауна-Лоа выбросил за время своей деятельности 42 000 кубических километров. Но есть такие вулканы, которые в одно мгновение выполняют такую же работу, какую другие производят за века. 12 ноября 1964 года камчатский вулкан Шивелуч во время извержения, которое длилось немногим более часа, выбросил 1,5 кубических километра пепла, пемзы и других твердых продуктов извержения.
При извержении вулкана Кракатау в 1883 году газы, пары, обломки, песок и пыль поднялись на высоту 70—80 километров. Взрывы, происходящие при извержении Кракатау, как и других вулканов, бывают слышны на расстоянии тысячи километров.
При извержении в апреле 1815 года вулкана Тамбора на о. Сумбава струей водяного пара было выброшено в атмосферу более 100 кубических километров песка, пепла и вулканической пыли, что вызвало затмение Солнца на территории, равной Франции.
Самое поразительное в вулканах для исследователя — их фантастическая энергия. При среднем по мощности извержении выделяется количество энергии, равнозначное энергии 400 тысяч тонн условного топлива. Примерно полмиллиона, а при крупных извержениях энергию 5 миллионов тонн угля выбрасывает, как говорится, на ветер вулкан за один прием. Но особенное удивление вызывают эти цифры, когда начинается подсчет энергетических запасов земной коры и тех мест, откуда вулкан может черпать свою энергию.
Допустим, вулканы приводятся в действие теплом, выделяемым радиоактивными веществами. Расчет показывает, что для однократного извержения потребовалась бы энергия, образующаяся в нескольких миллионах кубических километров мантии на протяжении года. Совсем непонятно, как собрать и сконцентрировать это радиогенное тепло в очаге вулкана. Пытаются искать причины вулканизма в газовом давлении. На протяжении веков и тысячелетий, говорят сторонники этой гипотезы, из магмы выделяются пузырьки растворенных в ней газов. Чем выше они поднимаются, тем ниже давление окружающей их среды, наконец, пузырьки якобы взрываются, вырывают клочья магмы и выбрасывают ее на поверхность. Периодичность извержений они объясняют задержкой газов поверхностной корочкой магмы. Чтобы прорвать ее, откупорить пробку, газы должны скопиться, так сказать, набраться силы.
Недостаток этой гипотезы в том, что, однажды прорвав магматическую корку, газы полностью уйдут, а процессов, которые могут генерировать новые порции газа, не предложено. Многократное выбрасывание шампанского из уже открытой бутылки невозможно.
Поиски источников энергии вулканической активности заставляли ученых обращаться к недрам Земли. Там, предполагают некоторые вулканологи, на глубинах скрыта отгадка. Но в глубинах мантии нет постоянно действующих источников ни энергии, ни газов, которые могли бы взрываться. Радиоактивные вещества, как мы уже говорили, распределены неравномерно в недрах Земли и сконцентрированы главным образом в гранитах коры; то есть в коре суши. Но никаких следов повышенной радиоактивности в продуктах вулканических выбросов не обнаружено. Вода и газы по, своему изотопному составу не отличаются от воды и газов, находящихся на земной поверхности. Конечно, существуют и глубинные подкоровые выделения высокотемпературных флюидов, как уже указывалось. Все же они не столь велики, да и рассеяны в недрах земного шара, так что не могут обеспечивать хотя бы гидротермальную часть столь длительной вулканической активности на планете. Как и прежде, остаются неясными многие стороны вулканической деятельности. Совершенно непонятно, почему же вулканы сосредоточились в основном на молодом дне океана и. почему наблюдается многократность вулканических извержений, их чрезвычайная длительность и активность, откуда берется столько энергии пара и магмы?
Вулканизм, выходит, явление, присущее главным образом океану, а не суше.
Обычно объяснение вулканизма ищут в недрах верхней мантии, где на глубинах 200—400 километров имеется слой размягчённого вещества, называемый астеносферой. Еще господствуют гипотезы, будто оттуда поступают энергия и вещество, уходящее в атмосферу и образующее вулканические сопки. Для каждой такой, даже небольшой, вулканической сопки нужен вертикальный канал высотой 200—400 километров.
Моделирование процесса выхода пара через слой песка показывает, что расстояние между точками, в которых прорывается пар, зависит от толщины слоя песка и в среднем в 3—5 раз превышает толщину слоя. А между тем сопки на океаническом дне расположены на расстоянии всего 25—30 километров.
Обычно для объяснения тесного соседства вулканов допускают существование на небольшой глубине промежуточных очагов расплавленной магмы.
Чтобы объяснить появление многочисленных вулканических сопок, следует предположить, что под корой океана имеются огромные очаги, а учитывая количество вулканов, исчисляющихся сотнями тысяч, надо предвидеть единый сплошной очаг, расположенный на весьма небольшой глубине, измеряемой несколькими километрами.
Попробуем объяснить возможные причины вулканизма в океане с помощью гипотезы о дренажной оболочке.
Где тонко, там и рвется
Как уже было сказано, дренажная оболочка находится в коре океанов именно на такой глубине, на какой должен быть повсеместный очаг магмы, необходимой для вулканических извержений. Дренажная оболочка заполнена высокотемпературными пароводяными растворами под избыточным давлением. Создаваемое слоем морской воды и растворов гидростатическое давление дренажной оболочки океана приближается к 1 тысяче атмосфер. В то же время в дренажной оболочке коры суши оно возрастает (при мощности коры 30—60 километров) до 3—6 тысяч атмосфер. Более высокое гидростатическое давление в оболочке под материками создается не только потому, что материки возвышаются над уровнем воды в океане в среднем на 875 метров, но и еще потому, что трещины и разломы в коре суши заполнены более тяжелыми растворами, чем паровые растворы, поднимающиеся из глубин дренажной оболочки материковых побережий в дренажную оболочку океана. Разновидности коры суши и океана выступают как бы в роли соединенных сосудов, причем в одном колене — в коре материков — гидростатическое давление выше, чем в коре океана. Океаническая дренажная оболочка оказывается областью разгрузки тех высокотемпературных водных и паровых растворов, которые заполняют дренажную оболочку материков. Постоянное поступление растворов создает избыточное давление в дренажной оболочке океана, что и вызывает деятельность многочисленных вулканчиков на океанском дне.
Эти извержения работают наподобие «предохранительных клапанов». Прорвавшись сквозь кору, такой «клапан» действует, пока давление может преодолевать противодавление столба воды в океане при глубине его до 4—5 километров. Но давление в конце концов падает, и вулканчик затихает.
Однако покой недолог: он продлится до того момента, когда давление вновь восстановится до такого, какое сможет в этом месте или где-то рядом преодолеть сопротивление, ведь дренажная оболочка облекает весь земной шар, и везде и всюду есть пар высокого давления. При каждом очередном извержении происходит выброс больших количеств высокотемпературного пара, из которого при охлаждении выпадают массы вещества, образующие в атмосфере большие количества пеплов/ Резкое снижение давления в вулканическом канале и в данном месте дренажной оболочки отражается на растворимости силикатов, алюмосиликатов и других веществ. Они выпадают в осадок, образуя вязкие желеобразные массы. Эта минеральная «жижа» скопляется в канале вулкана и откладывается на дне в виде лавы, туфа и пемзы.
Извержения, происходящие на глубинах 3—4 километра, в большинстве случаев не выдают в атмосферу даже пара, ибо он конденсируется там при вышекритическом давлении и быстром охлаждении в воде, и на волнах появляются лишь массы пемзы, погибшей рыбы и т. п. На дне же образуется новая вулканическая сопка.
Избыточное давление в дренажной оболочке дна океана «вечно» поддерживается высоким давлением в дренажной оболочке материков. Таким образом, удивительная активность океанического дна является естественным следствием наличия дренажной оболочки Земли, где постоянно возобновляется давление и накапливаются горячие жидкие и паровые растворы различного состава и концентрации.
Океанические извержения заканчиваются не только образованием мелких сопочек. Большое количество различных по размерам островов возникло в результате вулканизма. К ним относится и величайший вулкан Мауна-Лоа на Гавайских островах.
Вулканические извержения вызывают также хорошо известные страшные волны цунами. Эти волны концентрически распространяются от очага подводного извержения или землетрясения. Страшные последствия от цунами намного превосходят действие породивших их вулканов. Например, извержение вулкана Кракатау создало волну высотой около 35 метров. Это цунами унесло почти 37 тысяч человеческих жизней. Сильнее всего от моретрясений и цунами страдает Япония, находящаяся как раз в районе тихоокеанского «Огненного пояса». Только в открытом море цунами не опасны, хотя и оставляют сильные и малоприятные ощущения.
Большие цунами случаются, к счастью, не так уж часто. В Японии в среднем один раз за 15 лет наблюдается волна высотой более 7,5 метра. Начиная с 684 года до наших дней были зафиксированы 4 цунами высотой более 30 метров. Но небольших цунами множество, и связаны они скорее всего с многочисленными малыми подводными извержениями. Связь вулканизма с деятельностью дренажной оболочки делает понятными и другие его особенности. Например, многократность извержений объясняется тем, что снижение давления, которое происходит при выбросе, восстанавливается довольно быстро. Длительность работы вулканов объясняется этой же неисчерпаемостью оболочки.
Почему лава горячая?
Очень важным представляется вопрос об энергетических источниках, вызывающих высокий нагрев лав — до 500—600 и даже 1000 и более градусов. Растворы дренажной оболочки такой температуры не имеют. Однако вместе с ними в канале вулкана находится множество газов — сероводород, сернистый газ, метан, водород, хлор, кислород и др. Там идут интенсивные реакции, при которых выделяется тепло. Например, окислы металлов легко реагируют с метаном и водородом:
Fe2O3 + H2 = H2O + 2FeO;
3Fe2O3 + CH4 = 2H2O + CO + 6FeO.
Эти реакции приводят к восстановлению железа, свежевыпавшие пеплы обычно быстро темнеют и становятся коричневыми вследствие окисления двухвалентного железа кислородом воздуха в трехвалентное.
И еще один источник тепла. Рассеянное органическое вещество непрерывно сосредоточивается в осадочных породах и, участвуя в круговороте твердого вещества, уходит в недра мантии. При высоких температурах и давлениях из рассеянной органики образуются различный виды горючих ископаемых. Такие подвижные горючие, как нефть и газ, могут накапливаться в коллекторах дренажной оболочки. Каждый кубический километр осадочных пород содержит примерно до 20 миллионов тонн органического вещества, которое по своей теплотворной способности в 10—100 раз больше энергии обычного вулканического извержения. Рассеянная в породах, органика может играть роль энергетического потенциала вулканизма, и этот источник энергии пригоден для объяснения явлений, которые происходят в виде взрывов, когда за считанные минуты выбрасывается масса пород 3—5 и более миллиардов тонн. Нередко обнаруживают примеси горючих газов в вулканических выбросах. Из них такие, как метан и водород, могут, сгорая, при выходе лавы на поверхность сильно нагревать ее.
Заслуживает внимания вопрос о происхождении и других газов вулканического извержения. В их числе обнаружены производные хлора, брома, фтора, другие газообразные соединения. Выделения этих веществ при обычном плавлении горных пород не происходит. Если же принять во внимание, что в дренажной оболочке происходит взаимодействие кремнезема с другими соединениями, становится понятным и образование сильных кислот:
CaCl2 + SiO2 + Н2O → CaSiO3 + 2HCl;
CaBr2 + SiO2 + Н2O → CaSiO3 + 2HBr;
CaF2 + SiO2 + Н2O → CaSiO3 + 2HF.
По той же схеме кремнезем взаимодействует с другими солями, образуя силикаты и вытесняя кислоты, которые извергаются вместе с паром на поверхность Земли.
Вулкан на поверку оказывается химическим реактором, где свойства дренажной оболочки проявляются особенно ярко и в котором летучий кремнезем выступает одним из главных химических агентов.
Химические комбинаты Земли
Отвлечемся на время от описательного рассмотрения вулканизма. Не столько грандиозность, сколько его механизм и технологичность в широком смысле слова будут объектами нашего внимания.
То, почему мы называем их комбинатами, вытекает из существа определения. Продукция вулканов комплексная. Широкий набор химических соединений, газов, веществ, элементов. Технологичность тоже понятна. Существует некоторый природный агрегат, этакая довольно сложная система малоизученных аппаратов, где происходят разнообразные превращения: нагрев, сжатие под давлением, процесс реагирования, перемешивание и т. д. Все известные да еще неизвестные нам химические операции, которыми сопровождается вулканическое извержение.
В работе любого химического предприятия есть три по крайней мере существенных фактора: сырье, условия технологического процесса и конечная продукция. В работе вулканов для нас доступней всего их, так сказать, конечная продукция: потоки лавы, выбросы газа и пепла, пара, камней. О том, как протекают глубинные процессы подготовки извержения, по какой технологической схеме они идут, мы можем лишь догадываться, так же как и о сырье, служащем при вулканизме исходным материалом.
Например, вода. Мы уже говорили, что в составе вулканических выбросов, особенно на первых стадиях, преобладают водяные пары. Воды этой получается слишком много. Во время извержения уже упоминавшегося вулкана Тамбора на о. Сумбава выделилось около 1000 кубических километров воды. За 1700 лет своего существования вулкан Шивелуч на Камчатке, крупнейшие извержения которого происходят в среднем через полтора столетия, выбросил несколько тысяч кубических километров воды в виде пара.
Вряд ли такие количества воды могли так быстро прийти к вулканам из глубин мантии и земного ядра. Вернее предположить, что в основном эта вода — участница великого круговорота вещества. Это отмечал и В. И. Вернадский:
«Среди эмпирических обобщений и отдельных фактов, с этой проблемой связанных, обращает на себя внимание, отмеченное уже в начале XIX столетия, сходство между солевым составом воды Океана и составом летучих возгонов вулканических извержений».
Подтверждение этого сходства мы находим и в совершенно новой области исследований. Ориентировочно расчеты показывают, что концентрация растворенных минеральных веществ в надкритических растворах дренажной оболочки составляет 4—5 процентов. Примерно такая же концентрация обнаруживается в водяных парах вулканических выбросов. Связь дренажной оболочки и вулканизма особенно прослеживается через воду. И здесь вновь уместно напомнить провидческие рассуждения В. Й. Вернадского:
«Изучение вулканов ясно указало, что их извержение есть результат газового процесса, т. е. прежде всего является проявлением горячих водяных паров биосферы. Неизбежно ставился вопрос, откуда берутся огромные количества воды, выходящие в виде паров во время извержений…»; «Поверхностная и волосная вода играют огромную роль в вулканических извержениях, может быть, более активную, чем это думают».
Итак, химкомбинаты вулканизма прежде всего перерабатывают воду. Они обращают ее в пар, который обладает могучей динамической силой: он рвется на свободное пространство, преодолевая сопротивление окружающих пород. Водяной пар, собственно, и есть главный транспорт для всех веществ, которые поднимаются из земных недр. Особенно для пеплов. Напомним, что за период с 1500 по 1941 год вулканами на сушу выброшено 392 тысячи кубических километров лавы и рыхлых масс, главным образом пеплов. Доля последних в вулканических выбросах достигала 84 процентов. Тонкие пеплы долго носятся в воздухе. При извержении Кракатау в 1883 году они много раз обошли вокруг Земли, прежде чем полностью осели. Поднявшись в верхние слои атмосферы, они вызвали красные зори в Европе, а пепел из вулкана Безымянного на Камчатке за два дня одолел расстояние 10 тысяч километров и выпал в Лондоне.
Технологическая схема производства пеплов с участием вод дренажной оболочки выглядит более понятной. Давление в канале вулкана достигает 2—4 тысяч атмосфер. Поднимаясь вверх по каналу, пары расширяются и охлаждаются, давление надает, резко снижается растворимость различных химических соединений и минералов, содержащиеся в растворах вещества выпадают, образуя жидкие и густеющие массы. Они, вероятно, скапливаются в устье канала, по которому поднимаются растворы, и вокруг него. Парогазовый поток подхватывает, выталкивает и несет их под сильным напором вверх. По пути они дробятся, измельчаются, превращаются в пепельные облака и скопления мельчайших частиц лавы.
Если вулканический пепел рассеять, то обнаружатся частицы разных размеров — от 3—5 миллиметров в диаметре до мельчайшей пыли, повисающей в воздухе туманным облаком. Особо тонкий пепел выпадает непосредственно из парового облака, имеющего температуру 400—500° С и выбрасываемого из жерла на большую высоту. При охлаждении из такого облака выпадают частицы, соизмеримые с молекулами, способные удерживаться в атмосфере неограниченное время.
Вот еще что интересно: подмечено, что по мере удаления облака от вулкана из него выпадают на земную поверхность пеплы все более изменяющегося состава. Чем дольше продолжалось пребывание частиц пепла в облаке, тем заметнее перемены в химическом составе пеплового материала. Например, содержание магния в пеплах вулкана Безымянного увеличилось раз в тридцать, когда облако удалилось от вулкана на 90 километров, хотя для анализа отсеивались частицы пепла одинакового размера.
В марте 1947 года вулкан Гекла выбросил облако, которое было отнесено на 3800 километров, и в выпавшем там пепле содержание окислов магния и калия в 4 раза превышало содержание этих соединений в пеплах, выпавших неподалеку от кратера. Интересно, что накопление этих соединений происходит в тончайшей поверхностной пленке частиц пепла. Выходит, она обладает высокой избирательной сорбиционной способностью, она настоящий магнит для содержащихся в облаке молекул. Ассортимент химических соединений в облаке оказывается неожиданно разнообразным. Это удивительная машина из атомов, анионов, катионов, молекул самых различных химических соединений, и разные частицы пепла извлекают те, которые им по душе. Мелкий пепел хорошо сорбирует анионы серной и угольной кислот. Пепел покрупнее предпочитает ионы хлора. Есть пеплы, которые извлекают ионы калия, натрия, магния. Особые стекловидные пеплы склонны принимать в свой, состав ионы железа, марганца, фосфора. В тонюсеньких пепловых пленочках накапливается 35—75 процентов общего содержания таких элементов, как титан, магний, марганец, никель, ванадий, талий, медь, хром, стронций, цирконий и уран.
Сходство химических составов вулканических выбросов с широчайшим набором элементов в водах океанов свидетельствует о роли дренажной оболочки в вулканизме и в образовании солевого состава океанов. Ведь химический состав солей океана, его фосфорных и железомарганцевых залежей должен во многом определяться деятельностью дренажной оболочки. Правда, пепловое облако материкового вулкана беспрепятственно поднимается в атмосферу и вершит свою химикопланетарную деятельность в условиях низких давлений и низких температур.
Иное дело — «химический комбинат» на дне океана. Там извержения происходят «спокойно», без выбросов паров и пепла. Да и как им выброситься, если сверху лежит слой воды толщиной 4—5 километров и создает давление на уровне 400—500 атмосфер? Даже если надкритические пары и растворы прорвутся в водную толщу, они очень быстро в ней превратятся в жидкость, теряя объем.
Однако подводные вулканы могут быть очень большими. Вулкан Мауна-Лоа в районе Гавайского архипелага по объему в 500 раз больше Этны и в 25 раз больше Везувия.
Погружение Плутона
Подсчитано, что ежегодно на Земле происходит 20 катастрофических, 150 разрушительных, 800 сильных, 6200 довольно сильных и свыше 100 000 слабых землетрясений, а также 4—5 крупных вулканических извержений.
Ученые установили много случаев совершенно очевидной связи между землетрясениями и вулканической деятельностью. Например, во время сильного землетрясения в Перу и Чили 10 апреля 1952 года пришли в действие 25 вулканов. Если передача давлений осуществляется по воде, заполняющей дренажную оболочку, то возможность «разбудить уснувшие» вулканы не представляется странной.
Именно через дренажную оболочку передается волна гидростатических колебаний. Землетрясения нарушают водную систему разломов, трещин и других пустот, по которым движутся глубинные воды. Эти нарушения, естественно, отзываются на подвижном слое пароводяных смесей дренажой оболочки.
Пробуждение и прекращение жизни вулканов тесно связаны с водами дренажной оболочки.
Проявления стихии разнообразны. В 1957 году к девяти Азорским островам, растянувшимся на 650 километров, неожиданно прибавился десятый. Произошло это так. Жители острова Фаял в ночь на 28 сентября были подняты с постелей сильными толчками. Землетрясение уничтожило небольшую деревушку. Людям, в панике покидавшим рушившиеся дома, представилось фантастическое зрелище.
Море кипело. На бурлящую поверхность выскакивали гигантские мутные пузыри, которые с шумом лопались, образуя облака пара. В небо рванулся исполинский столб дыма, пепла… Через три недели после своего возникновения поднялся из воды на 200 метров подковообразный вулканический кратер. Ветер развеял дым, унес пепел, морские волны смыли шлак, посреди океана возвышалась лишь голая скала. Родился новый остров.
Такие вулканические острова не редкость. Они то исчезают, то появляются вновь.
У тех же Азорских островов из-под воды поднялись вулканические конусы в 1867 и в 1911 годах. Просуществовав несколько месяцев, они вновь скрылись в водной пучине, чтобы, может быть, опять возродиться через неведомое число лет.
Почти все острова в Атлантическом океане обязаны своим возникновением вулканам. Вулканические кратеры, порой угасшие, а кое-где и дымящиеся, видят моряки, подплывающие к Исландии, Канарским или Антильским островам, к островам Зеленого Мыса, Тринидад, Вознесения, Фернандо-По и Тристан-да-Кунья.
Но никто не видит превращений, которые происходят с подобными вулканами при их погружении. Процесс погружения таких гор своеобразен: вулкан опускается вместе с небольшим участком океанического дна. При этом вокруг вулканической сопки возникают кольцевые ров и вал. Причины их появления в общем понятны. Вулканы нагружают земную кору, она прогибается, образуя кольцевые впадины и рвы, а вытесняемые из-под прогиба массы вещества выходят к периферии и, приподнимая кору океана, порождают кольцевой вал.
Остается в этой схеме одна неясность. Почему вулканические горы стали тяжелы для земной коры и начали опускаться? Значит, было привнесено дополнительное вещество? Откуда оно взялось?
Читатель уже сам может подсказать ответ — из той уже известной, но еще неведомой дренажной оболочки. Вещества, образовавшие вулканические сопки, принесены растворами издалека. Растворы формировались еще в коре материков, где они, охлаждая восходящие из мантии породы, извлекали вещества, растворимые при высоких давлениях и температурах. Этот привнос и создал избыточный вес, вызвавший погружение сопки.
Источник: С.М. Григорьев, М.Т. Емцев. Скульптор лика земного. Изд-во «Мысль». Москва. 1977