big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Дифференциация и трансформация гидросферы и влагооборот

Общепланетарный процесс дифференциации материи в земной природе приводит, как известно, к качественному обособлению различных геосфер в составе гидросферы, литосферы, атмосферы и биосферы. Первоначальные представления об этих геосферах и их названии было дано в конце XIX века Э. Зюссом. Каждая геосфера не только достаточно обособлена в природе, но характеризуется взаимным проникновением в другие геосферы и взаимодействием с этими другими геосферами, о чем говорилось в предыдущей главе.

На современной стадии нельзя представить себе развитие литосферы без прямого участия гидросферы, атмосферы и биосферы, или развитие биосферы без взаимодействия с другими сферами. Равным образом в атмосфере все процессы протекают при; участии гидросферы, а также элементов биосферы и литосферы.

Известно также, что в основе дифференциации вещества Земли лежит сила тяжести, различия в массах атомов и молекул химических соединений, различия в потенциалах ионизации атомов, в структуре их электронных оболочек и т. д.

Радиоактивный распад элементов и генерируемое им тепло является одной из энергетических основ глубоких дифференциаций вещества Земли. Более легкие или так называемые летучие соединения диффузным путем или прямой возгонкой поднимаются из больших глубин к поверхности суши и в океаны или переходят непосредственно в атмосферу. Более тяжелые соединения в процессе дифференциации погружаются в глубокие слои атмосферы и в подкоровую геосферу, именуемую мантией.

Здесь необходимо снова вернуться к некоторым основным положениям первой главы, чтобы лучше понять, где расположена основная масса гидросферы, учитывая проникновение ее в разные сферы.

В современной атмосфере заключена масса гидросферы порядка 1,3•1019, или около 0,0005% веса всей гидросферы.

В высоких слоях атмосферы нет физико-химических условий, благоприятствующих накоплению воды. Основная масса воды атмосферы сосредоточена в нижнем слое до 20 км (не менее 95%). Небольшое количество воды, заключенной в атмосфере, играет, однако, большую роль во влагообороте Земли. По существу это наиболее подвижная и, следовательно, наиболее активная часть гидросферы, оказывающая воздействие не только на атмосферу, но также на состояние и развитие литосферы и биосферы. Однако главным хранилищем воды на современной стадии развития природы Земли является земная кора литосферы. Имеются предположения, что в мантии Земли содержится воды во много раз больше, чем в земной коре.

Кроме литосферы и атмосферы, некоторое количество воды, как отмечалось, заключено в биосфере в связанном состоянии — в телах живых растений, животных, человека и в их ископаемых остатках. Непосредственно эта вода не принимает участия во влагообороте, так как находится в связанном состоянии. Но ее общий объем и вес подвержены периодическим изменениям в связи со старением живых организмов, постоянным разрушением их и зарождением новых.

По данным разных авторов, наблюдаются большие расхождения в подсчетах массы биосферы, а следовательно и массы, заключенной в ней воды, что было показано в первой главе. По сравнению с общей массой гидросферы, заключенной во всех доступных нам геосферах и равной приблизительно 2,5∙1024 г, масса воды живого вещества несоизмерима и представляет собой весьма малую величину.

Не трудно заключить, что влияние биосферы на массу гидросферы не может быть определяющим, в то время как обратное влияние должно быть весьма значительным, в чем убеждаемся повсюду, наблюдая явления, связанные с развитием растений, животных и человека.

При наличии сравнительно небольшой массы биосфера пронизывает всю гидросферу и значительную часть земной коры. По крайней мере, кора выветривания развивается, как известно, при непосредственном влиянии элементов биосферы. Вернадский (1926) один из первых отметил всепроникающее свойство живого вещества в косную материю, быстрый захват им все новых и новых пространств в пределах земной планеты.

Таким образом, в дополнение к изложенному в первой главе приходится подчеркнуть, что гидросфера в пространственном ее размещении не представляет собой обособленной оболочки. Ее обособление следует понимать в качественном отношении, как самостоятельную сферу качественной дифференциации вещества. В пространстве гидросфера тесно взаимодействует с другими геосферами, пронизывая их повсеместно.

Из факта взаимопроникновения геосфер и дифференциации гидросферы неизбежно вытекает вывод о том, что в природе широко распространены явления трансформации различных видов гидросферы: одни виды гидросферы могут переходить в другие. При этом существует единство всех видов вод Земли, что не так давно вновь подчеркнул Личков (1960), обращая внимание на их взаимосвязь и превращения одного в другой.

Наиболее простой случай трансформации вод наблюдается в атмосфере, где парообразная вода переходит в жидкое и твердое состояния и обратно. Однако этот процесс обратимый и на общий объем влагооборота не влияет, если не происходит захвата воды из ее круговорота в хионосферу. В этом случае парообразная вода атмосферы, переходя в твердое состояние, частично выпадает из круговорота в результате накопления «вечных» снегов и ледников.

В современную геологическую эпоху массу воды, находящуюся в твердом состоянии в пределах хионосферы, оценивают приближенно величиной 27 млн. км3 или 0,27•1023 г, что составляет около 0,01 массы всей гидросферы. С другой стороны, в ледниковый период общая масса ледяных покровов составляла не менее 100 млн. км3, что более чем в три раза больше современного объема вод хионосферы.

Образование обширных ледниковых покровов в средних и высоких широтах в западных районах Евразии ослабляло в этих широтах западно-восточный перенос воздушных масс, который, как известно, дает основную массу атмосферных осадков в умеренных широтах. Об этом изменении циркуляции достоверно можно судить по аналогии с процессами, происходящими в современной Антарктиде, где перенос сильно охлажденного во внутренних районах воздуха к прибрежной периферии материка протекает весьма бурно. Очевидно, аналогичные перемещения холодных воздушных масс от центра к периферии, ослаблявшие западно-восточный перенос теплых атлантических масс воздуха, имели место и в Евразии в ледниковый период. Южнее ледникового массива по его периферии должны были формироваться циклонические системы.

В связи с ослаблением интенсивности западно-восточного и усилением меридионального переноса неизбежным было увеличение сухости воздуха атмосферы над Евразией и на других континентах, если там складывались аналогичные барические системы. Увеличение сухости усугублялось интенсивной трансформацией различных воздушных масс в арктические массы, бедность которых водяными парами общеизвестна.

Затем началась очередная регрессия ледников, вызвавшая уменьшение объема хионосферы. Это соответственно привело к повышению уровня и увеличению площади Мирового океана, к некоторому сокращению площади суши и изменению очертаний материков. Одновременно происходило поднятие суши в районах, освободившихся от ледяных покровов, что частично компенсировало уменьшение площади суши.

Г. У. Менард (1966), рассматривая возможные последствия перехода материковых льдов из состояния длительной консервации в жидкую фазу, приходит к выводу, что уровень Мирового океана в результате этого должен был подняться на 120 м. Близкие к этому числа можно найти и у других исследователей.

Исчезновение громадного очага оледенения неизбежно должно было вызвать обратное действие — усиление в послеледниковый период западно-восточного переноса и соответственно усиление интенсивности атмосферно-континентально-океанического влагооборота в умеренных широтах.

Древние долины, поперечное сечение которых на поверхности суши значительно больше сечения современных, приводят ученых к выводу об обмелении рек в антропогеновую эпоху. Отсюда делаются предположения об усыхании земной планеты.

Едва ли могут быть сомнения в том, что в регрессивную стадию ледникового периода, когда таяние льдов преобладало над их накоплением, реки были более многоводны, чем в послеледниковый период. Следствием многоводья была интенсивная разработка речных долин с более значительными профилями поперечного сечения. В послеледниковый период наступало маловодье с неизбежным следствием его — сокращением живого сечения речных водотоков.

На изменение поперечного сечения долин могли повлиять и неотектонические движения.

Однако формирование новых долин редуцированного поперечного сечения на месте более емких старых не всегда может служить доказательством усыхания земной планеты.

Современные пустыни не могут высыхать, так как они испаряют лишь то количество атмосферных осадков, которое выпадает на их территорию.

По последним данным, в пустынях умеренных и тропических широт наблюдаются огромные скопления подземных вод — факт, противоречащий концепции высыхания пустынь. В теплый период года в почвах пустынь возникают условия, способствующие передвижению парообразной влаги вниз в глубокие горизонты, что тормозит высыхание их за счет глубинных слоев.

Однако все это не исключает явлений локального усыхания отдельных аридных областей.

Изменения в различные геологические эпохи объема льда, законсервированного в ледниковых покровах горных областей и равнин высоких широт, еще не доказывает направленного характера изменения массы всей гидросферы. Это одно из проявлений трансформации различных видов гидросферы и вместе с тем одно из явлений консервации пресной воды, необходимой для продолжения жизни растений и животных пресноводного типа. Факты обмеления отдельных рек и озер не являются убедительным доказательством уменьшения массы гидросферы, усыхания Земли. Обмеление может быть как локальным, так и общепланетарным явлением и тем не менее ни в одном, ни в другом случае оно не является доказательством убывания массы гидросферы. Оно указывает на трансформацию части жидкой гидросферы в твердую, что особенно проявляется в ледниковые периоды. Повторяясь ритмично в многократных трансгрессиях и регрессиях, оно нередко создает впечатление направленного характера высыхания Земли как планеты.

Вторым видом трансформации гидросферы обратимого типа является временный захват воды живым веществом биосферы, переход воды в тела растений, животных и человека. Для построения живого вещества необходима, как известно, конституционная вода, непосредственно не участвующая в процессах транспирации.

Пока организм существует в живом состоянии, он удерживает в себе часть воды, необходимой ему для нормального овод-нения, без которого нарушаются процессы обмена со средой. Для передачи жизни из поколения в поколение часть организмов всегда пребывает в живом состоянии при непрерывной смене поколений. Вода, содержащаяся в живых организмах, пока существует жизнь, временно отчуждена, изъята из влагооборота. Это связанная вода гидросферы, о которой кратко было сказано в первой главе.

В современный нам период, если принять общий вес живого вещества биосферы равным 1,4∙1012 т, масса заключенной в нем воды составляет около 1018—1020 г. Это очень малая величина по сравнению с общей массой гидросферы. Очевидно, переход 1018—1020 г воды в связанное биосферой состояние не мог заметно изменить массу свободной воды гидросферы, если не считать захороненной массы органического вещества, роль которой в развитии гидросферы Земли значительна.

Л. Ш. Давиташвили отмечал, что объем современного органического вещества Земли в 100 000—1000 000 раз больше объема органического вещества средины палеозоя. По нашим расчетам, помещенным в третьей главе, современная масса растений суши в сотни тысяч раз больше той, которая образовалась в девоне. Если предположить, что и в будущем увеличение массы органического вещества будет протекать теми же темпами, то вес связанной в нем воды будет соизмерим с общей массой гидросферы: он может возрасти по крайней мере до 1023 г, что увеличило бы массу связанной биосферой воды до величин, заключенных в пределах 10% общей массы гидросферы.

Учитывая современные темпы воздействия человека на природу, можно ожидать, что темпы образования органического вещества фитосферы и зоосферы Земли возрастут не менее чем в 5—10 раз.

Такие масштабы трансформации гидросферы под влиянием возрастающей массы живого вещества могут иметь значительные последствия для влагооборота.

Развитие некоторых видов фитосферы, в частности однолетних растений, связано, как известно, только с временным захватом воды для построения вегетативных органов — корней, стеблей и листьев. По существу это также один из видов кратковременной трансформации части гидросферы, временный переход свободной воды в связанное состояние. Вследствие его малой продолжительности (несколько месяцев) как будто бы нет необходимости рассматривать его особо, тем более что значительный объем «захваченной» таким путем воды снова возвращается в парообразном состоянии в геосферы. Однако, несмотря на кратковременный характер, процесс образования однолетних и многолетних организмов фитосферы и процесс фотосинтеза сопровождаются разрушением молекул воды с выделением кислорода при частичном безвозвратном изъятии воды из гидросферы.

Рассмотренный выше второй вид трансформации гидросферы, в отличие от полностью обратимого первого (образование льдов), характеризуется двойственной природой. Частично он обратим вследствие распада живого вещества и соответствующего ему обратного перехода воды из связанного состояния в свободное. В то же время он и не обратим, так как фотосинтез связан с частичным разрушением молекул воды.

Тем не менее увеличение растительной массы на Земле неизбежно способствовало росту интенсивности влагооборота за счет увеличения испарения (транспирации) с поверхности суши.

Третий вид трансформации воды гидросферы осуществляется в природе через непосредственное взаимодействие ее с литосферой, в частности с почвой, корой выветривания и более глубокими слоями земной коры.

Как было показано во второй главе, после образования почвенного и растительного покровов поверхности суши началась новая стадия развития гидросферы, образование и развитие атмосферно-почвенно-биологического влагооборота.

Вода в земной коре содержится, как известно, в разных видах, а именно: гравитационная, пленочная, гигроскопическая, кристаллизационная, конституционная.

Из общей массы гидросферы 2,5∙1024 г в недрах земной коры содержится воды около 42%. Из этого количества воды (42%) около 0,8∙1024 г или 75% приходится на связанную (физически и химически) воду.

Как будет показано дальше, только небольшая часть подземных вод активно участвует во влагообороте.

Некоторое значение представляет и другой вопрос: за какой период образовалась такая огромная масса воды гидросферы, трансформированной в недрах земной коры, продолжается ли этот процесс в природе в настоящее время или он находится на границе прекращения?

Значение этого процесса для понимания развития гидросферы и будущего человечества трудно переоценить. Достаточно представить себе верхнюю толщу земной коры без связанной воды, чтобы понять возможные масштабы изменений конфигурации береговой линии современных материков, а также изменения общей массы свободной воды гидросферы, последствия всего этого для интенсивности влагооборота на Земле. Переход, только половины (из 42%) массы связанной воды земной коры в состояние свободной воды океана неминуемо привел бы к затоплению большей части площади современной суши. По сравнению с общим весом воды, заключенной во льдах хионосферы в современный период, вес воды, связанной в недрах земной коры, приблизительно в 40 раз больше. Как и во всех других расчетах, полученные числа отражают лишь порядок величин.

Характеризуя процесс трансформации гидросферы в земной коре, нельзя упускать из виду развитие двух основных свойств земной коры, существенно влияющих на его масштабы и интенсивность: а) нарастание площади суши с учетом соотношения объемов кристаллических и осадочных пород, б) изменение в геологическом аспекте мощности и степени проницаемости земной коры для летучих соединений.

Тесная связь трансформации гидросферы с нарастанием площади суши вытекает из повсеместно наблюдаемых фактов. Они заключаются в том, что земная кора обладает проницаемостью, а верхние ее оболочки — почва и кора выветривания, кроме того и влагоемкостью, т. е. способностью запасать и удерживать воду.

Эти два свойства обусловливают передвижение и скопление воды в земной коре. В верхних ее слоях передвигается вниз и вверх преимущественно вода атмосферных осадков, инфильтрационная (почвенные и грунтовые воды), в нижних — вода ювенильная или эндотегенная, поднимающаяся снизу вверх из глубоких слоев земной коры и мантии под действием термических градиентов, возникающих между сравнительно охлажденной верхней и разогретой нижней оболочкой земной коры и мантией.

На пути построения общей концепции развития влагооборота имеется много трудностей, вытекающих из противоречий гипотез тектонического развития Земли. В частности, не все согласны с тем, что геосинклинальная стадия развития Земли, которой свойственны большие амплитуды колебательных движений, большая подвижность и проницаемость земной коры, миновала безвозвратно и наступила более спокойная платформенная стадия, исключающая возможность новой активизации геотектонических процессов на платформах.

Ряд исследователей придерживается иной точки зрения, согласно которой на смену стадии разрастания платформ появилась новая стадия развития геотектонического процесса, для которой характерно уменьшение площади суши Земли и увеличения площади и глубины океанов. Этот переломный период, по их мнению, совпадает с концом палеозоя — началом мезозоя. Вторую концепцию разделяют Белоусов, Шейнманн, Менард, Краус, Маак, Гесс и др.

Некоторые противники второй концепции не отрицают поднятия уровня океанов в течение геологической истории развития Земли. Это явление они объясняют не только поступлением воды с магмой из глубоких недр земной коры и мантии, но также сокращением площади океанических бассейнов (Магницкий, 1958) за счет расширения континентов.

Одним из уязвимых мест теории разрастания и углубления океанов за счет сокращения площади материков надо признать трудно объяснимое выделение огромного количества воды в течение относительно короткого периода времени. По этой концепции получается, что около 70% воды поступило из недр Земли приблизительно за 200 млн. лет, т. е. за период, охватывающий всего только 4% общей продолжительности геологической истории земной планеты (Кропоткин, 1956). Остальные 30% общей массы воды выделились за период не менее 4,5 млрд. лет, если принять возраст Земли равным 5 млрд. лет. Несколько моложе возраст земной коры — около 4 млрд. лет, но и он оказывается на много больше периода океанизации, исчисляемого в 200 млн. лет. Объяснить такую неравномерность нарастания гидросферы в течение всей геологической истории довольно трудно при современном состоянии знаний, тем более, что многие исследователи склоняются к поддержанию гипотезы равномерного

накопления вод гидросферы и к признанию ее глубокой древности. П. Н. Кропоткин (1964), например, предполагает, что в архее образовалось около 90% объема гидросферы. Аналогичного взгляда придерживался Ф. Кюенен (Kuenen, 1955), который считал, что в течение палеозоя, мезозоя и кайнозоя выделилось всего 2—3% общей массы мирового океана.

Принципиально можно допустить неравномерность нарастания гидросферы, несмотря на ее древность, если даже признать, что вода в основном продукт мезозойского и кайнозойского времени. Такая точка зрения не отрицает древности зарождения гидросферы. Она лишь подчеркивает возможность появления в мезозое и кайнозое благоприятных условий для интенсивного накопления массы гидросферы. По А. Б. Ронову (1964), было, по-видимому, два периода интенсивного увеличения объема гидросферы: а) на рубеже позднего архея — раннего протерозоя и б) во второй половине мезозоя.

Краткое рассмотрение противоположных концепций развития двух тектонических мегаструктур Земли было необходимо потому, что изменение соотношения континентов и океанов в геологическом времени оказывало и оказывает большое влияние на трансформацию вод гидросферы. В частности, процесс перехода в связанное состояние гравитационной воды самым тесным образом связан с развитием материков и океанов, С разрастанием материков и сокращением океанов все больше и больше воды переходило в связанное состояние и наоборот, что не могло не отразиться на общей интенсивности влагооборота.

Объем воды и интенсивность ее поступления из глубоких недр Земли, с течением времени, по-видимому, могли существенно измениться, если нарастала площадь земной коры континентального типа и постоянно убывала ее проницаемость. По новейшим расчетам, выполненным М. М. Ермолаевым (1967), средняя мощность материковой коры составляет около 45 км и океанической— около 11 км (числа округлены).

Сопоставляя мощность материковой и океанической коры при наличии в обоих случаях базальтового слоя, можно сделать вывод о меньшей проницаемости материковой коры.

Внедрение магмы приводит к расплавлению и насыщению значительной части гранитного слоя и в конечном итоге к уменьшению его проницаемости.

Все это затрудняет поступление воды из глубоких недр Земли на поверхность, хотя сама магма, в которой содержание воды значительно превышает содержание всех прочих соединений, выделяет много воды на поверхность Земли через вулканы, фумаролы, гейзеры и другие многочисленные разрывы и разломы в земной коре.

В итоге в течение геосинклинально-платформенной стадии развития геотектонического процесса, когда сокращались площади геосинклиналей, разрастались платформы и нарастала суша, наблюдалось увеличение мощности земной коры и уменьшение ее проницаемости. Следствием этого было постепенное убывание интенсивности подъема летучих соединений, в том числе воды, из глубоких недр Земли, что неминуемо приводило к замедлению темпов наращивания гидросферы при одновременном непрерывном увеличении ее массы, в том числе массы связанной воды в материковой коре, площадь которой в этой стадии, по единодушному признанию геологов, нарастала.

В базальтовую стадию развития земной коры, когда вновь наступила активизация геотектонического процесса, началось «обламывание» гранитной коры, замещение ее базальтовой корой и соответственно увеличение площади и глубины океанов, сокращение площади суши. В эту стадию темпы наращивания гидросферы должны были вновь возрасти. Однако мало вероятно, чтобы они достигли первоначальных величин, свойственных раннему периоду развития Земли, когда проницаемость земной коры была несравненно больше.

Вместе с тем в базальтовую стадию геотектонического процесса трансформация связанной в земной коре воды приобрела обратный знак: различные воды вновь стали переходить в свободное состояние — гравитационную воду.

Значительное приращение объема гидросферы на этой стадии могло быть следствием не только продолжающегося процесса ее наращивания за счет подъема летучих соединений из глубоких недр Земли, но также результатом трансформации в процессе литогенеза вод литосферы — высвобождения связанной воды, перехода ее в гравитационную воду со всеми вытекающими отсюда возможными последствиями изменения влагооборота.

Для понимания процесса развития гидросферы гипотеза существования двух противоречивых стадий развития геотектонического процесса Земли нам представляется весьма плодотворной. Геосинклинально-платформенная и базальтовая стадии, тектонического развития Земли не исключают, как это представляется с первого взгляда, а дополняют друг друга.

Эта гипотеза удачно объясняет некоторые капитальные факты в истории развития природы поверхности суши, например, динамику накопления каустобиолитов. Здесь имеются в виду выводы Степанова (1939) по вопросу о темпах углеобразования в течение геологической истории Земли, согласно которым девонские угли составляют 0,02% мировых угольных запасов, верхнекарбоновые и пермские — 38,1%, третичные и четвертичные (включая торф) —54,4%. Общие запасы углей на Земле явно возрастали от палеозоя к кайнозою.

Если бы в процессе тектонического развития Земли наблюдалось непрерывное увеличение суши и соответственно уменьшение площади океанов, следовало бы ожидать непрерывного убывания интенсивности планетарного влагооборота вследствие роста континентальное™ климата. При такой направленности развития климата Земли не могло бы быть нарастания темпов и объемов угленакопления. В этом случае более логично допустить ослабление темпов угленакопления от палеозоя к кайнозою, чего в действительности не произошло.

Изменение соотношения масс связанной и свободной воды как проявление одного из видов трансформации гидросферы не исчерпывается изложенными выше явлениями. На фоне общей направленности тектонического развития Земли от геосинклинальной стадии к платформенной и от платформенной к океанической имели место, что хорошо известно, неоднократные трансгрессии и регрессии морей, в основе которых опять же лежит тектоническое развитие земной коры.

Многочисленными исследованиями установлена синхронность регрессий океана с орогенными и трансгрессий с межорогенными периодами. Иначе говоря, в периоды горообразования площадь суши увеличивалась, а океана уменьшалась; в спокойные в тектоническом отношении периоды наблюдалась обратная картина. Относительное изменение в различные геологические периоды площадей суши и океана в связи с горообразовательными процессами наглядно показано Страховым. Каждое увеличение суши в связи с активизацией орогенеза неизбежно означало трансформацию значительной части свободной воды в связанную. Поэтому неубедительно регрессии океана связывать только с увеличением емкости океанических впадин. Объяснение их необходимо искать в широко распространенных на Земле явлениях трансформации гидросферы. В периоды интенсивных горообразований объем связанной воды возрастал как за счет увеличения его в континентальной коре, так и вследствие увеличения объема льдов на поверхности суши.

Перейдем далее к рассмотрению трансформации гидросферы в связи с развитием коры выветривания и почв. Кора выветривания и ее качественно обособленная часть, почва, обычно рассматривается как верхняя толща земной коры, сильно видоизмененная под воздействием атмосферы и гидросферы. В развитии почв, наряду с влиянием атмосферы и гидросферы, подчеркивается также большая роль воздействия биосферы, что дает основание выделять почву как особое биокосное образование. Такому взгляду на развитие почвы, как качественно особого природного образования, способствовали работы основателя генетического почвоведения В. В. Докучаева (1954).

В. Р. Вильяме (1939) один из первых отметил новое свойство почв — влагоемкость, т. е. способность запасать воду.

Некоторой аналогией этого свойства является накопление в почве гумуса — своеобразного прочного запаса питательных веществ для последующих поколений. Большинство ученых особо выделяет широкое распространение в почвах коллоидального состояния вещества, которому свойственно значительна большее оводнение по сравнению с кристаллизационным состоянием. Об общем значении почв и коры выветривания в развитии гидросферы и влагооборота было сказано раньше, при рассмотрении стадий развития гидросферы. Здесь нас интересует направленность этого общепланетарного процесса и его трансформирующее воздействие на гидросферу.

На поверхности суши вследствие непрерывного воздействия на горные породы явлений физического, химического и биологического выветривания наблюдается убывание площади, покрытой кристаллическими породами и одновременное увеличение площади, занятой рухляком и мелкозернистыми песчаными или глинистыми продуктами выветривания твердых пород. В орогенные периоды этот общепланетарный процесс замедляется, благодаря появлению новых горных систем в геосинклинальных зонах.

Процесс измельчения кристаллических пород, превращения их в рухляк, а затем и во влагоемкий мелкозем охватывает главным образом верхний слой земной коры мощностью несколько десятков, максимум сотен метров.

Под корой выветривания располагается область осадочных отложений, мощность которых чаще всего варьирует в пределах первого десятка километров.

Толща земной коры, расположенная глубже платформенного' чехла осадочных отложений, представлена, по современным воззрениям, кристаллическими породами, масса которых намного больше массы верхней толщи.

На первой стадии выветривания массивные кристаллические породы, растрескиваясь, приобретают новое качество — волосность, а затем и проницаемость для воды. Уже на этой стадии зарождается процесс трансформации гравитационной воды в связанную.

Однако главная масса свободной воды переходит в связанную форму в процессе гидратации. Гидратация, как известно,, представляет собой процесс оводнения минералов кристаллических пород в результате химического выветривания, процесс вхождения воды в кристаллическую решетку минерала или присоединения к нему воды (кристаллизационная вода). Эта вода весьма прочно связана с минералами, она полностью утрачивает свойства гравитационной воды.

Процесс гидратации продуктов выветривания в почве и во всей коре выветривания, протекающий в планетарном масштабе, приводит к существенным трансформациям воды гидросферы. Этот процесс, направленный в сторону нарастания массы связанной воды гидросферы, продолжается и в настоящее время, особенно в районах недавнего орогенеза.

Доказательством направленного характера процесса гидратации как одного из видов трансформации гидросферы в почвах и коре выветривания может служить сравнение среднего содержания воды в изверженных и осадочных породах, большинство которых прошло стадию гидратации. По данным, приведенным Д. Г. Виленским (1954), среднее весовое содержание воды в изверженных породах составляет 1,48%, в осадочных — 3,47%. В отдельных случаях вода гидратации составляет до 60% веса минерала, например в соде — Na2CO3∙10Н2О. По Кларку, содержание воды в изверженных породах в среднем равно 1,15%. Это почти в два раза больше, чем в каменных метеоритах (0,5%).

К. К. Марков (1960) полагает, что в земной коре по весу воды, по-видимому, содержится около 7% от общего веса земной коры. Это в 6 раз превосходит содержание воды в изверженных породах, не подвергавшихся выветриванию.

А. П. Виноградов (1967) предполагает, что при излиянии базальтов в результате дегазации на поверхность Земли поступило в среднем по весу около 7% ювенильной воды.

Выше было отмечено, что процесс перехода гравитационной воды в связанную, по-видимому, продолжается и в современный период в коре выветривания и почвах. Однако имеются условия, ограничивающие этот процесс. Во-вторых, выветривание, зависящее от суточных и годовых колебаний термодинамических факторов (температуры, влажности, давления) атмосферы не может распространяться далеко в глубь земной коры. Даже в умеренных широтах сезонные колебания температуры затухают в коре выветривания на втором десятке метров.

Наблюдения в природе указывают на существование более мощных толщ коры выветривания, чем это позволяют современные термодинамические условия. Вода, как растворитель и аккумулятор тепла и влаги, под влиянием силы тяжести во многих случаях проникает на значительную глубину, выполняя работу по физико-химическому изменению первоначального состава горных пород. Кроме того, в тропических странах круглый год, а в странах умеренных широт в теплый период года наблюдаются процессы перегонки водяного пара вглубь и конденсации его в глубоких слоях, что в свою очередь влияет на толщу выветривания.

К. К. Никитин (1956), изучая профиль коры выветривания на диоритах Южного Урала, выделяет четыре «зоны», располагающиеся сверху вниз по профилю: а) зона конечных продуктов разложения, где проявляется наиболее агрессивное воздействие почвенных вод и воздуха: б) зона разложения, где развиваются новые минералы; в) зона выщелачивания, в которую сверху поступают воды, частично минерализованные; г) зона просачивания, в которой происходит дезинтеграция, т. е. физическое разрушение главным образом вдоль трещин.

Выделенные им зоны по его мнению характерны для коры выветривания, образующейся на любых породах. На диоритах Южного Урала кора выветривания простирается вглубь до 30 — 50 м от поверхности почвы.

И. И. Гинзбург (1957), исследовавший кору выветривания также на Южном Урале, приводит величину порядка 200 м как предельную. Еще больше возможная мощность коры выветривания до 500 м названа Б. Б. Полыновым (1934).

В. И. Вернадский (1965) не приводит точной цифры для мощности коры выветривания, но отмечает, что она изменяется в отдельных геохорах от нескольких миллиметров или сантиметров в местах выхода на поверхность плотных горных пород до нескольких сотен метров во влажных субтропиках и тропиках.

На мощность и тип коры выветривания оказывает влияние возраст территории, о чем писал Полынов (1934). Не будет ошибочным заключить, что почти повсюду, где на поверхности Земли расположены молодые участки суши (территории альпийского орогенеза или недавно освободившиеся от регрессировавших морей, от ледниковых покровов), а также выходят древние кристаллические породы, мощность коры выветривания продолжает нарастать и в современный период.

Следовательно, процесс трансформации гравитационной воды в связанную происходит и в антропогене, хотя его распространение в современный период более локализовано, чем в глубокой древности, когда Земля переживала геосинклинальную стадию развития. Этот направленный процесс трансформации части гидросферы неизбежно должен был иметь и свои циклы, тесно связанные с орогеническими периодами Земли: в периоды горообразования, когда нарастала суша и на поверхности ее увеличивалось количество свежих изверженных пород, имела место интенсификация процессов выветривания и соответственно, усиление трансформации гравитационной воды в связанную; в периоды преобладания пенепленизированных форм рельефа, что обычно связывают с межорогенными циклами, наблюдалось ослабление, но не прекращение явлений связывания воды под воздействием биофизических и биохимических процессов выветривания.

Можно дополнить, что масштабы процесса связывания гравитационной воды на суше в пределах всей толщи коры выветривания не грозят нашей планете высыханием. По нашим подсчетам, общий вес связанной воды в коре выветривания едва ли превышает 0,01 % общей массы всей гидросферы.

Необходимо также иметь в виду, что в коре выветривания происходят, наряду с процессами гидратации, процессы дегидратации, высвобождающие воду из связанного состояния. Например, процессы образования карбонатов и переход гипсов в ангидриты сопровождаются выделением воды. Кроме того, происходит непрерывное пополнение массы воды за счет поднятия ее из глубоких недр Земли. Однако часть заключенной в коре выветривания воды, как будет показано дальше, принимает активное участие во влагообороте.

Нам остается рассмотреть еще одну группу явлений, относящихся к третьему виду трансформации воды гидросферы,— переход ее в связанное состояние в литосфере и высвобождение ее в процессе литогенеза в связи с изменением массы и плотности осадочных отложений в течение геологической истории.

Известно, что большинство осадочных отложений характеризуется наличием пористости, причем общий объем пор в верхних горизонтах почв может достигать 50—60% объема породы. Почти 50% этого объема представлено мелкими порами, прочно удерживающими воду, которую можно отнести к категории связанной.

По мере углубления, под влиянием возрастающего давления, увеличивается плотность осадочных отложений, убывает пористость и вода в таких породах частично становится практически неподвижной, частично высвобождается. По данным С. И. Долгова (1948), Б. Н. Мичурина (1959), И. Б. Ревута (1964) и других, при плотности почвы более 1,6—1,7 г/см3 вода в почвах различного генезиса почти неподвижна.

По мнению В. И. Вернадского (1954), пустоты в породах могут существовать до глубины не более 12—15 км. Глубже на состоянии осадочных отложений начинают сильно сказываться процессы метаморфизма. При этом отложения перекристаллизовываются и переходят в твердые метаморфические породы. Н. М. Страхов (1963), обобщая результаты глубокого бурения, отмечает, что процессы метаморфизма осадочных отложений начинают заметно сказываться уже на глубине 3—3,5 км. По расчетам М. М. Ермолаева (1967), средняя мощность осадочных пород на суше равна 4,76 км, что включает и литифицированные осадки.

Говоря об осадочных отложениях в связи с трансформацией воды гидросферы, я имею в виду так называемую стратисферу Зюсса — Вернадского (1965), которую в своей классификации оболочек Вернадский помещает непосредственно под корой выветривания. Теоретически, согласно вычислениям К. Шухерта, осадочные породы за период от начала кембрия до кайнозоя (500 млн. лет) могли бы образовать толщу стратосферы порядка 130 км. Практически максимальную мощность ее Вернадский определяет в 5—6 км.

Это несоответствие объясняется многими причинами, среди которых денудационным процессам принадлежит видное место. Значительная часть смытого с поверхности суши материала поступает через реки в моря и океаны, что уменьшает массу осадочных отложений на суше. Переотложения рыхлых пород в пределах суши не изменяют массу осадочных толщ.

Часть осадочных отложений, погребенных на глубину более 3—4 км, подвергается процессам литификации и превращается в твердые породы, слагающие верхние горизонты кристаллического фундамента платформ. Наконец, поднятия магмы из глубоких недр Земли и другие процессы тектогенеза, в том числе медленная циркуляция и диффузия поднимающихся из глубин растворов и газов, неизбежно приводят к метаморфизму осадочных отложений.

Все эти действующие совокупно процессы находятся в единстве с явлениями седиментации, с процессами осадконакопления, препятствуя обильному накоплению осадочных отложений на поверхности суши. По этой причине фактическая толща осадочных пород во много раз меньше теоретически рассчитанной.

Названная Вернадским современная мощность осадочной толщи порядка 5—6 км, по-видимому, несколько преувеличена, если принять во внимание новейшие данные. Однако на платформах мощность чехла осадочных отложений бывает в 2—3 раза больше, причем нижние ярусы их несомненно литифицированы.

Главное значение в проблеме трансформации свободной воды в связанную в процессе накопления осадочных отложений мы придаем изменению в геологическом аспекте толщи и площади их на поверхности суши: увеличение площади и толщи осадочных отложений влечет за собой увеличение массы связанной воды гидросферы.

Следуя гипотезе разрастания платформ за счет сокращения площади океанов, казалось бы, следовало ожидать увеличения площади осадконакопления на суше от герцинского цикла к альпийскому. В действительности же наблюдается уменьшение ее. Согласно исследованиям Ронова (1949), площадь областей накопления осадков на Русской платформе убывала от герцинского геотектонического цикла к альпийскому.

Косвенно эту тенденцию подтверждает изменение процентного содержания карбонатных отложений на Русской платформе в течение герцинского и альпийского циклов. Ослабление процесса карбонатизации в период альпийского цикла (если оно было повсеместным) прямо указывает на убывание интенсивности связывания воды, поскольку карбонатизация сопровождается выделением воды, переходом ее из связанного состояния в свободное.

Гипотеза смены геосинклинально-платформенной стадии тектонического развития Земли стадией океанизации, согласно которой происходит разрастание океанов при одновременном сокращении суши, позволяет более убедительно объяснить установленный Роновым факт убывания площади областей накопления осадков. Очевидно, в геосинклинально-платформенную стадию действительно имело место увеличение объема осадочных отложений, но затем с наступлением океанической стадии оно сменилось противоположно направленным процессом.

Ошибочно было бы заключить, что процесс накопления осадочных отложений протекал в течение геологической истории в непрерывно замедляющемся темпе. Под влиянием ряда причин его интенсивность существенно изменялась. При этом большое влияние должны были оказывать тектонические и климатические явления и растительный покров. Тектонические явления наиболее интенсивно влияли на накопление осадков в периоды максимального орогенеза и непосредственно вслед за ними, когда суша была поднята и сильно расчленена, а площадь ее заметно нарастала.

Палеогеографические исследования приводят к выводу о тесной связи между орогенезом и формированием резко континентального климата, о развитии контрастных по климатическим условиям физико-географических областей.

В периоды орогенеза интенсивность накопления осадков на суше должна была быть максимальной при наличии в горных странах резких контрастов высот, резких климатических переходов от одного сезона к другому и относительно бедного в молодых горных сооружениях растительного покрова. Одним из доказательств значительного воздействия последнего является наблюдаемая в пустынях, где растительный покров не сомкнут, интенсивная водная эрозия предгорных склонов.

По мере выравнивания рельефа суши в межорогенные периоды и связанного с этим уменьшения площади суши затухает и интенсивность осадконакопления. Эволюция климата в эти периоды в направлении увеличения влажности и связанная с ней более пышная растительность способствуют ослаблению эрозионных процессов.

Таким образом, направленный процесс убывания осадконакопления в течение тектонической истории Земли неоднократно нарастал и убывал под воздействием противоположно направленных тенденций развития тектонического строения Земли, атмосферных процессов и фитосферы.

Рассмотрение указанных противоречий развития гидросферы во взаимодействии с корой выветривания и стратисферой, которую Вернадский отождествляет с толщей накопления осадков, помещая ее между корой выветривания и метаморфической оболочкой, приводит к заключению о существовании в верхней толще земной коры двух противоположно направленных процессов: а) продолжающегося связывания гравитационной воды в коре выветривания и б) наступившего в океаническую стадию тектонического развития Земли обратного процесса — процесса освобождения связанной воды, перехода ее в гравитационную воду. Какой из этих двух процессов преобладает — при современном состоянии знаний решить трудно.

Ритмичность явлений в природе, послужившая основанием к выделению ксеротермического и плювиального ритмов в четвертичный период, к сожалению, ничего не объясняет в этой сложной проблеме.

Нельзя не отметить, что общий вес осадочных пород по сравнению с кристаллическими породами до поверхности Мохоровичича невелик. Виноградов (1959) принимает его равным 2∙1024г, Дерпгольц (1962) — 1,47∙1024 г, что приблизительно составляет около 6,4% веса всей литосферы до поверхности Мохоровичича. Масса воды, содержащейся в осадочной толще, составляет по Калпу (Kulp, 1951) 0,09•1024 г, по Виноградову (1959) 0,1∙1024 г, по Дерпгольцу (1962) 0,13∙1024 г. Приведенные величины довольно близки между собой (Калп, однако, не уточняет понятие «осадки» («sediments»).

По отношению ко всей воде, содержащейся в недрах литосферы до поверхности Мохоровичича, вода осадочной толщи составляет около 18%, остальные 82% приходятся на воду кристаллических пород. Если же воду осадочной толщи выразить в процентах от массы всей гидросферы Земли, то это составит около 7,5%.

Толща пород до поверхности Мохоровичича намного превышает толщу стратисферы Вернадского, так как она включает не только рыхлые осадочные отложения, но и твердые осадочные породы.

Исходя из толщи стратисферы 5 км, не трудно рассчитать, что содержание воды в ней едва ли превышает 0,5—1% общей массы всей гидросферы, т. е. составляет небольшую величину, изменение которой в течение геологической истории, по-видимому, не могло существенно влиять на влагооборот.

Надо полагать, что достаточно глубокое залегание стратисферы от поверхности суши не могло способствовать активному вовлечению ее водных запасов во влагооборот, за исключением отдельных участков, где кора выветривания маломощна.

Основная роль во влагообороте принадлежит коре выветривания, главным образом верхним ее горизонтам, составляющим почвенный покров.

Итак, ни один из видов трансформации воды гидросферы не дает оснований судить о направленном изменении массы всей гидросферы Земли.

Однако интенсивность влагооборота неизбежно должна была увеличиться с появлением на Земле наземных растений и образованием почвенного покрова, способствовавших увеличению испарения с поверхности суши.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.