Осадочные породы — документы прошлого Земли

В предыдущей главе мы рассмотрели силы и процессы, создающие пласты осадочных пород. Эти процессы изучаются геотектоникой. Она же прослеживает дальнейшую судьбу уже отложенных пород в последующие геологические эпохи. Но любая осадочная порода своим происхождением обязана не только механическому распределению частиц в потоках по силе тяжести. В результате такого механического распределения получаются только рыхлые жидкие осадки, еще очень сильно отличающиеся от тех пород различной плотности, цвета и свойств, которые слагают слои геологической летописи. Каждая осадочная порода является результатом совокупности процессов механического осаждения и той обстановки, в которой данное отложение происходило. Если, например, в жидком песчаном осадке существовала примесь извести или кремнезема, то в конечном результате получатся плотные известковые песчаники или кремнистые песчаники — кварциты. Если в тех же песчаных осадках была примесь солей железа, то в условиях прохладного климата мы получим бурые или темно-серые песчаники, окрашенные черной закисью железа. В жарком климате с энергичным солнечным освещением закись железа превратится в красную окись железа и породы получат красную окраску. Примесь животных или растительных остатков в глинах, где нет доступа воздуху, дает в конечном результате черные, богатые неразрушенным органическим веществом глинистые сланцы.

Зависимость характера осадочной породы от условий осадкообразования очень разнообразна. Вся совокупность условий механических и физико-химических процессов, образовавших данную породу, называется фацией, или лицом осадочной породы, потому что в породе, как в зеркале, отражены условия ее образования. Поэтому при тщательном изучении осадочных пород мы можем в известной степени восстанавливать условия, в которых она образовалась, следовательно, говорить о климате и географических ландшафтах прошлых геологических эпох.

Осадочная порода, состоящая из продуктов разрушения горных пород вместе с примесями тех химических соединений, которые присущи обстановке, в которой образовался этот осадок, не может существовать в этом виде — она неустойчива. Под давлением отложенных выше слоев жидкие осадки начинают уплотняться, теряют воду. Потеря воды ведет к кристаллизации тех веществ, которые существовали в растворе в момент образования осадка. Осадок затвердевает — рыхлые обломки связываются кристаллизующимися веществами в плотную горную породу. Этот процесс представляет собой конечный этап формирования слоев геологической летописи.

Тщательное изучение осадочных пород открывает перед нами скрытые в глубинах прошедших времен условия их образования и, следовательно, воскрешает картины давно исчезнувших географических ландшафтов.

Огромные трудности стоят перед исследователями, работающими в этой области. Прежде всего фации или обстановки, в которых происходит отложение осадков, чрезвычайно разнообразны. Осадки могут быть образованы в горных, степных, лесных озерах и болотах, в долинах рек, в предгорных впадинах, в устьях рек, заливах, лагунах и бухтах, в мелком море и на разных глубинах океана.

Далее, конечные продукты этих фаций — осадочные породы — в последующие геологические эпохи претерпевают разнообразные воздействия, в результате которых первичный вид породы может быть сильно изменен. Породы, выведенные на поверхность земли и только тогда доступные нашему изучению, окисляются, выветриваются, выщелачиваются грунтовыми водами или, наоборот, обогащаются вновь принесенными в растворах минеральными веществами.

Для точного восстановления процессов образования пород необходимо подробно изучить способ образования осадков в настоящее время. Только этим путем, путем сравнения мы можем уловить те тонкие различия в составе пород, которые дадут возможность отнести ее к определенной фации. Необходимы тщательные химические анализы состава пород и подробное изучение составляющих ее компонентов.

На западном склоне Урала проходит обширная полоса медистых песчаников, залегающих среди песчаников, глин и известняков пермского времени, образовавшихся около 200 млн. лет назад. На этих песчаниках в течение XVII, XVIII и XIX веков работали тысячи медных рудников, дававших нашей стране миллионы пудов меди.

Долгое время происхождение медных руд в этих породах оставалось неясным, а следовательно, и не могла быть подведена научная база под поиски и разведку новых месторождений. Вопрос был окончательно решен только методами литологического исследования осадочных пород. Пристальное изучение состава породы показало наличие обломков минералов, свойственных изверженным породам центральной части Уральского хребта. Среди измененных позднейших медных минералов нашлись крошечные частицы халькопирита — медного колчедана, большие месторождения которого и поныне разрабатываются в той же центральной части Урала. Исследование галек конгломератов (окаменелых галечников), залегающих среди песчаников, дало возможность определить дальность их переноса, другие наблюдения установили направление. Все данные совпали и, кроме того, в гальках тех же конгломератов нашлись гальки известняков с морскими раковинками верхнекаменноугольного возраста. Так создалась законченная картина образования медистых песчаников, причем было установлено место, откуда поступали продукты разрушения, и определено время размыва древнего Урала.

На этом маленьком примере, далеко не наиболее разительном, мы видим, чего может добиться литология путем изучения осадочных пород как документов истории Земли.

Напомним, что, помимо своих собственных признаков, осадочные породы содержат еще остатки животных и растений прошлых геологических эпох, изучением которых занимается палеонтология.

Органические остатки залегают в породах в виде разной величины скоплений и состоят обычно из твердых скелетных частей — раковин, хитиновых скорлупок, зубов и костей животных, твердой ткани растений. Мягкие части живых организмов почти не сохраняются в ископаемом состоянии. Лишь в очень редких случаях мы находим отпечатки или слепки мягких частей, выполненные породой, заместившей разложившееся органическое вещество. Твердые или скелетные части переходят в минерализованное состояние, т. е. в такое, в котором органическое вещество заменено теми же самыми минеральными соединениями, образующими цемент, скрепляющий всю породу. В этом виде ископаемые остатки сохраняются миллионы лет, представляя собой, в сущности, ту же осадочную породу, сохранившую лишь форму организма в мельчайших микроскопических деталях.

Рассмотрим судьбу органических остатков в процессах, создающих великую книгу природы.

Пока животное или растение живет, оно находится как бы вне процессов осадкообразования. Живые существа подчиняются иным законам природы, направленным на преодоление влияния окружающей среды путем приспособления к ней.

Но как только живые организмы умирают, они сразу же включаются в великий процесс перемещения, переноса, осаждения и окаменения, вечно происходящий на поверхности Земли. После смерти органические остатки подвержены быстрому разрушению, разложению, слишком быстрому для медленного хода процессов осадкообразования. Поэтому уцелевают лишь твердые, более стойкие скелетные части и то в сравнительно редких случаях. Гораздо большая масса умерших организмов полностью разрушается и входит в процесс осадконакопления только в виде химических соединений.

Значение органических остатков в расшифровке геологической летописи прямо пропорционально их количеству. Прёдставим себе, что нам пришлось бы собирать и восстанавливать растасованную книгу без нумерованных страниц, на каждой странице которой было бы по одной-две буквы. Никакой возможности восстановить смысл написанного мы бы не имели. Точно так же, если бы в слоях-листах геологической летописи залегали лишь редкие, отдельные остатки животных или растений, мы имели бы очень мало шансов даже отыскать их, не говоря уже о дальнейшей расшифровке летописи.

Ископаемые остатки рассеялись бы в огромных массах осадочных пород и потерялись бы в них буквально, как иголки в стоге сена. Поэтому необходимым условием для того, чтобы ископаемые остатки вошли в геологическую летопись, будет наличие их скоплений в больших количествах, что мы в действительности и наблюдаем.

Но скопления больших количеств остатков животных и растений могут получиться лишь в тех случаях, когда существует богатая фауна или флора.

Поэтому само наличие скоплений ископаемых остатков свидетельствует о существовании в прошлые геологические эпохи богатой органической жизни.

Образование подобных скоплений и погребение их получаются в результате сложных и разнообразных процессов. Рассмотрим их вкратце.

Прежде всего нужно отметить существенную разницу в процессах захоронения в море и на суше. В море осадки накапливаются, на поверхности суши древние осадки и другие горные породы размываются и смываются в то же море. Очевидно, что захоронение органических остатков в море должно быть частым явлением, и, наоборот, на суше — редким.

Именно эти соотношения мы и видим в геологической летописи: окаменелые остатки морских животных встречаются несравненно чаще, чем животных наземных. Вследствие этого хронология морских слоев разработана гораздо лучше, чем образовавшихся на материках.

Далее, слои, отложившиеся в море, с захороненными в них органическими остатками, покрываются новыми, образуя непрерывную серию напластования. Осадки, отложенные на материке, в процессе последующей денудации разрушаются, смываются, на суше нет непрерывной последовательности напластований.

Противоположность моря и материка в процессах, создающих геологическую летопись, явно невыгодна для документации истории наземной жизни. Значительная часть морских животных является организмами неподвижными, прикрепленными к дну или пассивно лежащими на дне. Таково большинство животных, имеющих раковину, — моллюсков, плеченогих, брюхоногих, таковы кораллы, губки и мшанки. Многие иглокожие — морские лилии, ежи, звезды — или прикрепляются к дну или чрезвычайно малоподвижны.

При жизни эти животные в местах своего обитания образуют естественные скопления, где отдельные особи встречаются в огромных количествах, зачастую новые и новые поколения нарастают на вымерших в том же самом месте. Таковы коралловые и мшанковые рифы, колонии выделяющих известь водорослей, раковинные банки и т. п.

После смерти вся эта масса животных остается на месте, их раковины и панцири погребаются в накапливающемся на дне моря осадке. Переход из живого состояния в осадок совершается очень просто и не ведет к уничтожению и разрушению скелетных частей при переносе. Другое дело с подвижными, свободно плавающими животными и растениями.

Крошечные организмы, плавающие в свободно взвешенном состоянии в верхних слоях моря — фораминиферы, радиолярии и диатомеи, обладают известковыми или кремнистыми раковинками. После смерти скорлупки этих организмов опускаются на дно океана и попадают в осадок. Количество этих животных велико, а процессы накопления их скорлупок могут быть такими длительными, что образуют подчас громадные толщи осадков — илов, которые впоследствии становятся; известковыми или кремнистыми сланцами. Дно океана, куда не доходят продукты разрушения материков, покрыто осадками, образованными именно из этих скорлупок. Различают по составу фораминиферовые, радиоляриевые и диатомовые илы. Нахождение таких илов, превращенных в сланцы, свидетельствует о том, что в этом месте ранее существовали глубоководные области моря.

Иначе обстоит дело с такими свободно передвигающимися животными, как рыбы, морские млекопитающие — киты, дельфины.

Их несравненно меньше, чем радиолярий или диатомей. После смерти остатки их также опускаются на дно, но не образуют скоплений и рассеиваются, исчезают на колоссальной площади дна океанов. Лишь в редких случаях случаются массовые скопления трупов рыб, когда ветры, течения или подводные извержения загоняют огромные стаи в бухты или лагуны. Нередко массы рыб выбрасываются штормами на берег и тоже образуют скопления.

В геологической летописи мы встречаем слои с остатками рыб, образовавшихся в результате захоронения таких насильственных скоплений, или же малоподвижных рыб, обитавших у берегов или в пресной воде в устьях рек. Остатки быстрых, хорошо плавающих рыб открытого моря, а также китообразных, встречаются чрезвычайно редко.

На материке наблюдаются иные соотношения.

Осадочные породы, как и показывает само их название, образуются осаждением из воды. Вода является основным агентом переноса и осаждения продуктов разрушения горных пород. Вся жизнь на материках, исключая пресноводные организмы, представлена животными и растениями, приспособившимися к жизни в воздушной среде, на поверхности суши, где не образуется устойчивых, постоянных осадочных напластований. Это является полной противоположностью морской жизни, где среда обитания организмов является в то же время средой осадкообразования.

Наземные животные и растения, попадая в зону накопления осадков, оказываются в чуждой для них жизненной среде, в которой они обитать не могли. В обычных условиях останки умерших животных и растений рассеиваются на поверхности материка и подвергаются быстрому разрушению. Для того чтобы эти останки попали в геологическую летопись, надо немедленно после смерти организмов их останки перенести и захоронить в осадке, сохраняющем их от разрушения.

Следовательно, необходимо совпадение случая образования скопления погибших организмов и переноса их останков в область осадконакопления. Например, погибшее от эпизоотии стадо животных должно попасть в область, затопленную при наводнениях, и быть снесенным в низовья реки или устье, где накопляются осадки.

Далее необходимо, чтобы путь переноса не был очень длинен, иначе останки будут разрушены, передвигаясь в русле вместе с галькой или песком. Наконец, необходимо, чтобы останки наземных организмов оказались погребенными в низменных частях материка, поближе к морю или вообще к областям длительных опусканий земной коры. В противном случае дальнейшая денудация материка вскроет и разрушит уже отложенные слои, и останки организмов подвергнутся уничтожению.

Перечисленные особенности захоронения на материках определяют значительно большую редкость нахождения останков наземных животных. Кроме того, очевидно, что из различных представителей наземной жизни на материках преимущественно будут захороняться животные и растения, обитающие в реках и озерах, у берегов рек, вообще поблизости водных бассейнов.

Животные 'и растения, населяющие открытые пространства степей, лесов и гор, очень редко попадают в захоронение, потому что их останки имеют очень мало шансов достигнуть областей осадконакопления в неразрушенном состоянии. Если в море захороняется сравнительно малая часть от всего разнообразия организмов и преимущественно неподвижные формы, то на материках их сохраняется еще меньше.

Если взять современную фауну материков, то можно сказать, что пресноводные рыбы, крокодилы, черепахи, бегемоты, кабаны, тапиры и др. преимущественно сохранятся в будущей геологической летописи, а антилопы, горные козлы, волки, медведи, лесные и степные птицы и т. п. будут редкостью в палеонтологических документах будущего.

Неподвижную часть органического мира составляют главным образом растения. Не обладая способностью передвигаться по поверхности материка, растения тем самым почти не имеют шансов попасть в область длительного осадконакопления. Поэтому захороняются лишь остатки растений, произрастающих непосредственно в тех местах, где происходит накопление осадков. Здесь нагромождаются значительные массы органического вещества, что мы и наблюдаем в месторождениях каменных и бурых углей. Вся остальная часть растительного мира выпадает из захоронения, только отдельные разрозненные остатки веток, стволов и листьев уносятся реками и доходят до областей напластования осадков. Именно такое соотношение мы и видим в документах великой книги природы: с одной стороны, мощные скопления спор, пыльцы, остатков прибрежных лесов и торфяников, с другой — редкие отдельные части растений, несомненно когда-то в огромном разнообразии и количестве покрывавших поверхность материка. Таким образом, в материковой летописи неподвижные жизненные формы в противоположность тому, что наблюдается в море, имеют меньше преимуществ оставить свои следы.

Судьбы исторических документов развития жизни на Земле не исчерпываются захоронением в наслаивающихся осадках. Органические остатки, попав в осадок, сами становятся частью осадочной породы и вместе с ней претерпевают дальнейшие изменения. С уплотнением и минерализацией осадка идет и минерализация скелетных частей, их переход в ископаемое состояние, или фоссилизация.

И тут сохранность органических остатков существенно зависит от химических процессов внутри породы. Если эти химичеcкие процессы неблагоприятны для сохранения органических остатков, например, в осадке много соли, гипса или доломита, или, наоборот, осадок состоит только из механических обломков и не содержит растворенных минеральных солей, органические остатки не окаменевают, не фоссилизируются, а разрушаются и тем самым исчезают из геологической летописи.

Однако, как наблюдается в действительности, несмотря на все трудности сохранения документов истории жизни в осадочных породах, уже найдено огромное количество животных и растительных остатков. Нельзя забывать, что органические остатки, погребенные в слоях осадочных пород, только тогда становятся доступными нашему изучению, когда эти слои непосредственно вскрыты на поверхности суши. Слой, содержащий ископаемых, должен быть поднят на дневную поверхность материка и разрезан долиной реки, оврагом или искусственно обнажен в выемке дороги, тоннеле, штольне. Такой слой мы называем местонахождением, и только он доступен нашему изучению. А сколько еще органических остатков скрыто в глубине, под вышележащими слоями, под дном морей, под льдами полярных стран! Палеонтология обладает колоссальными резервами исторических документов, по мере извлечения которых все шире развертывается величественная картина истории жизни на Земле.