В зоне химических неожиданностей

Шло время, и многие участки нашей планеты стали освобождаться от деспотической власти вулканов. Появились островки суши, куда не доходили лавовые потоки, где не были слышны взрывы кратеров. Мир животных, растений и, конечно, почв начинает жить по иным законам. Торопиться некуда. Все надо строить на совесть, с перспективой на многие и многие миллионы лет.

И роль основных созидателей биосферы берут на себя вода, воздух и живые организмы. Реки и ручьи на протяжении целых геологических эпох перетаскивали и перемывали останки вулканических бомб, пеплов и лав. Ветер разносил и просеивал их. Неисчислимые колонии микробов и водорослей, грибов и лишайников также участвовали в создании принципиально нового минерального субстрата - глины.

Главным в новом материале были его удивительные свойства. Он мог поглощать из водных растворов различные элементы и соединения, обмениваться ими с влагой и растениями. Глины оказались пластичными и устойчивыми. Их не могли разрушить ни солнечные лучи, ни водные потоки. Здесь действовали иные законы. Сочетание химических элементов и характер их связи друг с другом определялись у глин климатическими особенностями, соотношением тепла и влаги. В жарких и влажных районах земного шара рождались красные глины, богатые железом и алюминием; там, где не хватало влаги, они содержали много углекислого кальция, магния, натрия, а в холодных областях - алюминий и кремний.

Впрочем, и у глин были недостатки. В жару они спекались и становились твердыми как камень. Сквозь такой плотный грунт не могли пробиться ни корни растений, ни животные. Он плохо впитывал влагу. Но природа предусмотрела и это. Среди ее творений еще значились песок, лёсс и прочие материалы. Смешивая, а то и просто производя их одновременно, она создала суглинки, которые вобрали в себя лучшие качества слагающих их компонентов.

Но как работали поствулканические заводы? Долгое время считали, что нет ничего проще, чем объяснить процесс, получивший название "выветривание". Еще сохранились учебники, где измельчение скал в песок связывается с колебаниями суточных температур, деятельностью растительности и воды. Но ведь никто и не отрицал, что вода может растворять, организмы - разъедать, а перепады температур - расщеплять горные породы. Это лишь перечисление действующих лиц, распределение между ними ролей в одном из самых продолжительных и таинственных производств, затеянных природой. А как действуют его механизмы? И при чем здесь ветер? Дело в том, что термин "выветривание" неудачен. О том, как он проник в геологию и почвоведение, существует две версии. По первой, он происходит от немецкого понятия "die virwetterung", означающего сумму климатических факторов, погоду, которые воздействуют на горные породы. Оно произошло от слова "wetter" - погода, а не "wind" - ветер. Но именно эта ошибка в выборе "корня" и породила слово "выветривание".

По другой версии, это понятие чисто русского происхождения, вошедшее в геологию в XIX в. Но так или иначе, а ветер здесь совершенно ни при чем. Специалисты понимали: такое определение вводит в заблуждение, путает, а не объясняет то, что происходит на поверхности земли. Но изгнать его так и не смогли. Еще в 1922 г. академик А. Е. Ферсман предложил заменить неверный термин на новый - "гипергенез", т. е. рожденный на поверхности. Но злополучное понятие продолжало безраздельно царствовать в геологической литературе еще лет 40.

Лишь в 1966 г., когда увидела свет книга В. В. Добровольского "Гипергенез четвертичного периода", где подробно рассказывалось о происхождении и распространении знакомых нам глин, лёссов, песков, термин "выветривание" удалось потеснить. И все же он прижился настолько, что сам Добровольский время от времени пользовался им, объясняя механизм переработки девственного материала недр.

В своей книге Добровольский описал гипергенез в различных природных зонах. На Кольском полуострове встречается оспенный тип выветривания. Изучая невооруженным глазом куски породы, покрывающей тундру, можно заметить, что здесь разрушаются не все минералы, а наиболее податливые из них. В результате поверхность валунов и каменных обломков чрезвычайно шероховата, углубления в них напоминают те следы, которые оставляет на теле человека оспа. Самые неустойчивые в этих условиях нефелин и плагиоклаз.

При гипергенном замещении минералов полевого шпата сохраняется форма и объем исходного минерала. При растворении кристалла мирабилита в растворе CaCl₂ выпадает белый осадок гипса

При изучении этих оспин под микроскопом становится ясно: выветривание - не разрушение на составные части, элементы, а превращение в новые формы, соединения. Нефелин преобразуется в опал и гидроокислы железа. Происходит это так. Сначала он покрывается белой паутиной. В ней нетрудно узнать прожилки опала. По краям прожилок видны ржавые пятна - гидроокислы железа. Постепенно сеть прожилок становится гуще, да и тонкими их уже не назовешь. На зеленом фоне нефелина появляются бело-ржавые метастазы. Создается впечатление, что он растворяется в новых образованиях.

В Заполярье процессы выветривания подавлены суровыми климатическими условиями. Здесь перерабатывается небольшое количество первозданной породы. Поэтому поверхность тундры покрыта тонким чехлом глин - продуктом гипергенного превращения.

Изучение наносов предпоследнего геологического периода - плейстоцена - и коренных пород показывает, что глины не обязаны своим рождением леднику. Это не он перетирал и измельчал граниты и гнейсы севера, не его водные потоки разнесли по равнинам мягкий пластичный материал, на котором сформировались современные почвы. Глины существовали в тундре задолго до первого оледенения. Они появились в результате процессов, протекавших в долинах рек и на горных плато под лучами скупого на тепло полярного солнца.

А теперь перенесемся на юг, в степные районы Казахстана. Если на севере скалы и валуны были едва прикрыты тонкой пленкой глин, то здесь мощность лёссов и суглинков местами достигает десятков метров. Да и выглядят они совершенно иначе. В них не осталось ни одного осколка первичного материала, но зато много пыли, размеры которой порой меньше одного микрометра.

Самое время опять взять в руки микроскоп. Как не похожи лёссы Казахстана на глины Кольской тундры! В последних господствовали соединения кремния, алюминия и железа, а степные образцы насыщены углекислым кальцием, карбонатами. Они пронизывают всю толщу осадков. В местных почвах можно увидеть массу белых трубочек, крапинок, стяжения, напоминающие морских ежей, конкреции. Чуть глубже появляются пятна гипса и других солей. Они (соли) очень подвижны и не могут удержаться у поверхности. Их вымывают сюда талые воды.

Небольшая экскурсия в два района нашей страны показывает, к каким различным результатам приводит один и тот же по сути процесс. Пока мы познакомились лишь с исходными и конечными продуктами выветривания, но не выяснили его механизм. Довольно долго считали: никакого секрета нет - все легко описать химическими уравнениями. Но даже увиденное нами говорит о совершенно обратном.

Разрушение или растворение куска горной породы - лишь простая часть процесса выветривания. Все остальное в нем куда сложнее и таинственнее. Недаром Добровольский обращается за примером гипергенного превращения к... сказке А. Гофмана. "Среди порождений его мрачного воображения, - пишет он, - есть такое: миражи горных сокровищ увлекают молодого рудокопа в недра земли, где темные силы, охраняющие сокровища, превращают его в статую из драгоценного металла" [Добровольский, 1977, с. 12]. И тут же поясняет: "Миф о "рудном человеке" возник на основании вполне реальных событий, относящихся к XIII в. Человек, работавший в Фалунских рудниках, расположенных в Швеции, погиб, упав в глубокую подземную расщелину. Когда через несколько десятков лет он был обнаружен, оказалось, что его одежда, тело, волосы - все было замещено мелкими золотистыми кристаллами пирита (сернистого железа). Образовалась настоящая статуя из металловидного минерала, сверкающего, как золото" [Там же, 1977, с. 19].

Так вот, это необычное происшествие в общем-то не так уж необычно. Подобные превращения изо дня в день происходят в мире минералов. Химическая реакция, которой часто его уподобляли, - простой обмен ионов, атомов и молекул. Ее результат всегда известен заранее, неожиданности исключены. Из определенного набора элементов могут получиться только запланированные вещества. Ну, а как быть с беднягой рудокопом? Всей серы и железа, которые содержались в нем, не хватило бы и для сильно уменьшенной копии. А тут образовалась статуя в полный рост.

Такая метаморфоза в неорганическом мире случается часто, например с полевым шпатом, состоящим из алюминия, калия, кремния и кислорода, который в результате выветривания замещается известняком. Кварц, или окись кремния, перерабатывается в соединения железа.

Как мы уже заметили, результат необычайного превращения почти не зависит от исходного материала. Тот же кварц в различных природных условиях может быть замещен гидроокислами металлов, щелочными минералами вроде карбонатов кальция или каолинита.

Как ни старайся, а пустот, которые неизбежно должны были бы образоваться между первичным и выветрелым веществом, не обнаружишь. Напротив, нарождающийся и исходный минералы будут слиты воедино. Достаточно вспомнить нефелины Кольского полуострова. Они и поразившие их опаловые метастазы плотно подогнаны друг к другу. Но как бы ни менялось соотношение между нефелином и опалом, форма валуна или обломка скалы остается прежней.

Это необычное явление получило название метасоматоза. Удивительно, но факт: впервые он отмечен в недрах Земли. Его открыли, исследуя магму и глубинные процессы сжатия породы, протекающие при высоких температурах и давлении. Кто мог ожидать встретить их на поверхности?

В метасоматозе все наоборот. Как происходит перестройка кристаллической решетки минерала в новую, стало ясно сразу. Исследователь ни на минуту не сомневался, что выветривание не разрушает до основания старый каркас, а постепенно перестраивает его. Это легко представить па примере дома, где идет капитальный ремонт. Сначала в нем снимают одно за другим перекрытия и заменяют их новыми. Затем прокладывают коммуникации, водопровод, газ, канализацию. А в самом конце дом покрывают плиткой, вставляют окна и... перед нами предстает совершенно незнакомое здание, лишь по форме и объему напоминающее прежнее.

Но откуда поступал строительный материал, как он проникал между слившимися минералами, оставалось загадкой. Добровольский оказался в положении зрителя, присутствующего на представлении иллюзиониста. Все перед глазами и одновременно ничего не понять. Но ученый тем и отличается от простого созерцателя, что не довольствуется туманными догадками. Прежде чем поверить, ему надо увидеть, а то и потрогать руками. Оставалась последняя надежда - растровый электронный микроскоп. Увеличение в десятки тысяч раз подтвердило догадку - минералы оказались разделенными тончайшим зазором, в 10^-4-10^-5 см. Такие щели обнаружились и в горной породе, и в глинистой массе. Они оказались тем руслом, по которому движется универсальный природный растворитель - вода. Правда, не только она, но и щелочи и органические кислоты, выделяемые растениями.

Общая схема метасоматического замещения. Схема реакционной зоны

Добровольскому удалось определить химический состав, концентрации элементов на контакте минералов. Проникнуть в лабораторию самой природы ему помог электронно-зондировочный аппарат, способный провести анализы в ничтожно малом объеме, почти в точке. Оказалось, что в этих трещинах между минералами идут активные превращения. Сюда с водой и другими жидкостями поступают новые элементы, а разрушившийся старый материал уносится тем же потоком. Однако самое удивительное в открытом явлении то, что оно протекает на плоскости, в двухмерном пространстве. Ведь толщина контакта минералов в тысячи, раз меньше, чем длина и ширина соприкасающихся поверхностей.

Растворение исходного вещества и отложение нового на столь ограниченном пространстве, каким является щель между ними, позволяют сохранять прежний объем и форму. Метасоматоз отдаленно напоминает гальванопластику. Она применяется для выращивания деталей определенных размеров и форм. Отличия лишь в том, что в природе матрица исчезает. Финал подобного превращения может оказаться самым неожиданным. Скала преобразится в глиняный холм, погибший моллюск - в твердый аммонит, чертов палец. В Бразилии же были найдены топаз весом 117 кг и аквамарин длиной 0,5 м, выросшие в горных массивах. В Ильменских горах на Южном Урале в сплошной скале из полевого шпата разместился целый рудник, где добывают слюду. Они тоже продукт метасоматоза.

Но вот первичный минерал исчез и на его месте появился новый. Что же дальше? Там, где переработка идет интенсивно, например в степях, саваннах, тропических лесах, образуются мощные рыхлые толщи, или, как их еще называют, коры выветривания. Вызывает ли это изменения в рельефе местности? "Одна из замечательных особенностей зоны гипергенеза, - пишет Добровольский, - самопроизвольно протекающее диспергирование твердого вещества. Кристаллические массивы на поверхности суши превращаются в песок и щебень, монолитные скалы - в рухляк. В этом процессе прогрессивного диспергирования вещества земной коры важнейшую роль играет вода. Известный физикохимик П. А. Ребиндер показал, что вода, взаимодействуя с поверхностью минеральных частиц, понижает их свободную поверхностную энергию и уменьшает работу, необходимую для образования новых трещин и дальнейшего измельчения минералов" [Добровольский, 1977, с. 22].

Можно без преувеличения сказать: современное плато и равнины своим появлением во многом обязаны гипергенезу. Они далеко не всегда результат отступления моря или высыхания огромного пресного озера. Но до открытия механизма метасоматоза объяснения возникновения низменных участков суши на месте горных стран выглядели не очень-то убедительными. Особенно долго не учитывалась активная роль воды в гипергенных превращениях. Мы уже убедились, что влага тем успешнее взаимодействует с минералами, чем больше их поверхность. "Когда последняя достигает около 10⁴-10⁵ см, молекулы воды разрушают связи между ионами и кристаллическая структура минералов распадается. Этим объясняется хорошо известный специалистам факт отсутствия обломков глубинных силикатов среди частиц, меньших 0,0001 см", - отмечает В. В. Добровольский [Там же, с. 23].