Процессы, формирующие рельеф планеты Земля

В статье автор предлагает читателям обобщённый очерк процессов, происходящих на поверхности Земли и формирующих её рельеф, часть из них достигает аномальных параметров и становится природными катастрофами.

Стихийные бедствия черпают энергию из разных источников. Извержения вулканов, землетрясения и связанные с ними цунами энергию получают из глубин Земли, она называется эндогенной, т.е. рождённой внутри. Конкретно, в ядре планеты в его внешней жидкой части. Это водород, который поднимаясь к верхним слоям мантии и земной коры, окисляется, высвобождая огромное количество энергии. К эндогенной энергии относится также тепло распада радиоактивных элементов внутри Земли, а также гравитационное и ротационное взаимодействия земных масс. Эти процессы обеспечивают энергией эпейрогенические вертикальные движения блоков земной коры, поднимающие в горных массивах над планетарным базисом эрозии — дном Мирового океана огромные массы горных пород.

Полученная таким образом колоссальная потенциальная энергия породных масс реализуется в гравитационных склоновых процессах в горах. К ним относятся камнепады, обвалы, оползни, осыпи, сели, лахары, снежные лавины и др. Детальные описания перечисленных процессов автор готовит для следующих публикаций.

Атмосферные и гидросферные катаклизмы (ураганы, бури, смерчи, штормы…) питаются энергией Солнца. Они выравнивают температурные градиенты, которые создаются из-за разницы в нагреве тех или иных участков поверхности планеты — своеобразные тепловые машины. Главная из них — обеспечена температурной разницей между экваториальной и приполярными зонами планеты. Тепловая машина второго рода обеспечивает движение воздушных масс между сушей и морем, т.е. между континентами и океанами.

В нашем цикле мы рассматриваем природные процессы аномальные по мощности и нанесённому ущербу, которые воспринимаются как стихийные бедствия, и которые, к счастью, происходят относительно редко. Но те же процессы в ослабленном виде идут всегда и повсеместно, результатом их совместной деятельности является рельеф нашей планеты.

Именно этому взаимодействию и посвящена настоящая статья. В последние годы российским туристам стали доступны любые уголки планеты. Автор надеется, что, любуясь горными вершинами, причудливыми скалами, обрывистыми бортами речных каньонов или морских побережий, читатель задумается о том, что он является свидетелем великой трагической и вечной борьбы титанических сил, которые формируют облик нашей планеты. Речь идёт о противоборстве эндогенных сил Земли и сил экзогенных, наружных, порождённых энергией солнца — это деятельность текучих рек, ледников, морей и океанов, ветра и растений...

Важно отметить определяющую роль солнечной энергии для экзогенных процессов, идущих на поверхности планеты. Выделяемая Солнцем энергия составляет около 1 • 1026 кал/с. Примерно 4 млн тонн солнечного вещества ежесекундно излучается в космическое пространство в виде тепла и света. Земля находится от Солнца на расстоянии 149 млн км и получает около двухмиллиардной доли его энергии, что составляет 1,29 • 1024 кал/год. Если даже принять, что 50% лучистой энергии Солнца отражается Землей, то всё равно Земля получает огромное количество энергии (6-7 •1023 кал/год), в тысячи раз превосходящее тепловой поток из недр Земли [Миловский, 1974].

Большая часть поверхности материков сложена горными породами, которые образовались на больших глубинах в результате магматических или метаморфических процессов при очень больших температурах и давлении. Попав на дневную поверхность, эти породы чувствуют себя «неуютно» (они попали в совершенно иные термодинамические условия) и под действием внешних агентов начинают разрушаться. Другая группа пород, которую мы видим на земной поверхности, — это осадочные породы: известняки, песчаники, глины... Они образовались когда-то на морском дне и на поверхности также чувствуют себя «не в своей тарелке».

О причинах тектонических процессов, вздымающих огромные массы глубинных горных породы к заоблачным высотам, геологи продолжают активно спорить. Большинство склоняется к мысли, что виновником вертикальных движений является столкновение литосферных плит, меньшинство (к которому принадлежит и автор) видит источник подъёма земной коры в разогреве мантии струями глубинных газов. Так или иначе, но результат этого процесса впечатляет: так высочайшая вершина мира Джомолунгма (8848м) сложена известняками, которые несколько сот миллионов лет назад образовались на дне мелководного моря, а на современную заоблачную высоту поднялись совсем недавно, около миллиона лет назад. По мнению швейцарского профессора А.Гансера главное поднятие Гималаев произошло в эпоху первобытного человека. Он отмечает интересный аспект, что отсутствие такой преграды как Гималаи, облегчало пути миграции первобытного человека при его расселении по планете.

Теперь напомним, что самая глубокая впадина Мирового океана — Марианская имеет отметку около 11000м. Почти двадцатикилометровая разница экстремальных высотных отметок планеты указывает нам, какие грандиозные массы подняты над планетарным базисом эрозии. По законам физики все они стремятся вниз на дно океана. Поэтому главным действующим фактором, разрушающим горные породы, является гравитация.

В молодых горах с альпийским рельефом гравитационные процессы проявлены непосредственно. Здесь постоянно грохочут обвалы, камнепады. Склоны и подножья покрыты чехлом осыпей, часто «живых», готовых сдвинуться и ползти дальше вниз при малейшем прикосновении. Особенно резко оживают обвально-оползневые процессы в горах при землетрясениях, а они здесь происходят очень часто. Ведь в молодые горах с альпийским рельефом процесс вздымания продолжается до сих пор.

Самым же активным скульптором, формирующим облик поверхности нашей планеты, является вода. В первую очередь, текучие воды — реки. Особо трудная работа выпадает на долю горных рек. Их бурные потоки прорезают в горных склонах глубокие и узкие ущелья. Такая разрушительная работа рек называется эрозией. Результат речной эрозии, т.е. глубина вреза и форма речного русла зависят от полноводности реки, разности высот истока и устья и характера пород, слагающих горы. В рыхлые осадочные породы — песчаники, галечники, глины и известняки речное русло врезается быстро и глубоко. Именно здесь возникают природные феномены, которые мы называем чудесами света: Большой каньон р.Колорадо в США и Большой Крымский каньон в России.

В массивных кристаллических породах процесс эрозии идёт медленно. Особенно интересны варианты, когда река прорезает горизонтально залегающие осадочные толщи, в которых чередуются пласты различной крепости. Здесь возникают влекущие нас водопады. Самый знаменитый, конечно, Ниагарский, расположен в среднем течении одноименной реки на границе США и Канады. Много водопадов в верхнем течении р.Нил, в России — на плато Путорана.На горных реках водопады иногда образуются на боковых притоках, в том случае, когда более полноводное русло главной реки быстрее врезается в породу и устья притоков как бы повисают над ним. Хорошо известные крымские водопады срываются с высоких скальных уступов. Работают они на полную мощь только во время весенних паводков или ливневых дождей.

Спустившись с гор, реки успокаиваются и если из-за маловодности не теряются в предгорьях, то превращаются в солидные равнинные реки, которые не способны уже ворочать валуны и глыбы. Основная работа их состоит теперь в переносе песка и ила. Таковы почти все великие реки планеты: Нил, Янцзы, Ганг, Лена, Енисей, Иртыш и многие другие. Течение равнинных рек спокойное, долины широкие, но и они могут встречать неожиданные препятствия на своём пути и тогда возникают интересные ландшафты. Например, Днепр со своими знаменитыми порогами, за которыми на о. Хортица укрывались запорожские казаки и из-за которых погиб от рук печенегов великий воин — киевский князь Святослав. Встало препятствие на пути и у Волги в виде поднятия Жигулей, которое представляет собой горст, довольно быстро поднимающийся блок земной коры, который Волга вынуждена обходить, образуя излучину — Самарскую Луку. Как видим, эндогенные силы Земли ни на минуты не прекращают работы по формированию облика земной поверхности.

Вернёмся вновь к вершинам гор, чтобы понаблюдать разрушающую деятельность твердой воды — горных ледников. Они образуются в горах выше снеговой линии, т.е. границы, выше который снеговой покров за лето не успевает таять. Снег уплотняется и со временем превращается в лед. Лед пластичен и, постепенно накапливаясь, начинается спускаться вниз по склонам, используя обычно нижележащие речные долины. Собственно говоря, именно тающие ледники и снежники и дают начало горным рекам, которые таким образом являются их естественным продолжением. Разрушительная работа ледников носит название ледниковой эрозии или экзарации (от латинского слова «exarratio» — выпахивание). Действительно, ледники работают как бульдозеры, они выпахивают дно и стенки горных речных долин, сглаживая их и превращая в ледниковые троги. Обломки горных пород, содранных и собранных ледником, а также осыпавшихся на него со склонов, называются мореной. Если на пути ледника попадаются скальные выступы крепких пород, он их сглаживает, шлифует, превращая в куполообразные холмы, испещрённые царапинами и бороздами, вытянутыми в направлении движения ледника. Такие "облизанные" ледником скалы называются бараньими лбами или курчавыми скалами. Они являются непременным атрибутом ландшафта скандинавских стран, Кольского полуострова и Карелии. Кстати, знаменитые норвежские фиорды — узкие морские заливы с крутыми скалистыми берегами протяжённостью до 200 км и глубиной до километра также несут следы интенсивной ледниковой обработки.

В регионах, сложенных известняками, доломитами, гипсом, каменной солью, т.е. породами, которые легко растворяются водой, возникают интереснейшие формы рельефа, получившие название карста. Процесс растворения начинается с возникновения ямок, борозд, каналов размером от нескольких сантиметров до первых метров, в совокупности называемые карами. Потом появляются колодцы, пропасти глубиной в сотни метров. Венец процесса — пещеры с разветвлёнными ходами, подземными залами, часто озерами и реками. Они могут быть многоярусными, протяжённость ходов достигает многих километров. Так знаменитая Мамонтова пещера в штате Кентукки (США) имеет протяжённость 240 км. Сказочным украшением пещер являются сталактиты, своеобразные сосульки, которые образуются при выпадении из капающей воды растворённых в ней карбонатов. Снизу, навстречу сталактитам поднимаются сталагмиты, часто они встречаются и,срастаясь, образуют колонны. Области классического развития карста — страны бывшей Югославии, откуда и пошло это название. Знамениты крымские пещеры — Красная (Кызыл-Коба), Мраморная, Тысячеголовая. На Урале — Кунгурская пещера, образованная в гипсах.

В засушливых странах, где воды очень мало, основную работу по формированию рельефа принимает на себя ветер. В пустынях очень резкие температурные перепады, поэтому часто возникают песчаные бури. Миллионы тонн песка и даже мелкого щебня бомбардируют встречающиеся на их пути скалы. Вихревые движения ветра закручивают песчинки, которые не только бьют в скалы, но и сверлят их. Такая разрушительная работа ветра называется корразией (от латинского «corrasio» — вытачиваю). Горные породы обычно неоднородны по крепости, слабые места разрушаются быстрее. Образуются углубления, ячеи, ниши, карманы, которые разрастаются до огромных размеров, превращаясь в эоловые котлы выдувания. Поскольку самые крупные и тяжёлые песчинки в ветровом потоке переносятся у земли, то встречные скалы наиболее интенсивно подтачиваются в своей нижней части, что приводит к формированию интереснейших грибообразных скал — останцов. Обработанные ветром скальные останцы напоминают причудливые замки, скульптуры. Их можно увидеть в Сахаре или в китайской пустыне Такла-Макан, в нашем Крыму достойный представитель — гора Демерджи.

Процессы, о которых мы говорили выше, работают в основном над формами макрорельефа. Но повсеместно и повседневно горные породы подвергаются процессам разрушения, протекающим часто на микроуровне и вызванным воздействием солнечной радиации, температуры, микроорганизмов и растений, а также механическим действием воды и воздуха. В совокупности эти процессы называются выветриванием. Как ни странно, но к деятельности ветра этот термин прямого отношения не имеет, он является синонимом слова — изменение. Странный термин, но в геологическом языке он прижился. В районах с резкими перепадами температур наиболее активно действует физическое выветривание, т.е. сильное расширение горной породы на солнце в дневное время и охлаждение в ночное. Особенно разрушителен этот процесс для горных пород неоднородного строения, т.е. сложенных минеральными зёрнами разного состава, которые имеют различные коэффициенты теплового расширения. Влияет на скорость разрушения и контрастность окраски пород, из-за которой одни участки нагреваются сильнее других. После многочисленных серий сжатия — растяжения в породе возникают микротрещинки, в них проникает вода, которая, замерзая ночью и оттаивая днём, действует как самоуглубляющийся клин, расширяющий трещину. Затем в ней поселяются микроорганизмы, проникают корни растений, довершающие раскалывание породы на отдельные куски. Особенно подвержены физическому воздействию граниты — полиминеральные породы, состоящие из калиевого полевого шпата, прозрачного кварца, темноцветных минералов — амфиболов и биотитов. Коэффициент объёмного расширения кварца в два раза больше, чем у полевого шпата, что приводит к относительно быстрому разрушению породы. Яркий пример — граниты-рапакиви, которые стали главным облицовочным и строительным камнем Санкт-Петербурга. Добываются они в Карелии, где слагают огромный Выборгский массив. Характерной чертой таких гранитов являются очень крупные округлые выделения калиевых полевых шпатов. Кто видел ячеистую поверхность гранитных плит на набережной Невы, тот согласится с финским названием этой породы — рапакиви, т.е. гнилой камень.

В странах с влажным тёплым климатом основную работу по разрушению глубинных пород выполняет химическое выветривание. Большинство минералов, образовавшихся на большой глубине в восстановительных условиях, оказываются неустойчивыми в кислородных условиях на поверхности. В первую очередь начинает окисляться минерал магнетит, превращаясь в различные окислы и гидроокислы железа, которые обычно окрашивают горные породы ржавыми пятнами. Полевые шпаты, слагающие граниты, гнейсы, в поверхностных условиях превращаются в каолиновые глины. При этом поглощается огромное количество солнечной энергии, которая как бы консервируется в глинистых минералах. Места развития таких процессов и их результата — каолиновых глин отмечены производством фарфора, например, Майнц в Германии в 15 км от Дрездена, где находится знаменитая Мейсенская мануфактура — родина европейского фарфора.

Биологическое выветривание связано с проникновением в трещины пород микроорганизмов и корней растений, которые воздействуют не только механически, но и химически. Они растворяют минералы органическими кислотами и используют их для питания. Так минеральные вещества превращаются в органические, что в конечном итоге ведёт к почвообразованию.

Поверхность нашей планеты на 71%покрыта водами Мирового океана. Длину общей береговой линии всех материков и островов невозможно представить, но на каждом метре соприкосновения моря и суши день и ночь идет неустанная работа морского прибоя, который пытается уничтожить землю. Эта разрушительная работа моря называется абразией (от латинского «abrasio» — соскабливаю). Резко усиливается абразия во время сильных штормов, когда берег бомбардируют не только удары волн, но и подхваченные ими прибрежные валуны и глыбы. Энергия волн может быть чудовищной, так у Шетландских островов штормовой прибой забрасывал обломки скал весом до 13 т на высоту до 20 м.

Наибольшему ударному воздействию морских волн подвергаются крутые берега — обрывы, которые называются клифом. Сначала в основании берега вымывается углубление — волноприбойная ниша, затем подмытая часть берега обрушивается. Обломки на какое-то время защищают берег от ударов волн, затем море их разбивает и растаскивает, и всё повторяется сначала. Великолепный пример активного клифа представляет западный берег Крыма, который сложен рыхлыми породами таврской свиты (палеопочвы) и испытывает постоянное тектоническое опускание. Скорости погружения и разрушения берега фантастические. Дома, маяки, построенные всего несколько десятилетий назад, на глазах обрушиваются в море. Вместе с ними уходят сады, поля, виноградники... Описанное выше автор видел своими глазами, пройдя пешим маршрутом осенью 1997 года от посёлка Песчаное до Севастополя.

Больше людям нравятся другие берега — причудливые бухты, выдающиеся в море мысы, фигурные скалы у берегов. Такие ландшафты возникают на участках побережья, сложенных различными по крепости горными породами. Некрепкие, слабые быстро размываются — здесь образуются бухты и заливы. Прочные дольше выдерживают удары морской стихии, они превращаются в мысы и прибрежные скалы. Опять вспомним чудный Крым и скалы древнего вулкана Карадага — знаменитые Золотые ворота. Далеко забрел в воду Медведь — гора (Аю-Даг). Она тоже сложена прочными магматическими породами.

Заканчивая рассказ о разрушении горных пород на поверхности планеты и формировании тем самым её рельефа нужно сказать, что алгоритм такого разрушения задан изначально. Дело в том, что вся земная кора разбита сетью планетарной трещиноватости, которая имеет строгую ориентировку север-юг и запад-восток, а также два дополнительных к ним диагональных направления. Самые крупные куски, на которые разделяется планета, — наши материки, трещины их разделяющие — это рифтовые зоны планетарной протяжённости. Самые мелкие трещинки размером в сантиметры и миллиметры заметны только в куске породы. Между ними (материками и кусками камня) мы видим системы разломов и трещин любых промежуточных размеров, но одинаковой ориентации для каждого конкретного участка земной поверхности. Сеть планетарных разломов предопределяет очертания морских берегов, направления течения рек, движения ледников. Очевидна преобладающая меридиональная направленность элементов рельефа, предопределённая простиранием тектонических разломов. Таковы берега всех материков, направление великих сибирских рек в России, простирание берегов окраинных морей Тихого океана (в России — Охотского и Японского).

Владимир Сывороткин

Рекомендуемая литература:

1. Горшков Г.П., Якушова А.Ф. Общая геология. М.: МГУ, 1973. -592с.
2. Курс общей геологии (В.И. Серпухов, Т.В.Билибина, А.И.Шалимов и др.) — Недра, 1976, -535с.
3. Миловский М.В. Источники энергии геохимических процессов // История и методология естественных наук. — М.: МГУ, 1974. — Вып. 13. — Геология. — С. 62-67.
4. Сывороткин В.Л. Место битвы — Земля // Вокруг Света, 2008. -№4. -С.14-22.