Минералами называются природные химические соединения или отдельные химические элементы, возникшие в результате физико-химических процессов, происходящих в Земле. В земной коре минералы находятся преимущественно в кристаллическом состоянии, и лишь незначительная часть - в аморфном. Свойства кристаллических веществ обусловливаются как их составом, так и внутренним строением, т.е. кристаллической структурой. В кристаллических решетках расстояния между элементарными частицами и характер связей между ними в разных направлениях неодинаковы (рис. 2.1), что обусловливает и различие свойств. Такое явление называется анизотропией или неравносвойственностью кристаллического вещества. Анизотропия кристаллических веществ проявляется во многих их особенностях. Например, в способности кристаллического вещества самоограняться, т.е. образовывать многогранники - кристаллы, форма кристаллов разнообразна и зависит, прежде всего, от внутреннего строения данного соединения.

Рис. 1. Кристаллические решетки:

а - алмаза (С), б - графита (С)

Проявление анизотропии можно рассмотреть на примере минерала графита, внутренняя структура которого приведена на рис.1,б. Расстояние между атомами углерода в пределах плоских слоев решетки составляет 0,14 нм (1,42 А), между слоями оно больше-0,33 нм (3,39 А). Это объясняет способность графита легко расщепляться (весьма совершенная спайность - см. ниже) на тонкие листочки, параллельные слоям решетки, и с трудом ломаться по неровным поверхностям в других направлениях, где расстояния между частицами и силы сцепления между ними больше.

В аморфных веществах закономерность в расположении частиц отсутствует. Свойства их зависят только от состава и во всех направлениях статистически одинаковы, т.е. аморфные вещества изотропны или равносвойственны. Прежде всего, это выражается в том, что аморфные вещества не образуют кристаллов и не обладают спайностью.

В различных физико-химических условиях вещества одинакового химического состава могут приобретать разное внутреннее строение, а следовательно, и разные физические свойства и создавать таким образом разные минералы. Это явление называется полиморфизмом (греч. "поли" - много). В качестве яркого примера полиморфизма можно назвать две модификации углерода (С): упомянутый минерал графит и минерал алмаз. Внутренняя структура алмаза резко отличается от строения графита (рис. 1,а). В структуре алмаза сцепления между атомами углерода однотипны и прочны. Отсюда вытекают и свойства алмаза (С), резко отличные от свойств графита (С): низкие твердость-1 и плотность-2,1-2,3 графита и высокие-алмаза, соответственно 10 и 3,5 и др.

Важным свойством кристаллических веществ, обусловленным внутренним строением, является также его однородность, выражающаяся в том, что любые части кристаллического вещества в одинаковых направлениях обладают одинаковыми свойствами, т.е. если кристалл графита в одном направлении имеет весьма совершенную спайность, то и любой его обломок в том же направлении обладает этим свойством.

Формы нахождения минералов в природе разнообразны и зависят главным образом от условий образования. Это либо отдельные кристаллы или их закономерные сростки (двойники), либо четко обособленные минеральные скопления, либо, чаще, скопления минеральных зерен - минеральные агрегаты.

Отдельные изолированные кристаллы и кристаллические двойники, т.е. закономерные сростки кристаллов, возникают в благоприятных для роста условиях. Форма кристаллов разнообразна и отражает как состав и внутреннюю структуру минерала, так и условия образования. Двойниками называются закономерные сростки кристаллов. Законы двойникования разнообразны, что приводит к формированию морфологически различных двойников.

Среди обособленных минеральных скоплений наиболее часто встречают друзы, представляющие скопления кристаллов, приросших к стенкам пещер или трещин. Секреции - результат постепенного заполнения ограниченных пустот минеральным веществом, отлагающимся на их стенках. Они имеют обычно концентрическое строение, отражающее стадийность формирования. Мелкие секреции называются миндалинами, крупные - жеодами. Конкреции - более или менее округлые образования, возникшие путем осаждения минерального вещества вокруг какого-либо центра кристаллизации. С этим часто связано концентрическое или радиально-лучистое строение конкреций. Мелкие округлые образования обычно концентрического строения называются оолитами. Их возникновение связано с выпадением минерального вещества в подвижной водной среде. Натечные образования, осложняющие поверхности пустот, возникают при кристаллизации минерального вещества из просачивающихся подземных вод. Натеки, свисающие со сводов пустот, называются сталактитами, растущие вверх со дна пещер - сталагмитами. На поверхности трещин могут развиваться плоские минеральные пленки, имеющие разное строение.

Наиболее широко развиты минеральные агрегаты кристаллического, аморфного или скрытокристаллического строения, слагающие толщи пород. Они образуются при более или менее одновременном выпадении из растворов или расплавов множества минеральных частиц. В кристаллических агрегатах минералы находятся в кристаллическом состоянии, но зерна их имеют неправильную форму. Величина зерен зависит от условий кристаллизации и изменяется от крупных до землистых. В жилах кристаллические агрегаты часто имеют массивное (сливное) строение, при котором отдельные зерна на глаз не различимы. Аморфные агрегаты представляют собой однородные плотные или землистые массы, обладающие матовым, восковым или слабожирным блеском. Скрытокристаллические агрегаты внешне напоминают аморфные и отличаются от них только микроскопически.

Они представляют собой коллоидные системы, состоящие из тонкодисперсных кристаллических частиц и заключающей их среды.

Встречаются минеральные образования, состав которых не соответствует форме, которую они слагают,- это так называемые псевдоморфозы (греч. "псевдо" - ложный). Они возникают при химических изменениях ранее существующих минералов или заполнении пустот, образовавшихся при выщелачивании каких-либо минеральных или органических включений. К первым относятся, например, часто встречающиеся псевдоморфозы лимонита по пириту, когда кубические кристаллы пирита (FeS2) превращаются в скрытокристаллический лимонит, ко вторым - псевдоморфозы опала по древесине и др.

Классификация минералов и их описание

Количество известных в настоящее время минералов превышает 2000. Их можно группировать по разным признакам. В основе принятой в настоящее время классификации минералов лежат химический состав и структура. Большое внимание уделяется также генезису (греч. "генезис" - происхождение), что позволяет познавать закономерности распространения минералов в земной коре. Роль различных минералов в строении последней неодинакова: одни встречаются редко и представляют собой лишь незначительные и необязательные включения в горные породы; другие слагают основную массу пород, определяя их свойства; третьи, образующие локальные скопления или рассеянные в породах, представляют интерес как полезные ископаемые. Ниже рассматриваются лишь наиболее широко распространенные минералы, принадлежащие к классам самородных элементов, сульфидов, галоидных соединений, оксидов и гидроксидов, карбонатов, сульфатов, фосфатов и силикатов.

Классы самородных элементов и сульфидов. Минералы этих классов не относятся к породообразующим, но многие из них являются ценными полезными ископаемыми.

Из наиболее распространенных минералов первого класса можно назвать серу S, возникающую в процессе возгонки паров при вулканических извержениях, а также в поверхностных условиях при химических изменениях минералов классов сульфидов и сульфатов и биогенным путем. Используется в химической промышленности для получения серной кислоты, в сельском хозяйстве и в ряде других отраслей.

Графит С связан преимущественно с процессами метаморфизма. Широко применяется в металлургии, для производства электродов и др. К этому же классу относятся такие ценные минералы, как алмаз, золото, платина и др.

К классу сульфидов принадлежат многочисленные минералы - руды металлов.

Галенит, или свинцовый блеск PbS,- встречается в виде кристаллических агрегатов, реже - отдельных кристаллов и их сростков. Сингония кубическая. Цвет свинцово-серый; черта серовато-черная, блестящая; блеск металлический; непрозрачный; спайность совершенная в трех взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. параллельно граням куба; твердость 2,5; плотность 7,5.

Сфалерит, или цинковая обманка ZnS, - встречается в виде кристаллических агрегатов, реже сростков кристаллов кубической сингонии. Цвет бурый, редко бесцветный, примесями железа бывает окрашен в черный; черта желтая, бурая; блеск алмазный, металловидный; просвечивает; спайность совершенная в шести направлениях параллельно граням ромбического додекаэдра; твердость 3,5-4; плотность около 4.

Месторождения галенита и сфалерита, руд свинца и цинка в СССР многочисленны, например, на Северном Кавказе, в Средней Азии, Забайкалье.

Одним из наиболее распространенных минералов класса сульфидов является пирит FeS2. Образует агрегаты разной зернистости, часто встречаются вкрапленные в породы кубические кристаллы, несущие на гранях штриховку. Цвет золотисто-желтый; черта черная, зеленовато-черная; блеск металлический; излом неровный; спайность весьма несовершенная; твердость 6-6,5; плотность около 5. Используется для изготовления серной кислоты.

Происхождение минералов класса сульфидов связано главным образом с горячеводными растворами (гидротермальными). Они часто встречаются в кварцевых жилах вместе со многими минералами класса самородных элементов.

Этот класс объединяет минералы, представляющие соединения металлов с S - собственно сульфиды, Se - селениды, Те - теллуриды, As - арсениды, Sb - антимониды, Вi - висмутиды, которые выступают в роли анионов. Сюда же относят минералы, в анионной части которых одновременно находятся элементы пятой и шестой групп периодической системы Д.И.Менделеева. Это сульфоарсениды (кобальтин СоAsS, арсенопирит FеAsS) и сульфосоли.

В простейшем случае анионы этого класса соединений - одиночные анионы S2-, As3- , образующие моносульфиды. В более сложных - комплексные анионные группировки типа [S2]2- - "гантель"; [AsS]3-, образующие дисульфиды, а также анионные радикалы типа [AsS3]3-, образующие сульфосоли.

В качестве катионов в сульфидах наиболее обычны элементы Fе, Со, Ni, Cu, Zn, Pb, Ag, Hg, Mo, As, Sb, причем главенствующее значение имеет железо. Ряд элементов: Cd, In ,Ga, Tl встречаются преимущественно в рассеянном состоянии в виде изоморфных примесей или крайне редко образуют самостоятельные минеральные виды. Для большинства сульфидов характерно широкое развитие изо- и гетеровалентного изоморфизма. Изоморфные замещения характерны как для катионов, так и для анионов. Например, в сфалерите ZnS наблюдается изовалентный изоморфизм Zn2+ = Fe2+,Mn2+, а также гетеровалентный изоморфизм 2Zn2+ = Ag+ + Ga3+; 2Zn2+ = Cu+ + Fe3+. Гетеровалентный изоморфизм в галените РbS осуществляется по схеме 2Pb2+ = Ag+ + Sb3+ (или Bi3+). В галените возможно также изовалентное ограниченное замещание в анионной части S2- = Se2-. Изовалентные замещения характерны также в анионных радикалах блеклых руд: [(As 1-nSbn)S3]3-, As3+ => Sb3+. В сульфидах довольно широко проявлено явление полиморфизма. Это полиморфные модификации ZnS: сфалерит, кубическая сингония и вюртцит, гексагональная сингония; FeS2: пирит, кубическая сингонияи марказит, ромбическая сингония; НgS: киноварь, тригональная сингония и метациннабарит, кубическая сингония; Fe1-xS: пирротин, гексагональная сингония и моноклинная сингония.

Сульфиды и их аналоги характеризуются ярко выраженным ковалентным типом химической связи с донорно-акцепторным характером ее проявления и существенным вкладом металлической и вандерваальсовой связей.

Изо- и гетеродесмический характер химической связи определяет разнообразие структурных мотивов в сульфидах. Среди них известны минералы с координационной, островной, цепочечной, слоистой и каркасной структурой.

Кристаллохимические особенности сульфидов, типы химической связи, состав определяют характерные для сульфидов физические свойства.

Для большинства сульфидов с ковалентно-металлическими связями характерны металлический блеск, высокая электропроводность, полупроводниковые свойства. Цвет их серый, желтоватый или бронзово-желтый. Слоистые и цепочечные сульфиды имеют низкую твердость от 1 до 2,5. Координационные моносульфиды имеют умеренную твердость от 2 до 4, а у дисульфидов и их аналогов с возрастанием доли ковалентности твердость достигает 6-6,5 единиц. Существенно ковалентные моносульфиды с координационной (сфалерит), цепочечной (киноварь), молекулярно-слоистой (аурипигмент), молекулярно-островной (реальгар) структурами отличаются алмазным блеском, полупрозрачностью, яркими окрасками, низкой и умеренной твердостью.

Сульфиды обычно образуют сплошные кристаллически-зернистые массы, вкрапленники или встречаются в виде кристаллов. Сульфиды с цепочечной структурой часто представлены агрегатами удлиненно-призматических кристаллов до тонкоигольчатых с совершенной спайностью по удлинению (антимонит). Для слоистых сульфидов характерна уплощенно-таблитчатая форма кристаллов и весьма совершенная спайность в одном направлении (молибденит, аурипигмент).

Сульфиды имеют в основном гидотермальное происхождение. Они образуются также в магматическом процессе, характерны в скарнах. В гипергенных условиях образуются в зоне вторичного сульфидного обогащения и в осадочных породах. Для метаморфических процессов и ассоциаций сульфиды не характерны. Сульфиды обнаружены в метеоритах и образцах лунного грунта.

В поверхностных условиях сульфиды (за исключением киновари) легко окисляются, переходя в сульфаты. За их счет образуются различные вторичные минералы - окислы, карбонаты, сульфаты, силикаты, а также самородные металлы.

Координационные	Цепочечные	Островные
галенит РbS куб. сфалерит ZnS куб. халькопирит СuFеS2 тетр.	киноварь HgS триг.	пирит FeS куб. марказит FeS2 ромб. арсенопирит FeAsS ромб.

Всего к классу сульфидов относят сегодня болев 250 минеральных видов, но общее содержание их в земной коре невелико и не превышает 0.15%. Широко распространены и встречаются в больших количествах около 20 из них. Наибольшее распространение имеют пирит и пирротин, на долю которых приходится около 4/5 всех известных нам сульфидов. Подавляющее же число минералов (около 200) являются редкими и наблюдаются в незначительных количествах. Роль сульфидов чрезвычайно велика как сырья для получения цветных, благородных и многих редких металлов. Особый интерес проявляется к электрофизическим и оптическим свойствам сульфидов. Их специально выращивают в виде монокристаллов, находящих применение в качестве полупроводников.

2. Геологическая деятельность ветра

Ветер - один из важнейших экзогенных факторов, преобразующих рельеф Земли и формирующих специфические отложения. Наиболее ярко эта деятельность проявляется в пустынях, занимающих около 20% поверхности континентов, где сильные ветры сочетаются с малым количеством выпадающих атмосферных осадков (годовое количество не превышает 100-200 мм/год); резким колебанием температуры, иногда достигающим 50o и выше, что способствует интенсивным процессам выветривания; отсутствием или разреженностью растительного покрова. Особенно большие площади заняты пустынями в Азии, Африке, Австралии, меньше в Европе и Америке. Кроме того, активная деятельность ветра проявляется во внепустынных областях - на побережьях океанов, морей и в крупных речных долинах, не покрытых растительностью, а местами в полупустынях и даже в умеренном климате.

Геологическая работа ветра состоит из следующих видов: 1) дефляции (лат. "дефляцио" - выдувание и развевание); 2) корразии (лат. "корразио" - обтачивание, соскабливание); 3) переноса и 4) аккумуляции (лат. "аккумуляцио" - накопление). Все указанные стороны работы ветра в природных условиях тесно связаны друг с другом, проявляются одновременно и представляют единый сложный процесс. Можно говорить лишь о том, что в одних местах преобладают одни виды процесса, в других - иные. Все процессы, обусловленные деятельностью ветра, создаваемые ими формы рельефа и отложения называют эоловыми (Эол в древнегреческой мифологии - бог ветров).

ДЕФЛЯЦИЯ И КОРРАЗИЯ
Дефляция - выдувание и развевание ветром рыхлых частиц горных пород (главным образом песчаных и пылеватых). Известный исследователь пустынь Б. А. Федорович выделяет два вида дефляции: площадную и локальную.
Площадная дефляция наблюдается как в пределах коренных скальных пород, подверженных интенсивным процессам выветривания, так и особенно на поверхностях, сложенных речными, морскими, водноледниковыми песками и другими рыхлыми отложениями. В твердых трещиноватых скальных горных породах ветер проникает во все трещины и выдувает из них рыхлые продукты выветривания.
Поверхность пустынь в местах развития разнообразного обломочного материала в результате дефляции постепенно очищается от песчаных и более мелкоземистых частиц (выносимых ветром) и на месте остаются лишь грубые обломки - каменистый и щебнистый материал. Площадная дефляция иногда проявляется в засушливых степных областях различных стран, где периодически возникают сильные иссушающие ветры - "суховеи", которые выдувают распаханные почвы, перенося на далекие расстояния большое количество ее частиц.
Локальная дефляция проявляется в отдельных понижениях рельефа. Многие исследователи именно дефляцией объясняют происхождение некоторых крупных глубоких бессточных котловин в пустынях Средней Азии, Аравии и Северной Африки, дно которых местами опущено на многие десятки и даже первые сотни метров ниже уровня Мирового океана. Одним из примеров является впадина Карагие в Закаспии, дно которой опущено на 132 м ниже уровня моря. На дне некоторых котловин в верхнем слое пород часто происходит накопление солей. Это может быть связано или с капиллярным подъемом к поверхности днищ соленых подземных вод, или с привносом солей временными пересыхающими ручьями, или с усыханием мелких водоемов. Подземные и поверхностные воды испаряются, а соли, кристаллизация которых разрывает и разрыхляет породу, превращая ее в тонкую солончаковую пыль, остаются. В жаркие безветренные дни над солончаками днищ котловин вследствие разницы в нагреве различных элементов поверхности часто возникают мощные турбулентные потоки восходящего воздуха (штопороообразные смерчи). Восходящие токи и ветер в течение лета могут вынести весь разрыхленный материал. Ежегодное повторение указанного процесса приводит к дальнейшему углублению дефляционных впадин, или котловин выдувания. Локальная дефляция проявляется также в отдельных щелях и бороздах в горных породах (бороздовая дефляция).
Рис. 2. Грибообразная (А) и дефляционно-корразийная (Б) формы
Корразия представляет механическую обработку обнаженных горных пород песчаными частицами, переносимыми ветром, выражающуюся в обтачивании, шлифовании, соскабливании, высверливании и т. п. Этот процесс сходен с применяемым в практике методом чистки каменных зданий искусственными песчаными струями. Песчаные частицы поднимаются ветром на различную высоту, но наибольшая их концентрация в нижних приземных частях воздушного потока (до 1,0-2,0 м). Сильные длительно продолжающиеся удары песка о нижние части скальных выступов подтачивают и как бы подрезают их, и они утоняются в сравнении с вышележащими. Этому способствуют также процессы выветривания, нарушающие монолитность породы, что сопровождается быстрым удалением продуктов разрушения. Таким образом, взаимодействие дефляции, переноса песка, корразии и выветривания придают скалам в пустынях своеобразные очертания. Некоторые из них грибообразной формы (при изменяющихся направлениях ветра) (рис. 2, А, Б), другие сходны с подточенными столбами или обелисками. При преобладании ветров одного направления в основании скальных выступов образуются различные корразионно-дефляционные ниши, небольшие пещеры, котлообразные и другие формы.
Рис. 3. Формы эоловых многогранников
Академик В. А. Обручев в 1906 г. открыл в Джунгарии, граничащей с Восточным Казахстаном, целый "эоловый город", состоящий из причудливых сооружений и фигур, созданных в песчаниках и пестрых глинах в результате пустынного выветривания, дефляции и корразии. Если на пути движения песка встречаются гальки или небольшие обломки твердых пород, то они истираются, шлифуются по одной или нескольким плоским граням. При достаточно длительном воздействии несомого ветром песка из галек и обломков образуются эоловые многогранники или трехгранники с блестящими отполированными гранями и относительно острыми ребрами между ними (рис. 3). Следует также отметить, что корразия и дефляция проявляются и на горизонтальной глинистой поверхности пустынь, где при устойчивых ветрах одного направления песчаные струи образуют отдельные длинные борозды или желоба глубиной от десятков сантиметров до первых метров, разделенные параллельными неправильной формы гребнями. Такие образования в Китае называют ярдангами.
ПЕРЕНОС
При движении ветер захватывает песчаные и пылеватые частицы и переносит их на различные расстояния. Перенос осуществляется или скачкообразно, или перекатыванием их по дну, или во взвешенном состоянии. Различие переноса зависит от величины частиц, скорости ветра и степени его турбулентности. При ветрах скоростью до 7 м/с около 90% песчаных частиц переносится в слое 5-10 см от поверхности Земли, при сильных ветрах (15-20 м/с) песок поднимается на несколько метров. Штормовые ветры и ураганы поднимают песок на десятки метров в высоту и перекатывают даже гальки и плоский щебень диаметром до 3-5 см и более. Процесс перемещения песчаных зерен осуществляется в виде прыжков или скачков под крутым углом от нескольких сантиметров до нескольких метров по искривленным траекториям. При своем приземлении они ударяют и нарушают другие песчаные зерна, которые вовлекаются в скачкообразное движение, или сальтацию ( лат. "сальтацио" - скачок). Так происходит непрерывный процесс перемещения множества песчаных зерен. Пески в пустынях переносятся на расстояния от нескольких километров до десятков, а иногда и первых сотен километров. По данным А. Аллисона, в Сахаре мощные песчаные осадки лежат на удалении 160 км от выходов тех песчаников, дезинтеграция которых послужила источником песчаного материала. В ходе перемещения и соударения сами песчаные зерна подвергаются взаимному истиранию и дроблению.
Пылеватый материал алевритовой размерности может подниматься в воздухе на высоту до 3-4 км и более и переноситься во взвешенном состоянии на сотни и тысячи километров. Известно, что пыль пустынь Африки сильными пассатными ветрами переносится на запад на расстояния более 2000-2500 км и составляет местами заметную примесь в осадках Атлантического океана. Описаны случаи, когда эоловая пыль Сахары достигала различных стран Западной Европы.
Формы эолового песчаного рельефа. Закономерности формирования песчаного рельефа в пустынях тесным образом связаны с режимом ветров, динамикой атмосферы и ее циркуляцией, мощностью песков и степенью их оголенности. В связи с изменением указанных параметров в пустынях наблюдается многообразие песчаных форм, полное рассмотрение которых приводится в учебниках по геоморфологии. Кратко охарактеризуем их наиболее распространенные формы: барханы и грядовые песчаные формы.
Рис. 5.4. Форма одиночного бархана
Рис. 5. Схема развития основных форм рельефа оголенных песков (по Б.А. Федоровичу)
Барханами называют обычно асимметричные серповидные песчаные формы, напоминающие полулуние и располагающиеся перпендикулярно господствующему направлению ветра (рис. 4). Наветренный склон их длинный и пологий (10-15o), он покрыт обычно поперечными ветру знаками ряби, напоминающими мелкую рябь на водной поверхности, а подветренный - короткий и крутой (32- 35o). При переходе от пологого склона к крутому образуется острый гребень, имеющий в плане форму дуги, а по направлению движения ветра выдаются вперед заостренные концы ("рога"). Высота барханов различна - от 2-3 и до 15 м, а местами 20-30 м и более (Ливийская пустыня). Одиночные барханы встречаются редко. При большом количестве оголенного песка в пустынях барханы в большинстве случаев сливаются друг с другом, образуя крупные барханные цепи, напоминающие морские волны. Их высота может достигать 60-70 м и более. В тропических пустынях местами формируются продольные ветру барханные гряды. Возможная последовательность развития барханного рельефа от эмбрионального бархана до крупных барханных цепей и гряд видна на рис. 5.
Продольные песчаные гряды распространены во всех пустынях мира, всюду, где господствуют ветры одного или близких направлений и где им нет никаких тормозящих препятствий. В этих условиях горизонтальное движение сочетается с восходящими и нисходящими потоками, связанными с сильным, но неодинаковым нагревом неровной поверхности песков. В результате образуются относительно узкие симметричные гряды, разделенные межгрядовыми понижениями различной ширины (рис. 6). Именно в этих условиях особенно четко проявляется сочетание и взаимодействие эоловых процессов - дефляции, переноса и аккумуляции.
Рис. 6. Схема песчаных гряд и межгрядовых понижений
По данным Б.А. Федоровича и других исследователей, в пустынях Средней Азии высота гряд на молодых речных отложениях р. Амударьи около 10-15 м, в районе Центральных Каракумов, где пески перевевались в течение всего четвертичного периода, доходит до 30-40 м, а в Сахаре - до 100 м и более.
Песчаные формы внепустынных областей образуются в прибрежных зонах океанов и морей, где наблюдается обильный принос песка на пляжи волнами, а также в пределах песчаных берегов озер и в отдельных случаях на пойменных и древних террасах рек. Дующие к берегу ветры подхватывают сухой песок и переносят его в глубь материка. Отдельные неровности рельефа или кустики растительности задерживают песок, вокруг них образуются первичные песчаные холмы. В ходе последующего развития холмы, постепенно сливаясь, образуют асимметричные песчаные валы или гряды, поперечные господствующему ветру. Такие формы называются дюнами.
Рис. 7. Параболические дюны
Образовавшаяся дюна под действием ветра постепенно перемещается в глубь материка, а на ее месте возникает другая, после перемещения, которой опять начинает формироваться новая. Так, местами возникают цепи параллельных дюн. Часто древние дюны характеризуются сложным холмистым или укороченно-грядовым рельефом, что связано с последующим преобразованием их ветром и неравномерным развитием растительности. Помимо прямолинейных дюн, местами наблюдаются дугообразные, или параболические дюны (рис. 7), возникающие в результате постепенного продвижения вперед наиболее высокой активно перевеваемой ее части при закреплении краевых частей растительностью или увлажнением.
В СССР дюны развиты на побережье Балтийского моря и финского залива, где они местами достигают высоты 20-25 м и более, а на низменном песчаном атлантическом побережье Франции дюны выглядят, как огромные естественные дамбы большой высоты. В зонах умеренного климата материковые дюны наиболее широко развиты в пределах крупных четвертичных водноледниковых песчаных (зандровых) равнин. Такие дюны развиты в Белоруссии (Полесье), Мещере и других районах европейской части СССР, в Западно-Сибирской низменности.
В заключение следует сказать, что движущиеся пески как на побережьях во внепустынных зонах, так и в пустынях представляют значительную опасность для возводимых или существующих различных сооружений и культурных оазисов и нередко приносят существенный материальный ущерб. Поэтому для защиты последних разрабатываются и применяются различные меры, одной из которых является закрепление песков растительностью, использование битумов из отходов нефти и др.
В деятельность ветра входят дефляция (выдувание), перенос, корразия и аккумуляция. Они ярко проявляются в пустынных областях. Если на пути переносимого песка встречаются скальные поверхности, то происходит корразия. Ветер создает эоловый песчаный рельеф: барханы, продольные песчаные гряды. На берегах морей, озер образуются песчаные дюны. С деятельностью ветра связано образование лесса.
3. Тангемерийные движения земной коры
Земная кора является верхней твердой оболочкой Земли. Её развитие протекает во взаимодействии с подстилающей мантийной оболочкой, гидросферой, атмосферой и биосферой. Мантийная оболочка включает верхнюю, среднюю и нижнюю мантию. Земная кора и верхняя мантия образуют литосферу, нижней границей которой является кровля астеносферного слоя. В целом литосфера состоит из 20-ти перемещающихся по астеносферному слою жестких плит мощностью от 50-60 км до 200-300 км, семь из которых относятся к мегаплитам. Это Евроазиатская, Северо- и Южно-Американская, Африканская, тихоокеанская, Индо-Австралийская и Антарктическая. Границы плит фиксируются сейсмофокальными зонами по гипоцентрам землетрясений.
Земная кора характеризуется неоднородным строением по латерали и на глубину. По латерали выделяется три типа коры: континентальный, океанический и переходный между ними. Континентальная кора имеет мощность от 20 км до 70-80 км и состоит из трех слоев: осадочного, гранитно-метаморфического и ''базальтового''.
Границы между внутренними сферическими поверхностями фиксируются по изменению скорости распространения продольных сейсмических волн (Vp). Так нижняя граница земной коры определяется поверхностью Мохо, где происходит повышение Vp от 6,8 км/с в ''базальтовом слое'' до 8,2 км/с в верхней мантии.
Океаническая кора представлена ''базальтовым'' слоем мощностью от 5-15 км и осадочным мощностью около1 км.
Переходный тип земной коры характеризуется промежуточным строением, когда перемежаются блоки с субконтинентальной и субокеанической корой.
Ядрами континентов являются платформы и щиты, океанов - абис-сальные впадины. Эти геоструктуры характеризуются относительно стабильными геодинамическими обстановками, нарушаемыми внутриплитной тектоно-магматической активизацией, над ареалами конвективных потоков, так называемых "горячих точек", или "горячих пятен".
Мобильные геодинамические обстановки возникали на границах и в краевых частях континентальных и океанических плит. При столкновении плит формировались конвергентные деструктивные их границы. С раздвижением плит связаны дивергентные аккреционные границы.
Основными геодинамическими обстановками, возникающими на конвергентных границах плит, являются субдукционные и коллизионные. На дивергентных границах плит континентов и зон перехода проявлены обстановки их пассивных окраин, формирования рифтов, авлакогенов и ложе спрединговых окраинных морей; в океанах - срединно-океанических хребтов различных скоростей спрединга. В период консолидации суперконтинентов преобладали субдукционные и коллизионные обстановки.
С процессами субдукции связано формирование на континентах и в зонах перехода окраинно-континентальных вулканических поясов, островных дуг типа микроконтинентов, а в океанах - энсиматических островных дуг с корой океанического или субокеанического типа.
Коллизионные обстановки на континентах и в переходных к океану зонах детерминированы процессами столкновения континентов либо между собой, либо с островными дугами. Они проявлены орогенами гималайского и кавказского типов и обдукционными офиолитовыми поясами. Кроме того, коллизионные обстановки фиксируются в океанических и окраинных морских бассейнах образованием покровно чешуйчатых надвиговых пластин в результате обдукции при скучивании офиолитов и перекрывающих их осадков.
Поперечное положение по отношению к указанным мобильным геоструктурам занимают зоны скольжения плит вдоль трансформных (сдвиговых) разломов. При этом могли создаваться обстановки фор-мирования рифтов и зон субдукций, а также относительно коротких зон спрединга типа пул-апарт.
Реювенация континентальных плит. Формирование первичной континентальной коры, начавшееся в катархее, продолжалось в последующие геологические эпохи. Однако более 80 % существующей континентальной коры было сформировано в течение раннего докембрия (до 1,65 млрд. лет). Начиная с момента образования Моногеи, происходила неоднократная реювенация первичной коры. Согласно Д.В. Рундквисту и М.В. Минцу (1995), реювенация в геодинамической эволюции - это "совокупность региональных процессов омоложения ранее сформированной континентальной коры с новыми проявлениями магматизма, метаморфизма и рудообразования". В процессе реювенации может происходить как регенерация ранее возникших месторождений, так и образование новых - других генотипов.
Главные эпохи реювенации в разновозрастных структурах земной коры синхронны с образованием: в кеноранскую эпоху на суперкон-тиненте Моногее - гранулито-зеленокаменных зон и гранит-зеленокаменных областей; в последующие эпохи - коллизионных складчатых поясов, которые формировались в Мегагее, Мезогее, Гондване - Лавразии и Пангее соответственно в гренвильской, байкальской, каледоно-герцинской и киммерийско-альпийской эпохах реювенации.
Общий химический состав Земли отражается периодической системой элементов Д.И. Менделеева. В их размещении отмечается избирательность и неравномерность. Предположительно ядро Земли состоит в основном из железа и никеля в соотношении 10:1, что соответствует составу железистых метеоритов. Химический состав мантии идентифицируется с составом каменных метеоритов и мафит-ультрамафитовых пород.
Земная кора характеризуется присутствием полного перечня химических элементов и высокой дискретностью протекающих в коре геологических процессов.
Основными составляющими земной коры элементами являются (по массе в вес. %): кислород 47; кремний 29,5; алюминий 8,05; железо 4,65; кальций 2,96; натрий 2,5; калий 2,5; магний 1,87. Большинство из них занимают места в начале периодической таблицы.
Гидросфера включает воды (млн. м3): океанические и морские (1370), коровые (110), озер, рек и болот (2), а также ледники (21).
Земная атмосфера состоит из азота (75,5 %), кислорода (23 %), CO2 - около 0,05 %, аргона (1,28 %) и других инертных газов. Кроме того, в атмосфере неравномерно распространены пары воды, различные газы, пыль и аэрозоли.
Из большого разнообразия химических элементов биосферы, входящих в состав органических веществ, приоритетными являются O, H, C, N, Ca, Na, K, Mg, Fe, Cl.
Большая часть химических элементов в земной коре находятся в рассеянном состоянии. По данным Н.И. Софронова, учтенные запасы, то есть промышленные концентрации, важнейших металлов в месторождениях составляют незначительную долю от их общей величины в рассеянном состоянии (табл. 1).
Между средними весовыми содержаниями элементов Ск % (кларками) земной коры и геологическими запасами (Qт) этих элементов существует прямая корреляционная зависимость (рис. 5).
Таблица 1.
Геохимические запасы важнейших металлов в континентальной коре до глубины 1 км. По Н.И. Сафронову.
Металл
В рассеянном состоянии, т
В месторождениях, т
Доля запасов в место-рождениях, %
Железо
Медь
Свинец
Цинк
Никель
Кобальт
Олово
Вольфрам Молибден
Ртуть
Золото
2,1·1016
4,2·1013
6,7·1012 2,1·1013
3,3·1013 1,2·1013
1,7·1013
4,2·1011
1,2·1012 2,9·1010
2,1·109
4,3·1012
1,82·1010
1,02·1010 1,16·1010
6,0·108 5,25·107
5,0·108
1,0·108 1,0·108
3,7·107
3,15·106
2,1·10 -2 4,3·10 -2
1,5·10 -1
5,5·10 -2
1,8·10 -3 4,4·10 -4
3,0·10 -3
2,4·10 -2
8,0·10 -3
1,3·10 -1 1,5·10 -1
П р и м е ч а н и е: Кларки по А.П. Виноградову (1959), плотность пород 2,79
4. Понятие о рельефе, формы и элементы рельефа
Рельеф (от франц. "relief", от лат. "relevo" - поднимаю), - совокупность неровностей поверхности суши, дна океанов и морей, многообразных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития. Рельеф слагается из сочетающихся между собой форм - трёхмерных тел, занимающих определённые объёмы земной коры. Они ограничены двухмерными (поверхностными) элементами, или гранями (склонами, горизонтальными и субгоризонтальными поверхностями). Формы могут быть положительными, или выпуклыми (возвышенности, горы и др.), и отрицательными, или вогнутыми (котловины, речные долины и др.), простыми и сложными - осложнёнными второстепенными неровностями. В зависимости от величины форм различают рельеф нескольких порядков: мегарельеф, включающий как планетарные формы (например, материковые выступы, ложе океана), так и формы несколько меньшего порядка (горные системы, равнинные страны); макрорельеф (горные хребты, межгорные впадины, возвышенности, низменности); мезорельеф (овраги, каньоны, подводные каньоны, холмы); микрорельеф (карстовые воронки, полья, "степные блюдца" и др.); нанорельеф ( карры, борозды, норы зверей и тд.). Это деление рельефа условно, т. к. не устанавливает точных количественных границ.
Внешние признаки рельефа, характеризующие форму склонов, их сочетания, протяжённость и ориентировку важнейших орографических единиц, а также количественные характеристики рельефа (Морфометрия), не всегда могут служить надёжной основой для его комплексной оценки, поскольку нередко формы с одинаковыми внешними чертами имеют различное происхождение и развиваются по-разному. При анализе рельефа различают эндогенные рельефообразующие факторы, обусловленные внутренними силами Земли (преимущественно тектонические движения и вулканическая деятельность), и экзогенные, связанные с лучистой энергией Солнца (текучая вода, ледники, ветер, прибой волн на берегах морей и озёр, избирательное выветривание и др.). Под непосредственным воздействием силы тяжести на поверхности Земли протекают гравитационные процессы (оползни, горные обвалы и др.). Немалую роль в формировании рельефа играет также деятельность человека ( см.Геоэкология ).
Эндогенные и экзогенные процессы действуют на земную поверхность одновременно, но с различной интенсивностью во времени и пространстве. При преобладании эндогенных процессов возникают преимущественно крупные - структурные формы рельефа суши, дна морей и океанов. Образование крупнейших (планетарных) форм связано также с силами космического характера - вращением Земли, солнечно-лунным притяжением и др. Экзогенные процессы обычно формируют более мелкие ("скульптурные") формы, осложняя ими формы крупного масштаба. В зависимости от преобладания того или иного экзогенного фактора различают: флювиальные формы, обязанные своим появлением работе рек и временных потоков; ледниковые, обусловленные деятельностью современных и древних ледников; мерзлотные (криогенные); аридные, в создании которых главную роль играют процессы физического выветривания, работа ветра и др.
Области тектонического поднятия и опускания испытывают противоположные по морфологической направленности воздействия со стороны внешних процессов: возвышенные и поднимающиеся участки земной коры расчленяются, срезаются сверху и с боков, т. е. подвергаются денудации, а пониженные и опускающиеся заполняются продуктами разрушения и сноса, т. е. являются областями аккумуляции.
Преобладание тектонических поднятий над совокупным воздействием внешних сил приводит (согласно В. Пенку) к восходящему развитию рельефа, для которого характерно увеличение абсолютных и относительных высот, глубины расчленения, крутизны склонов; при восходящем развитии рельефа энергично протекают процессы речной эрозии и денудации. Пример восходящего развития рельефа - высокогорный тип рельефа, свойственный молодым горным странам (Альпам, Гималаям и др.). Перевес деструктивных экзогенных факторов ведёт к разрушению положительных элементов рельефа, к его нисходящему развитию: уменьшению абсолютных и относительных высот, появлению вогнутых форм склонов, ослаблению процессов эрозии и денудации. В горных странах нисходящему развитию соответствует среднегорный (средневысотный) тип рельефа (Урал, Аппалачи). Средневысотные горы, снижаясь, переходят в низкогорный тип рельефа (например, отдельные массивы Казахского мелкосопочника); на конечной стадии нисходящего развития формируется предельная равнина, или пенеплен. С течением геологического времени соотношение рельефообразующих факторов на каждом участке земной поверхности неоднократно изменяется, меняется и характер рельефа. Современный рельеф суши включает разновозрастные элементы со следами и восходящего, и нисходящего развития, поэтому для понимания рельефа принято рассматривать его в палеогеографическом аспекте. Так, показателем смены во времени восходящего и нисходящего развития рельефа в горах служит ярусность, изучение которой способствует выяснению истории развития горной страны в целом. Комбинация и относительная роль в рельефообразовании того или иного экзогенного фактора зависят от климата. В связи с этим размещение на Земле форм рельефа, созданных главным образом при участии экзогенных процессов, подчиняется закону географической зональности. В пределах равнинных стран суши отчётливо прослеживаются морфоклиматические зоны, соответствующие территориальной дифференциации современных экзогенных процессов. В горных странах в связи с различиями климата, обусловленными высотой над уровнем моря, выражена вертикальная морфологическая зональность, или поясность. В современном ландшафте местами наблюдается реликтовый рельеф, не свойственный современным морфоклиматическим условиям (например, ледниковые формы рельефа на Восточно-Европейской равнине представляют собой реликт эпохи плейстоценового оледенения). Выделение реликтовых форм позволяет прогнозировать направление дальнейшего развития рельефа.
Комплексы элементарных форм, сходных по внешнему облику и происхождению, называются генетическими типами рельефа.
Одна из актуальных и наиболее сложных проблем - создание генетической классификации рельефов, которая необходима для геоморфологического картографирования. В России наиболее распространённой является классификация, в основу которой положено выделение крупных генетических категорий рельефа, обусловленных преобладающим воздействием эндогенных или экзогенных рельефообразующих процессов.
Формы рельефа, в образовании которых главная роль принадлежит эндогенным процессам, относятся к морфоструктурам. В морфоструктурах четко отражаются геологические структуры земной коры. Так, платформенным геологическим структурам с горизонтальным залеганием слоев в рельефе соответствуют главным образом равнинные области, а складчатым структурам - горные страны. Более мелкие формы рельефа, имеющие преимущественно экзогенное происхождение (речные долины, овраги, барханы, моренные гряды и др.), выделяются как морфоскульптуры.
Генетическим изучением рельефа занимается геоморфология. Результаты изучения рельефа находят применение при решении задач мелиорации, инженерно-технических изысканиях, поисках полезных ископаемых и др.
Рис.. Формы микро- и мезорельефа, связанные с мерзлотой в четвертичных отложениях
(по С.Г. Бочу): а - нагорные террасы; б - курум; в - каменный поток; г - каменные гирлянды; д - солифлюкционные (натечные) террасы; е - солифлюкционный вал (вал пучения); ж - скольжение камня по переувлажненному грунту; з - каменные полосы; и - ячеистые формы структурных грунтов; к - крупнобугристый рельеф; л - трещинные морозные полигоны (ледяные клинья); м - мелкобугристый рельеф; н- полигональные (текстурные) группы