Глава 5. История геологического развития

 

Геологическая история района восстанавливается на основании формационно-фациального и геодинамического анализа разновозрастных породных ассоциаций, слагающий три структурных этажа.

Каменноугольное время и, в частности, ранний карбон, были последним эпизодом стояния морского режима на территории Томского района в палеозое. В эту эпоху материк Гондвана соединился с Лавразией, образовав единый гигантский континент. Ангарида и Казахстан также соединились в единое целое, отделяясь от Лавразии узким проливом, соответствующим нынешнему Уралу [11].

Осадконакопление в Томском районе происходило в прибрежных и мелководно-морских условиях в пределах шельфа. Для обломочного материала песчано-алевритовых пород нижнего карбона типичны слабая окатанность и значительная свежесть компонентов. В составе обломков, наряду с кварцем, присутствуют очень «свежие» зерна кислых полевых шпатов.

Наличие в породах лагерносадской толщисвиты косой, пористой и перекрестной слоистости, знаков волновой ряби, указывают на мелководные условия накопления осадков.

В пермском периоде все континенты земли собрались в единый материк Пангею, а водная оболочка состояла из внутреннего океана Тетис и крупнейшего океана планеты Панталлас. Территория Томского района в это время представляла собой сушу. Предполагается что в позднепермское время здесь проходили коллизионные процессы с формированием шарьяжно-складчатых структур, внедрением гранитоидов приобского и барлакского комплексов и, по-видимому, образованием сводового поднятия. Последнее событие подтверждается наличием верхнепермских грубообломочных отложений, вскрытых буровыми скважинами в центральных и северных районах Томской области [5].

Возникновение дайкового комплекса связывается с неразвитым пермо-триасовым континентальным рифтогенезом [5].

В неогеновый период сформировались современные очертания континентов, возникли новые ланшафтно-климатические обстановки – тайга, лесостепь и тундра. На территории Томского района в озерно-речных условиях происходило формирование абросимовской свиты, которая с размывом залегает на олигоценовых лагернотомских отложениях [4].

ЧАСТЬ II. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Глава 6. Процессы выветривания

Выветривание представляет собой совокупность процессов физического разрушения и химического разложения минералов и горных пород на месте их залегания, вызванных колебаниями температуры или воздействием воды, газов (кислорода или углекислоты, которые находятся в атмосфере или растворены в воде), биохимическим воздействием организмов в процессе их жизнедеятельности и продуктов их разложения после отмирания. В верхней части земной коры, где горные породы находятся в условиях тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой, они претерпевают значительные и разнообразные изменения в своем составе и состоянии. Преобладающее большинство горных пород образовалось в специфических термодинамических условиях – в глубине Земли, в зонах активности магмы и процессов метаморфизма, или же на дне моря. Попадая на поверхность, они оказываются в новой физико-химической обстановке, становятся неустойчивыми и под воздействием различных факторов начинают разрушаться. Это изменения горных пород протекает различно. В одних случаях оно сводится к распадению горных пород на обломки различной величины или даже на отдельные составляющие ее минералы. В других случаях под влиянием ряда химических агентов происходит коренное изменение минералов и горных пород с появлением совершенно новых, отличных от первоначальных минералов. В зависимости от факторов, воздействующих на горные породы, и результатов этого воздействия процессы выветривания с некоторой условностью подразделяются на три типа.

 

Физическое выветривание

Физическое выветривание вызывается разнообразными причинами, однако решающая роль принадлежит факторам, обуславливающим механическое движение частиц породы. Это приводит к нарушению взаимного сцепления составных частей горных пород. В зависимости от природы воздействующего фактора, характер процесса разрушения горных пород при физическом выветривании будет каждый раз особым. В одних случаях движение происходит внутри самой горной породы без участия внешнего механически действующего фактора. Сюда относится изменение объема составных частей породы, вызываемое изменением температуры. В других случаях расчленение горных пород происходит под механическим воздействием посторонних факторов – раскалывающее действие замерзающей воды, растущих кристаллов, корневой системы деревьев и т.д. Такое явление может быть названо механическим выветриванием.

К физическому выветриванию относятся температурное и механическое выветривание.

Температурное выветривание наиболее распространено и происходит под воздействием колебания температур, вызывающих неравномерный нагрев и охлаждение горных пород. Минеральные зерна, слагающие горные породы, при этом попеременно испытывают то расширение, то сжатие. Расширения породы, возникающие в результате нагревания, более интенсивно сказываются в поверхностных частях, чем во внутренних. То же самое происходит и при охлаждении. Сжатие горных пород, вызванное очным охлаждением, распространяясь от поверхности в глубину, встречается с осадочным расширением их от дневного нагревания, что еще больше способствует разрушению породы. В результате этого часто наблюдается появление трещин, параллельных поверхности глыб, и отслаивание от них верхних частей в виде чешуек.

Физическое выветиривание основных магматических пород, в виде шаровой отдельности, мы наблюдали в д. Заварзино (рис. 11, Приложение 4).

 

 

Рисунок 11 - Шаровая отдельность даек эссексит-диабаза, д. Заварзино

(фото Сумароков А.О., июль 2017 г.)

 

Механическое выветривание представляет собой процесс, при котором разрушение горных пород происходит под механическим воздействием посторонних факторов – замерзающей воды, корней растений, роющих животных, кристаллизации солей и тому подобное. Особенно велика разрушающая роль замерзающей воды, когда вода попадает в поры и трещины горных пород, а потом замерзает, она увеличивается в объеме примерно на 10 %, производя при этом огромное давление на стенки трещин (до нескольких сотен кг на 1 см²). Такая сила легко преодолевает сопротивление горных пород на разрыве, и они раскалываются на отдельные обломки. Это явление часто называют «морозное выветривание».

Процессы физического и химического выветривания можно хорошо наблюдать на примере обнажения – мыс «Боец» в Лагерном саду (осадочные и метаморфические породы, образованные под влиянием высоких температур, давления и других факторов, сложенные реликтами древних и современной коры выветривания).

Химическое выветривание

Химическое выветривание представляет собой результат взаимодействие горных пород наружной части литосферы с химически активными элементами атмосферы, гидросферы и биосферы. К химическому выветриванию относят: растворение, окисление, карбонатизация, восстановление. Крайняя стадия химического выветривания - это формирование каолиновых кор выветривания.

С конца палеозоя и почти весь мезозой на территории Томска существовали постепенно разрушающиеся горы, что повсеместно привело к формированию мощных каолиновых кор выветривания в меловое и палеогеновое время (рис. 12).

 

 

Рисунок 12 - Мел-палеогеновая кора выветривания глинистых сланцев,

сложенная белыми каолиновыми глинами на правом берегу р. Томь,

район Лагерного сада, мыс «Боец» (фото Шептухина А.В., июль 2017 г)

 

Растворение происходит под действием воды, стекающей по поверхности выхода горных пород или просачивающейся через ее трещины и поры. При этом она избирательно выносит из породы только некоторые вещества.

Окисление и гидратация. Окислению подвержены в первую очередь минералы, содержащие железо, серу, ванадий, марганец, никель, кобальт и другие легко соединяющиеся с кислородом элементы. Факторами окисления являются кислород воздуха и вода. В присутствии влаги закиси металлов, входящие в состав горных пород и минералов, легко переходят в окиси, сульфиды – в сульфаты и т.д.

Карбонатизация представляет собой процесс присоединения углекислоты к продуктам изменения горных пород, приводящий к образованию карбонатов кальция, железа, магния и других металлов. Подавляющее большинство карбонатов довольно хорошо растворимо в воде и поэтому выносится ею из формирующейся коры выветривания в подстилающие породы, где часть из них переотлагается, образуя конкреции.

Восстановление является процессом, обратным окислению, и заключается в потере вещества части или всего содержащегося в нем химически связанного кислорода. В условиях болот все поры пород и покрывающей их рыхлой коры выветривания заполнены водой, в которую за счет отмирания болотной растительности поступает много органических веществ. Все они являются сильными восстановителями, так как легко соединяются с кислородом при своем разложении. В результате этого окись железа переходит в закись, гидраты которой имеют зеленый цвет. Возникает серо-зеленая или слизистая глинистая масса, подстилающая обычно торфяники и называемая глеем.

Томь-Колыванская складчатая зона, а также все восточное и юго-восточное обрамление Западно-Сибирской низменности служили областями сноса разнообразных, в том числе и рудных, компонентов. Химические элементы железных, марганцевых, фосфорных и др. руд переносились в основном поверхностными водами – ручьями и реками. За счет гниения растительности воды рек насыщались органическими кислотами, что усиливало процесс переноса вещества. Наиболее вероятной формой миграции железа и других компонентов были коллоидные растворы, стабилизированные гумусовыми веществами. Растворы транспортировались водотоками в мелководный морской бассейн, существовавший на месте Западно-Сибирской низменности.

Биохимическое выветривание

 

В химическом разложении первичного вещества участие принимают не только сугубо химические соединения, находящиеся в природных водах в коллоидной форме или в форме истинных растворов, но и химические кислоты и соединения, полученные в результате жизнедеятельности организмов. Таким образом, выявляется величайшая роль живого вещества в преобразовании горных пород. Впервые понятие о живом веществе в науку ввел акад. В.И. Вернадский. Он считал, что живое вещество является аккумулятором и перераспределителем солнечной энергии. Согласно его представлению, которое было поддержано и глубоко разработано целыми поколениями ученых, под влиянием солнечной энергии живое вещество создает новые химические соединения и производит в огромных масштабах биохимическую работу.

Биохимическое воздействие на горные породы начинается с момента первого появления на скальных породах микроорганизмов, лишайников и мхов. В результате механического действия и от выделяющихся в процессе их жизнедеятельности веществ на поверхности породы появляются трещины и углубления, которые заполняются после их отмирания сухим органическим веществом. Оно служит основой для жизнедеятельности высших растений, которые в последующем заполняют эти места. Таким образом, первичные поселенцы как бы подготавливают основу для последующего заселения.

Роль организмов в выветривании заключается в том, что они в процессе своего роста извлекают из породы необходимые для своей жизнедеятельности элементы, но одновременно своими корнями разрушают саму породу. К числу биогенных элементов относятся Р, S, К, Са, Mg, Na, Sr, В, Fe, Si.

При анализе зольного остатка растений выявлено, что в растениях содержится в десятки раз больше фосфора и серы, чем в субстрате, в несколько раз больше Са, Mg, Sr и ряда микроэлементов. Вместе с тем присутствие в золе кремния и алюминия свидетельствует о том, что растительность на скальных породах нарушает связь между кремнеземом и глиноземом, а ведь связь Si0₂ с А1₂0₃ одна из самых прочных в кристаллической решетке алюмосиликатов. Вместе с тем давно замечено, что организмы не только извлекают из коренных пород элементы, разрушая их, но и своей деятельностью создают определенные биогенные соединения, например, кремнийорганические соединения.

Кроме того, роль биохимического выветривания состоит в том, что часть организмов в процессе своей деятельности создают кислую среду, выделяя органические кислоты, под действием которых ускоряется процесс выветривания. В процессе преобразования отмершего органического вещества образуются углекислота и органические кислоты, которые значительно усиливают растворение и гидролиз породообразующих минералов. Интенсивность биохимического выветривания зависит от величины биомассы. Ее в тропическом климате (во влажных тропических лесах) на порядок выше, чем в таежной области (2,6 и 0,35-0,55 кг/м² соответственно). Вследствие высокой концентрации растительного опада в тропических влажных (в гумидных) областях почвенная среда кислая и, таким образом, агрессивные воды достаточно легко разрушают кристаллохимические связи.

Следовательно, биохимическое выветривание состоит из двух процессов: механического разрушения коренных пород или физического выветривания и химического разложения обломков и зерен.