§ 10. ПРОЦЕСИ В НАДРАХ І НА ПОВЕРХНІ ЗЕМЛІ
Геологічні процеси. Усі природні процеси, що спричиняють зміни в складі та будові земної кори, а також формують рельєф земної поверхні, називають геологічними процесами. Одні з них зароджуються в надрах Землі й називаються внутрішніми, або ендогенними. Інші діють на земній поверхні. Їх називають зовнішніми, або екзогенними (мал. 41).
Мал. 41. Геологічні процеси та їхні наслідки
Процеси в надрах Землі, їхні наслідки. Найзначніші перетворення земної кори та рельєфу пов’язані з перебігом внутрішніх процесів. До них належать тектонічні рухи, магматизм та метаморфізм. Унаслідок цих процесів формуються планетарні, або мегаформи (материки й западини океанів), та основні (макроформи) рельєфу (рівнини, гори, глибоководні жолоби). Під дією внутрішніх процесів виникли гірські породи магматичного та метаморфічного походження.
Тектонічні рухи. Небезпека сейсмічних процесів. Тектонічні рухи – переміщення шарів гірських порід, що спричиняють зміни рельєфу. Джерелом енергії тектонічних рухів є внутрішнє тепло Землі, яке надходить на поверхню найінтенсивніше в районі океанічних рифтів. За швидкістю перебігу та наслідками розрізняють рухи вікові та розривні. Вікові тектонічні рухи дуже повільні. Щоб помітити їхні наслідки, необхідний великий проміжок часу. Їх фіксують за допомогою спеціальних приладів. Розрізняють горизонтальні й вертикальні вікові рухи літосфери. Внаслідок горизонтальних рухів в одних місцях планети відбуваються зіткнення літосферних плит й утворюються складчасті гори, в інших – розходження й формуються з потоків лави серединні океанічні хребти. Вертикальні тектонічні рухи із часом стають помітними на узбережжях морів та океанів. Так, наприклад, свідченням вертикальних рухів в Україні є залишки давньогрецького міста Херсонеса у Криму, наполовину затопленого водами Чорного моря. Вивчення напрямків і швидкості вікових вертикальних рухів важливе під час будівництва морських портів, для безпечного судноплавства та ін.
Розривні рухи тривають лише кілька секунд, але іноді мають катастрофічні наслідки. Одним з проявів розривних рухів у літосфері є землетруси – підземні поштовхи та коливання земної поверхні, що спричинені розривами гірських порід на різній глибині в літосфері (гіпоцентрі) та подальшим їхнім зміщенням. Від гіпоцентру землетрусу радіально поширюються коливання – сейсмічні хвилі (мал. 42). Найсильніші поштовхи й найбільші руйнування відчуваються в епіцентрі – точці на земній поверхні саме над гіпоцентром. Силу землетрусів оцінюють за допомогою шкали Ріхтера або 12-бальної сейсмічної шкали інтенсивності. Під час найсильніших землетрусів у епіцентрі розтріскується земна поверхня, річки змінюють напрямок течії, а предмети підкидаються у повітря. Під час підводних землетрусів утворюються хвилі цунамі. У відкритому океані зовні їх не відрізнити від звичайних хвиль. Але досягши прибережної обмілини, вони перетворюються на велетенський вал висотою 20-60 м. Така хвиля може знести все на своєму шляху.
Мал. 42. Поширення сейсмічних хвиль під час землетрусу
Магматизм. Небезпека вулканічних процесів. На краях літосферних плит проявляється магматизм – процес утворення магми в астеносфері та її руху до поверхні. За хімічним складом магма являє собою розплавлену масу сполук Силіцію з домішками різних металів (заліза, алюмінію, магнію тощо), насичену газами. Температура магми коливається в межах 500-1500 °С. Розрізняють внутрішній та зовнішній магматизм, або вулканізм. Унаслідок внутрішнього магматизму магма застигає в надрах Землі, де утворюються глибинні магматичні тіла різної форми та розмірів – інтрузії (мал. 43). Вони складені з глибинних (вкорінених) магматичних гірських порід. Більшість з них є корисними копалинами: граніти, лабрадорити, залізні руди, руди кольорових металів.
Мал. 43. Магматизм та його види
Вулканізм проявляється тоді, коли розплавлена магма під сильним тиском прориває земну кору й виливається на денну поверхню. Діючими вважають вулкани, які хоч раз за пам’яті людства вивергалися. Згаслі вулкани вивергалися в доісторичні часи. Під час виверження вулкана з кратера виливається розплавлена маса гірських порід – лава. Вона являє собою магму, що вийшла на поверхню й звільнилася від газів. Із застиглої лави утворюються поверхневі магматичні гірські породи (базальт, пемза). Крім лави з кратера вивергаються й тверді продукти: вулканічні бомби, вулканічне каміння (лапілі), вулканічний попіл, шлаки – застиглі у польоті бризки лави, переповнені газовими бульбашками. З кратера також виходить багато вулканічних газів, більшість яких отруйні: вуглекислий та чадний гази, сполуки Сульфуру й Нітрогену тощо. У вулканічних газах багато водяної пари. Під час сильних вивержень вулканів припиняють авіаційні польоти, евакуюють людей. У період затухання вулканічна діяльність повністю не припиняється, а переходить в іншу форму. Тисячі й навіть мільйони років можуть тривати постмагматичні явища: гейзери, гарячі джерела, викиди струменів газів і пари. У цих місцях зводять екологічно чисті геотермальні електростанції.
• 1. За тектонічною картою світу прослідкуйте закономірності поширення сейсмічних і вулканічних явищ. Назвіть діючі вулкани, що приурочені до різних сейсмічних поясів Землі. 2. На основі зіставлення тектонічної карти та карти густоти населення світу зробіть висновок про вплив внутрішніх геологічних процесів на розміщення населення.
Потужні поштовхи та виверження вулканів трапляються на краях літосферних плит, у т. зв. сейсмічних поясах. Надпотужні землетруси тут повторюються раз на 150-300 років. На Землі виокремлюють три великі сейсмічні пояси: Тихоокеанський, Альпійсько-Гімалайський, і Серединно-океанічний, який охоплює систему розломів вздовж серединно-океанічних хребтів у Світовому океані. На дні Океану вулкани поширені навіть у центральних частинах літосферних плит. Оскільки океанічна земна кора значно тонша, ніж материкова, гаряча речовина астеносфери легко пропалює її. Через те там виникають вулканічні хребти, які часто виходять на поверхню води, утворюючи острови, наприклад Гавайські в Тихому океані.
В Україні трапляються землетруси силою 6-8 балів у Карпатах і Кримських горах. У горах України, що зазнали давнього вулканізму, поширені вулканогенні форми рельєфу. Наприклад, це Вулканічний хребет у Карпатах, вулкан Карадаг у Криму. З вулканічною діяльністю в минулі геологічні ери пов’язані також грязьові вулкани Керченського півострова.
Метаморфізм. Ще одним внутрішнім геологічним процесом є метаморфізм (від грец. перетворення) – перетворення гірських порід у надрах Землі. Там вони зазнають впливу високих температур, великого тиску, а також гарячих хімічних розчинів і газів, які просочуються в прилеглі до магми шари. При цьому магматичні або осадові гірські породи змінюють свої властивості й перетворюються на нові – метаморфічні. Так, з вапняку виникає мармур, з пісковику – кварцит, з глини – глинистий сланець, з граніту – гнейс, з вугілля – графіт. Метаморфізм триває дуже довго: впродовж десятків і сотень мільйонів років.
Процеси на поверхні Землі, їхні наслідки. На формування рельєфу значний вплив чинять зовнішні (екзогенні) процеси, що відбуваються на денній поверхні та у найвищих шарах земної кори. Вони формують нові, мезо- та мікроформи рельєфу. До зовнішніх процесів належать вивітрювання, робота поверхневих текучих вод, підземних вод, льодовиків, робота вітру, морів та озер. Їхній перебіг зумовлений такими потужними силами, як енергія Сонця, сила земного тяжіння, життєдіяльність організмів. Залежно від процесу, що формує нерівності, виділяють різні генетичні (тобто різні за походженням) типи рельєфу. В усіх зовнішніх процесах здійснюється геологічна робота трьох видів: руйнівна, транспортна (перенесення зруйнованих гірських порід) та акумулятивна (накопичення та відкладання зруйнованого матеріалу в іншому місці). Під дією зовнішніх процесів сформувалися гірські породи осадового походження: уламкові (щебінь, пісок, глина), органічні (вугілля, крейда, нафта, природний газ), хімічні (кухонна та калійна солі, гіпс).
Вивітрювання. Процес руйнування та хімічної зміни гірських порід під дією зовнішніх чинників називають вивітрюванням. Розрізняють три види вивітрювання: фізичне, хімічне й органічне. Фізичне вивітрювання відбувається під впливом різких коливань температури повітря. Під час нагрівання вдень гірські породи розширюються, а вночі різко охолоджуючись, стискаються. Тому із часом вони розтріскуються на окремі частини: спершу на великі (брили), а згодом на менші (щебінь, гравій) й ще менші (пісок, глина). Хімічне вивітрювання зумовлене впливом на гірські породи повітря та води. При цьому породи не лише подрібнюються, а й змінюють свою хімічну природу. Так, наприклад, на Українському щиті, в місцях виходу гранітів, під дією хімічного вивітрювання протягом мільйонів років їх поверхня перетворилася на білу глину (каолін). Органічне вивітрювання відбувається за участі живих організмів: лишайників, грибів, бактерій, рослин. Унаслідок їхньої дії також відбуваються подрібнення та зміна хімічного складу гірських порід. Зазвичай усі три види вивітрювання діють одночасно, але залежно від кліматичних умов якийсь з них переважає. Внаслідок цих процесів формується кора вивітрювання – товща пухких порід, яка складена з перемішаних уламків різних розмірів з гострими краями. У корі вивітрювання залягають осадові уламкові гірські породи, зокрема марганцеві та алюмінієві руди, розсипи золота, алмазів, природна жовта фарба охра та інші. Під дією вивітрювання та сили тяжіння формуються денудаційні (від лат. denudo – оголюю) форми рельєфу: осипища, обвали, пасма, вали, уступи.
Робота поверхневих текучих вод. Поверхневі текучі води поділяють на постійні та тимчасові. Руйнівну роботу води називають водною ерозією. До постійних водотоків належать річки, які формують своєю течією річкові долини. Тимчасові води виникають після кожної сильної зливи або під час танення снігу. У горах за безконтрольного зведення лісів можливе виникнення катастрофічних явищ – селів. Сель (з араб. сейль – бурхливий потік) – потоки грязі та каміння, що раптово з величезною швидкістю (5 м/с) сходять з гір. Селі заливають будівлі, дороги, орні землі, спричиняють людські жертви. Для боротьби із селями насаджують дерева, на гірських річках створюють спеціальні загати. Час від часу виникають селі в Українських Карпатах.
Найбільше зазнають ерозії русловими потоками схили пагорбів, позбавлені рослинності, які складені з пухких гірських порід. Там утворюються численні водно-ерозійні форми рельєфу: борозни, вимоїни, яри, балки (мал. 44).
Мал. 44. Яр (1) та балка (2)
• За мал. 44 пригадайте різницю між яром і балкою.
Такі форми рельєфу часто трапляються в Україні через значні коливання висот, що сприяє утворенню водотоків, достатню вологість клімату та наявність на поверхні осадових порід, що легко розмиваються водою.
Робота підземних вод. Небезпека гравітаційних (зсувних) процесів. Результатом роботи підземних вод є карстові та суфозійні форми рельєфу. Процес карсту – це розчинення у воді деяких гірських порід: вапняків, гіпсу, крейди, солей. Внаслідок цього на поверхні формуються порожнини: карстові борозни (кари) та карстові лійки. У місцях їхнього інтенсивного поширення виникають карові поля. Підземні порожнини такого самого походження зі сталактитами та сталагмітами називають карстовими печерами. В Україні розташована найдовша в світі гіпсова печера Оптимістична. Суфозія (від лат. suffosio – підкопування) – процес винесення дрібних часточок породи на малих глибинах, що супроводжується просіданням ґрунту. Так утворюються поди – пологі западини округлої або овальної форми. В Україні їх називають степовими блюдцями (мал. 45).
Мал. 45. Степове блюдце
Внаслідок роботи підземних вод і сили земного тяжіння виникають зсуви (мал. 46). Це дуже поширене в Україні явище вздовж високого правого берега Дніпра та узбереж морів. Зсуви – це сповзання сходинками незакріплених шарів гірських порід разом з рослинністю. Зсуви руйнують дороги, будови. Для запобігання зсувам укріплюють схили, висаджують дерева, відводять ґрунтові води.
Мал. 46. Будова зсуву
Робота вітру. Створені роботою вітру форми рельєфу називають еоловими. Руйнівна робота вітру (вітрова ерозія) полягає у видуванні пухких порід або обточуванні твердих. Внаслідок процесу видування (дефляції) виникають ніші видування, здіймаються пилові та чорні бурі, які руйнують поверхневий шар земної кори та ґрунту. Такі явища спостерігаються на півдні України. Обточування (коразія) відбувається під час тертя та шліфування твердих порід дрібними піщинками під час їхнього пересування в повітрі. При цьому виникають фігурні скелі – химерні витвори вітру, які нагадують то фігуру людини, то тварину, то казкові палаци. Унаслідок акумулятивної роботи вітру в пустелях нагромаджуються величезні бархани, а на узбережжях морів і річок – значно менші дюни (мал. 47). Рухаючись, вони здатні завдавати великих збитків: засипають дороги, сади, поля, житло людей. Щоб припинити їхнє пересування, на пологих схилах висаджують дерева або чагарники.
Мал. 47. Бархани (1) та дюни (2)
Робота льодовиків. Помітний слід у формуванні геосистем залишили давні епохи зледеніння, а саме льодовикові та водно-льодовикові форми рельєфу. Сповзаючи з гір, льодовики виорюють пухкі гірські породи, згладжуючи поверхню. Льодовиковий язик, переносячи уламки твердих гірських порід, тре їх об поверхню, стираючи гострі краї. Так формується морена, або льодовикові відклади, що складаються з перемішаних обточених уламків різних розмірів: від величезних валунів до дрібної гальки, гравію та піску. Обточені кригою останці твердих скель з великою кількістю подряпин називають баранячими лобами (мал. 48), а їх значні скупчення – кучерявими скелями. Якщо льодовик рухається руслом річки, то утворюються троги – широкі коритоподібні річкові долини. При виході на рівнину, де починається танення льоду, відбувається акумуляція морени у формі різних льодовикових форм рельєфу: так формуються ози – довгі, висотою у кілька десятків метрів пасма; ками – округлі вали, висотою 6-12 м; величезні пагорби (до 45 м заввишки) друмліни тощо.
Мал. 48. Баранячі лоби в Коростені на річці Уж
Тала вода льодовиків переносить найдрібніші часточки гірських порід на великі відстані (пісок, глину, пил) та відкладає їх. Так утворюються зандри (ісл. sandr – пісок) – піщані рівнини. В Україні в післяльодовикову епоху утворилася особлива суглиниста гірська порода лес, на якій сформувалися родючі чорноземні ґрунти.
Робота моря. Внаслідок геологічної роботи моря сформувалися берегові форми рельєфу. Руйнівна робота моря – абразія – зумовлює формування прибережних урвищ, які називають кліфами. Прибійна хвиля постійно руйнує берег, і кліф відступає в бік суходолу. Завдяки акумулятивній роботі моря намиваються пляжі та коси. Довгі коси називають стрілками. Зокрема, Арабатська стрілка в Азовському морі тягнеться з півночі на південь на 113 км. Якщо морські відклади накопичуються на певній відстані від берега та йдуть паралельно йому, то утворюються бари. Море виконує велику роботу не лише біля берега, а й на глибинах. На дні відкладаються різні осадові гірські породи як органічного походження (вапняки, фосфорити), так і уламкового (пісок, галька) й хімічного (кухонна сіль). Часто морські відклади містять залізні та марганцеві руди органічного походження, що мають форму кульок – конкрецій.
1. Назвіть внутрішні та зовнішні геологічні процеси. Порівняйте наслідки їхньої дії. 2. Поясність механізми виникнення землетрусів і вулканів. Оцініть їхнє значення для розселення людей та розміщення об’єктів господарської діяльності. 3. Поясніть, як формуються зсуви. Запропонуйте комплекс заходів для протидії появі й розвитку зсуву. 4 * . Оцініть роль геологічних процесів щодо розміщення населення та напрямів його господарської діяльності.
Корисні копалини: фосфорит
Фосфорити. Серед глин, пісків, рідше — серед вапняків, які зустрічаються сірувато-чорні камені у вигляді округлих желваків найрізноманітнішої форми і розмірів. Забарвлення каменів буває іноді нерівна, плямиста.
Якщо гарненько потерти їх один про одного, то відчувається характерний запах паленої кістки. Такий же запах відчувається і при розколюванні цих каменів. Вони називаються фосфоритами, так як містять у своєму складі фосфор (по-грецьки «фосфорос» — світлоносний).
Крім темна фосфоритів, про яких ми говорили вище, значно рідше зустрічаються фосфорити майже білі, нагадують крейда, і навіть червонувато – коричневі. Поверхня фосфоритів буває бугристо-нерівною. Злам нерівний. У кулястих скупчення (конкреціях), якщо їх розбити, помітно променисте будова. Крім щільних фосфоритів, зустрічаються і землисті. Твердість — від 1 до 6.
Речовина фосфорита нерідко грає роль ” цементу, що зв’язує пісок і інші мінеральні речовини в суцільні маси. Ці щільні освіти залягають на значних територіях і називаються фосфоритовими плитами, як, наприклад, курська і рязанська «плити». Звичайні домішки у фосфоритах — пісок, глина і вапно.
Всередині желваків фосфоритів зустрічаються раковини або інші залишки тварин організмів. Це говорить про те, що фосфорити за своїм походженням є биолитами, тобто породами, що утворилися, як ми вже говорили вище, у результаті життєдіяльності організмів.
Фосфор входить до складу скелету тварини у вигляді кальцієвої солі фосфорної кислоти. Тваринні організми в процесі своєї життєдіяльності виділяють фосфор частково і в своїх покидьках, після ж смерті фосфорні сполуки зберігаються у вигляді кісткових залишків.
Речовина фосфорита часто заповнює форми кісток і інших органічних залишків. Подібні утворення називаються псевдоморфозами (давньогрецькою «псейдос» — брехня, а «морфе» — форма, в цілому — помилкова форма). Псевдоморфоза являє заміщення одним мінеральною речовиною іншої речовини. Речовини, що входять до складу одного мінералу (в даному випадку кістки), були розчинені, вимиті, і замість них відклалися в дану форму (кістки, кристала і т. п.) інші речовини.
Зустрічаються псевдоморфозы кісток найдавніших тварин, раковин, стовбурів дерев тощо Фосфорити ці утворилися з водних розчинів, що містять сполуки фосфору (фосфати). Це підтверджується тим, що відкладення фосфоритів знаходять серед мілководних морських опадів минулих геологічних епох.
ЯК УТВОРИЛИСЯ МІНЕРАЛИ ТА ГІРСЬКІ ПОРОДИ
Гірські породи утворюються в різноманітних умовах. Одні — під час застигання магми в земній корі, другі — унаслідок відкладання речовин на дні морів та океанів (осадові), треті — з решток живих істот, четверті — у результаті руйнування інших гірських порід, п’яті — під дією високих температур і тиску на великих глибинах тощо (мал. 5.2).
Мал. 5.2. Таємниці утворення гірських порід
У земній корі до глибини 16 км співвідношення гірських порід приблизно таке: 60 % припадає на магматичні, 32 % — на метаморфічні й 8 % — на осадові. Водночас майже 76 % поверхні Землі й дна водоймищ укрито крихкотілими шаруватими гірськими породами осадового походження. Найпоширеніші з них — глини та глинисті породи, частка яких у відкладах становить 76 %, частка пісків, піщаників, вапняків та інших — 25 %. Отже, земна кора складена переважно з гірських порід, які формувалися під час охолодження та кристалізації магми в тріщинах, що проникають у літосферу. Магма, яка не змогла просочитися на поверхню, сформувала такі крупнокристалічні гірські породи, як габро, граніт, діорит, унаслідок її повільного охолодження та кристалізації. Натомість магма, яка потрапила назовні, унаслідок швидкого охолодження утворила дрібні кристали — базальт, ліпарит, андезит.
Щодо осадових порід, то вони в літосфері Землі утворилися в різні способи: уламкові виникли в результаті руйнування піску, пісковиків і глини, хімічні сформувалися завдяки різним хімічним реакціям у водних розчинах — гіпс, кам’яна сіль, фосфорити. Органічні утворені рослинними й вапняними рештками — крейдою, торфом, вапняком, вугіллям.
Деякі породи виникли через повну або часткову зміну їхнього складу: граніт трансформувався в гнейс, пісковик — у кварцит, вапняк — у мармур.
У природі відбувається постійний коловорот гірських порід — неперервний процес перетворення одних порід в інші (мал. 5.3.). Упродовж одного циклу гірська порода послідовно проходить такі стадії: розплав (магма), виливання магми й утворення магматичної породи, вивітрювання й ерозія, перенесення уламків, осідання (седиментація), діагенез і формування осадової породи, метаморфізація в результаті стиснення та підігрівання й знову розплавлення та утворення магми в глибинах Землі.
Мал.5.3.1. Цикл перетворення гірської породи: 1 — магма; 2 — кристалізація; 3 — магматичні породи; 4 — ерозія; 5 — седиментація; 6 — відклади й осадові породи; 7 — тектонічне занурення та метаморфізм: 8 — метаморфічні породи; 9 — плавлення
Мінерали є не лише в надрах Землі, вони входять до складу всього живого, включно з людиною.
Біомінерали — це мінерали, які утворені організмами або за їхньої участі. Їх вивчає біомінералогія.
Об’єктом цієї науки є утворення, що складаються з мінеральної та органічної речовини, що виникли в біосфері та створені в організмі за його участі чи в результаті заміщення відмерлої органічної речовини мінеральною. Формування таких утворень відбувається в процесі метаболізму (обміну речовин) в організмах, унаслідок процесів вільного відкладення речовини з водних систем, реакцій різних викидів організму з довкіллям, а також перетворень відмерлої органічної речовини. Практично завжди такі утворення не є чисто мінеральними, а містять органічну речовину, при цьому між мінеральною та органічною речовинами є певні співвідношення — органо-мінеральні агрегати (ОМА) біогенного походження.
Натепер відомо понад 300 біомінералів різного походження. До них належать: біомінерали-організми (наприклад, кристалічні віруси); фізіомінерали — біомінерали, сформовані в організмах; біомінерали, які організми у вигляді продуктів життєдіяльності виділяють у навколишнє середовище; біопсевдоморфні мінерали тощо. Також вони є складниками організмів як конструкції (будовотвірні компоненти) — містяться в скелетах, зубах, панцирах тощо. Понад 50 мінеральних видів виявлено в організмі людини та тварин, 60 — у рослинах, 30 — у найпростіших організмах.
Більшість мінералів — це кристалічні утворення, незначна частина їх трапляється в аморфному стані. Організм не використовує жоден з мінералів у кристалічному стані. Перед тим, як включитися у фізіологічний процес, мінеральна речовина обов’язково руйнується (розчиняється), переходить у йонну або молекулярну форму.
Біомінерали складаються зі сполук Карбону, Гідрогену, Оксигену, Сульфуру, Фосфору, Нітрогену та води. Вони представлені фосфатами, оксидами, сульфідами, карбонатами.
Окрім неорганічних утворень біологічних процесів нормального метаболізму (зуби, кістки скелету, шкаралупа пташиних яєць тощо), виокремлюють також утворення патологічного функціонування організму, тобто патогенне біомінералоутворення в органах й тканинах людини — камені сечової системи, жовчного міхура, слинні та зубні камені тощо.
Мал. 5.4. Приклади патогенного біомінералоутворення в організмі людини: а — сечові камені; б — ниркові камені; в — жовчні камені; г — слинні камені; д — зубні камені