+. Подобное строение характерно для минералов группы слюд (мусковита, биотита, флогопита) и сохраняется в производных от них образованиях — иллитах (гидрослюдах). Жесткость сцепления обеспечивается сильным отрицательным зарядом трехэтажных пакетов у всех этих минералов, который как раз и нейтрализуется калием. В отличие от слюд у иллитов кнопки расставлены далеко не равномерно, т. е. часть пакетов не пристегнуты «намертво». Там, где отсутствует К +, могут находиться молекулы воды. Именно поэтому эти минералы нередко именуют гидрослюдами. Они практически не разбухают и имеют межплоскостное расстояние около 10 Ао.
Таким образом, мы познакомились со структурой основных глинистых минералов — смектитов, каолинита, иллита и хлорита. Существует масса разновидностей этих образований, а также переходных между ними форм. Родственными являются также структуры, относимые к псевдослоистым силикатам, — палыгорскит и сепиолит. Они возникают в условиях дефицита основных строительных кирпичиков — кремния и алюминия, а поэтому отличаются игольчатой или волокнистой формой кристаллов, прекрасно идентифицируемых на электронных микрофотографиях.
Диагностируются глинистые минералы преимущественно с помощью дифрактометрии, которая является одним из методов рентгенографического анализа. Фиксируя на дифрактограммах рефлексы отражений разного порядка от внутренних поверхностей минеральных структур, ориентированных на стеклянной пластинке, легко рассчитать межплоскостные расстояния тех глинистых минералов, которые находятся в составе препарата. При этом используют целый ряд дополнительных обработок — насыщение глицерином или этиленгликолем, прокаливание до 500 °C и др., что дает возможность распознавать минералы сходного строения и состава, имеющие близкие межплоскостные расстояния, например иллит, смектит и хлорит.
В воде глины распадаются на мелкие чешуйки и микроагрегаты. Их исследуют в поле электронного микроскопа либо методом просвечивания, либо путем сканирования напыленной золотом поверхности. Многие минералы узнаются по характерным очертаниям: палыгорскит и сепиолит присутствуют в виде иголочек или волокон, галлуазит — в виде обломанных или полураскрытых трубочек, хорошо окристаллизованный каолинит — в форме шестигранных пластинок. Менее надежно диагностируются другие глинистые минералы. На электронных микрофотографиях смектит обычно представлен мелкими облаковидными агрегатами с нечетко выраженными краями. Для иллитов характерны крупные плотные агрегаты неправильной формы с четкими очертаниями.
Таковы некоторые «интимные» подробности строения минералов, входящих в состав грязи, которую мы досадливо смываем в распутицу с наших ботинок.
Известняк — кладбище древних обитателей морей и озер
Если поместить в поле оптического микроскопа шлиф, приготовленный из обломка известняка, то в поляризованном свете перед глазами исследователя предстанет скопление обломков и зерен причудливых очертаний, мерцающих бело-розовыми тонами интерференционной окраски. Впрочем, встречаются и другие разности, сложенные мелкозернистой массой зерен, ромбоэдрами кальцита или овальными в плане ооидами, погруженными в тонкозернистый матрикс, в составе которого трудно различить индивидуальные частицы.
Мир известняков чрезвычайно разнообразен. В большинстве своем это светлые и плотные породы, сложенные кальцитом и (или) арагонитом — кристаллографическими разновидностями углекислого кальция. Кальциту отвечает характерная упаковка последнего, дающая ромбоэдрическую форму кристаллов, арагониту — упаковка в виде удлиненных сростков, напоминающих кусочки древесины. Встречаются и кристаллиты игольчатой формы. Арагонит — метастабильный минерал, который при погружении в недра, а нередко и у поверхности трансформируется в кальцит или доломит (CaMgCO3).
В ту далекую эпоху, когда примитивные организмы стали переходить от хемосинтеза к фотосинтезу, основанному на разложении углекислого газа с выделением кислорода и углерода, они научились связывать избыток углекислого газа, растворенного в морской воде, с кальцием. Это приводило к образованию трудно растворимой в воде соли и переводу ее в осадок. Первыми продуцентами известковых осадков были, вероятно, предшественники современных цианобактерий, называемых еще синезелеными. Эти водоросли, одни из самых древних форм низших растений, обитают в настоящее время в глубине лагун, обрамляющих побережья в аридных поясах климата. В лагунах Мормона и Фигерса в Нижней Калифорнии колонии цианобактерий заселили среднюю и верхнюю части приливно-отливных площадок, где в результате их жизнедеятельности возникают бугорчатые подушки, сложенные выделяемым водорослями арагонитом. На вертикальном срезе через подушку можно видеть слоисто-оконную текстуру известняка, в которой плотные однородные слойки чередуются со слойками, испещренными порами и кавернами, напоминающими маленькие оконца. В одних пропластках можно заметить зерна кварца и другие минеральные примеси, в других — окрашенные в черный цвет органические включения. Каждый из слойков отвечает определенному этапу в жизни водорослевой колонии и фиксирует обычно сезонные климатические изменения. Нарастая от года к году и сливаясь друг с другом, водорослевые подушки формируют за тысячелетия значительный по толщине и протяженности массив известняка.
Разнообразные и причудливые по форме постройки создают цианобактерии на побережье залива Шарк в Западной Австралии, где они занимают обширную прибрежную полосу вплоть до зоны, заливаемой только при максимальном приливе. Хотя эти площадки защищены барами от океанской зыби, штормовые волны все же воздействуют на водорослевые постройки. Под влиянием волн и отливных течений одни из них приобретают гладкую и приплюснутую форму (нижняя часть приливной зоны), другие становятся похожими на столбы, выступающие из воды во время отлива. Эти образования, напоминающие рифы, затрудняют высадку с лодок на берег. В верхней, редко заливаемой части береговой зоны распространены бугорчатые подушки со следами явной деградации. Как считают многие исследователи, в лагуне Шарк воспроизведены условия, существовавшие 1–1,5 млрд лет назад (т. е. в докембрии) на нашей планете. От этих эпох остались мощные комплексы строматолитов — известняков водорослевого происхождения, по форме и внутренней структуре аналогичных современным водорослевым постройкам.
Многие из древнейших разновидностей известняков были погружены впоследствии на большие глубины в недра Земли. Здесь под воздействием высоких температур и давлений они превратились в мрамор — породу, в которой изначальные элементы полностью перекристаллизованы, а поровое пространство заполнено карбонатами поздней генерации. В мраморах можно видеть следы оползания или течения карбонатного вещества либо в период отложения на дне водоема, либо под влиянием огромных нагрузок в глубоких недрах. Эти текстуры придают отдельным кускам мрамора неповторимый, притягательный для глаз облик. Многообразные примеси, окрасившие первоначально белый или палевый известняк в различные тона кремового, коричневого, красного и других цветов, делают мрамор ценнейшим отделочным материалом. Недаром самые известные из памятников архитектуры, начиная с древнегреческого акрополя, строились из мрамора или по крайней мере отделывались мраморными плитами и колоннами. Одна из древнейших каменоломен, где добывали этот материал, была обнаружена на острове Мармора в Геллеспонте (Мраморное море). Отсюда и пошло название этого вида перекристаллизованных известняков.
Возникшие в конце докембрия (0,7–0,6 млн лет назад) многочисленные формы морской фауны и флоры вытеснили своих примитивных предшественников в периферийные экологические ниши — лагуны и заливы. Многие из новых организмов унаследовали от них способность связывать углекислый газ и кальций в минеральную соль. Это были багряные водоросли, литотамнии, кишечнополостные (губки) и конодонты. Другие животные — трилобиты стали строить панцирь из хитина. Известняки накапливались по всему миру, и особенно быстрыми темпами в раннем палеозое. Однако подлинная революция произошла после того, как появились колониальные формы мельчайших животных — предшественников современных кораллов. Они принялись строить настоящие города под водой, да еще в тех условиях, где не выдерживала самая крепкая порода. Действительно, только рифы, заселенные живыми кораллами, способны устоять под непрерывными ударами океанских волн, разрастаясь при этом в высоту и ширину. На безбрежных пространствах древних эпиконтинентальных морей и океанических шельфов распространились и одиночные морские организмы, защищенные карбонатными раковинами: брахиоподы, моллюски, морские лилии и ежы, мшанки. Наконец появились и свободно плавающие в воде организмы, использовавшие для построения скелета карбонат кальция: аммониты, фораминиферы, нанопланктон. Кальцит и арагонит стали формироваться по всему океану, исключая высокие широты и глубоководные зоны, где преобладали холодные воды. Остатки свободноплавающих организмов опускались на дно. Здесь органические составляющие полностью или частично разлагались, но оставались компоненты скелета, накапливавшиеся в виде осадка. В эпохи высокого стояния океанических вод, когда значительные площади суши оказывались под водой и поступление обломочного материала резко сокращалось, карбонатные отложения становились самыми распространенными в морях и океанах. Они формировались и в крупных озерных водоемах на суше.
Одной из эпох преимущественного карбонатонакопления была позднемеловая. Уровень океанических вод в то время поднялся на 150–200 м выше современного. Вследствие этого береговая линия резко отступила в глубь суши. Периферийные и часть центральных районов крупнейших платформ — Восточно-Европейской, Северо-Американской и Африканской — заняло море. Водосборные площади рек сократились; в результате в океан с суши перестали поступать огромные количества песка и тонкой взвеси. В толще воды распространились мельчайшие карбонатстроящие организмы — кокколитофориды. Из их остатков, опустившихся на дно, образовались тончайшие белые илы, которые затем, уплотнившись, превратились в мел. В поле электронного сканирующего микроскопа образцы мела предстают совершенно иными. Здесь можно увидеть различные структуры в виде щитов, шлемов, колес, спиралек и т. д. Мел — это гигантское кладбище нанопланктона, формировавшееся миллионы лет. Название этой породы было присвоено и тому периоду, в котором она получила широкое распространение.