Эволюция горных пород

[Кир]

Прежде всего, не преследую цели опровергнуть что-либо, лишь хочу найти ответ на ряд вопросов относительно эволюции горных пород и литосферы. Я не геолог, в доступной  мне литературе ответы найдены не были, собственно потому и создаю тему на форуме.

Разрез горных пород литосферы в упрощенном виде представлен как постепенная смена глины на аргилит, аргилита на кристаллические сланцы, сланцев на гнейсы, гнейсов на граниты. Это если рассматривать в общих чертах, без гранитогнейсов ну и т.д. То есть наблюдается следующая картина: с увеличением глубины аморфные породы сменяются кристаллическими. Таким образом, в общих чертах, понятно, что со временем, уходя все глубже и глубже глина станет гранитом, а песок - песчаником, а потом кварцитом, обломки раковин - известняком, а затем мрамором.

Такое преобразование, перекристаллизация вещества в доступной мне литературе объясняется процессом метаморфизма: действием высоких температур и давлений. Но, при перекристаллизации энергия наоборот должна выделяться (как она выделяется при превращении воды в лед, и наоборот поглощается при превращении льда в воду),  в случае метаморфизма, энергия эндогенная наоборот затрачивается для того, чтобы аморфная порода кристаллизировалась. Где упущение?

В то же время в одном источнике, кажется это была "Общая и экологическая геофизика" издательства МГУ, я наткнулся на цифру, что от 80% эндогенной энергии образуется как раз за счет перекристаллизации вещества в литосфере, то есть энергия выделяется как и надо. Таким образом, напрашивается парадоксальный вывод: метаморфизм может происходить и без эндогенной энергии, а само появление энергии на глубине является следствием, а не причиной перекристаллизации вещества. И если энергонасыщенность вещества в ряду глина - аргилит - сланец - гнейс - гранит пониижается (а она понижается), то выходит, что как таковой эндогенной энергии не существует, ведь энергонасыщенность аморфных верхних слоев (глины и аргилита) объясняется поступлением энергии солнца на поверхность планеты и "питающимся" от нее процессом гипергенеза, а потому перекристаллизация в граниты лишь один из этапов высвобождения этой энергии.

Надеюсь, я более-менее внятно изложил суть вопроса. Хотелось бы услышать что-нибудь от людей знакомых с темой более подробно.

[Юрий Владимирович]

Допустим, Вы получили ответ на вопрос "Где упущение?". Что дальше?

P.S. В качестве справки. Все перечисленные Вами осадочные горные породы: глины, аргиллиты, пески, песчаники и т.д. - состоят из минералов, имеющих не аморфное, но кристаллическое строение.   

[Кир]

Если где-то есть существенное упущение, не связанное с каким-то частным случаем (например, кое-где на дневную поврехность выходят граниты), то ход рассуждений неверный и выводы должны пересматриваться.

По поводу аморфности, я немного неверно выразился. Не аморфные, а менее кристаллизированные. Глина - менее кристаллизирована, чем аргиллит ну и т.д. В то же время, если продолжить ряд в другую сторону, то часть глины образуется из аморфных базальтов, андезитов, липаритов.

[Юрий Владимирович]

Все-таки хотелось, чтобы бы Вы обозначили Вашу сверхзадачу, поскольку, вероятно, детали геохимии, минералогии, кристаллохимии и термодинамики метагенеза и метаморфизма Вас не интересуют.
P.S.  Оксид водорода (H2O) в любом агрегатном состоянии не рекомендуется без особых оговорок приводить в пример, поскольку это вещество обладает аномальными и химическими и физическими свойствами из-за существенной поляризации Н-О связей.

[Кир]

Сверхзадачу можно определить как устранение противоречия между установленными физическими законами и объяснением преобразования горных пород.

В форме одного единственного вопроса это выражается следующим образом: почему среди основных причин метаморфизма указывается высокая температура, если процесс кристаллизации идет не с поглощением, а с выделением тепла?

Вода вместе с другими веществами в наблюдаемом нами мире установленным законам не противоречит. Это не аномалия воды, любое вещество при кристаллизации, процессе перехода из аморфного состояния в кристаллическое (менее упорядоченного в более упорядоченное), сопровождается потерей потенциальной энергии и выделением тепла.

Так, в "Общей геологии" Короновского, в главе посвященной ударному метаморфизму говорится, что следствием этого процесса является появление изотропных и аморфных веществ - из-за действия высоких давлений и температуры. Но в предыдущих главах, где речь шла о региональном метаморфизме и локальном контактовом метаморфизме, те же самые факторы вызывали обратный процесс - кристаллизации вещества.
Вот что меня интересует.

Есть еще некоторое, ну скажем, желание, что ли, установить общие черты в развитии живого и косного вещества планеты: развитие и того и другого идет с уменьшением энтропии. Со стороны живого вещества - процессы фотосинтеза, со стороны косного - кристаллизации.

[василий андреевич]

Сверхзадачу можно определить как устранение противоречия между установленными физическими законами и объяснением преобразования горных пород.

Есть еще некоторое, ну скажем, желание, что ли, установить общие черты в развитии живого и косного вещества планеты: развитие и того и другого идет с уменьшением энтропии. Со стороны живого вещества - процессы фотосинтеза, со стороны косного - кристаллизации.

Для справки: моя специализация относится к метаморфизму углей, что с большой натяжнкой можно представить, как их эволюцию от торфа через бурые и каменные угли к антрацитам, сверх антрацитам, природным коксам и графитам. (Сейчас, как я понимаю, не будем считать этот процесс в сфере интересов, хотя угли и есть связующее звено между живым и костным).
Если в лабораторных условиях подвергнуть осадочную породу действию высоких температур и давлений, характерных для определенных глубин, то получатся вещества - аналоги пород, залегающих на этих глубинах. (Как ни "странно", с углями этот фокус не проходит).
В конечном абзаце Вы употребили очень "опасный" термин - энтропия. Его надобно или не касаться вовсе, или уделить ему чрезвычайное внимание. (лично мне энтропия в подтексте эволюции не дает покоя более десяти лет).
Для биологов проблему энтропии можно обойти ссылкой на такой "неисчерпаемый" источник упорядоченной энергии и "рассеивающейся" энтропии, как наше светило. А когда частные процессы идут с понижением энтропии, то всегда есть возможность сослаться на открытость данной, рассматриваемой, системы.
Приблизительно та же ситуация и с земыными недрами - всегда есть возможность теоретически отводить ненуждное в рассуждениях тепло за пределы изучаемой системы, а нужное привносить из вне. Так что уличить теоретиков в противоречии не есть возможно, ибо никто не оговаривал вначале граничных условий.
Для справки: кроме аморфных и кристаллических сложений атомов в молекулы есть еще квазикристаллические, которые в быту, зачастую, именуются жидкими или молекулярными кристаллами. Практически все органические соединения являются квазикристаллами, а процессы в них при изменении внешних условий протекают парадоксальным образом и при этом с повышением (!) энтропии системы вода-вещество. Например, квазикристалл "кристаллизуется" при плавлении.
И тем не менее, попробуйте, как зачинатель темы, съузить направление поиска более конкретным вопросом, а то у меня голова кружится от количества возможных направлений. Если готовы преобразовать поиски в сферу угольной тематики - то здесь я "дока".

[Кир]

Мне сложно как-то сузить тему, поскольку, не являясь геологом,  могу оперировать только общими понятиями.

Хотелось бы больше узнать о "искусственном" получении аналогов глубинных горных пород. Это, как я понимаю, аналоги, например кварцитов, гнейсов, вовсе гранитов или все же аналоги базальтов, которые как считается, находятся еще глубже? Что касается неудач в получении похожим способом углей, то первая возникшая мысль на этот счет, после прочтения Вашего сообщения, была примерно такая: не из-за квазикристаллической ли биогенной основы углей? С другой стороны, все факторы учесть очень сложно.

Что касается энтропии, то очень мне нравится термин негэнтропия. Вообще, когда об этом начинаешь задумываться, то приходишь к выводу, что о преобладании во Вселенной процессов возрастания энтропии не приходится. Как бы там ни было, это тема, конечно же отдельная. Хотя вот креационисты очень любят вторым законом термодинамики "опровергать" саму возможность эволюции, в этом свете негэнтропия живых и косных систем является решительным аргументом в полемике с ними.

А вот что касается Вашего конька, то есть и вопрос, связанный с ним, но не связанный с темой топика. Насколько я помню, развитие учения о литогенезе совпало с господствованием теории геосинклиналей, они прекрасно сочетались. Когда от  геосинклиналий отошли к литосферным плитам (вот возможность их существование в мире в мою голову точно никогда не уложится) это как-то отразилось на объяснении процессов литогенеза? Геологию изучал ровно один семестр, так получилось, что преподаватель тоже занималась литогенезом, угли и нефти ее любимые темы были. Вопрос этот я ей тогда задать не успел, да и не мог, в то время не задумывался об этом.

[Alexy]

почему среди основных причин метаморфизма указывается высокая температура, если процесс кристаллизации идет не с поглощением, а с выделением тепла?

Возможно, для того, чтобы процесс кристаллизации вообще шел или шел с заметной скоростью, температура должна быть выше определенного порогового значения? Не знаю, равен ли этот порог температуре плавления или ниже ее?

Кроме того вероятно для правильной кристаллизации нужно время, т.е. остывание и отвод тепла должны происходить медленно?

Так, в "Общей геологии" Короновского, в главе посвященной ударному метаморфизму говорится, что следствием этого процесса является появление изотропных и аморфных веществ - из-за действия высоких давлений и температуры. Но в предыдущих главах, где речь шла о региональном метаморфизме и локальном контактовом метаморфизме, те же самые факторы вызывали обратный процесс - кристаллизации вещества.
Вот что меня интересует

При ударе вещество могло очень сильно нагреться и потерять кристаллическую структуру, а потом, если оказалось на поверхности земли или в воде, очень быстро охладиться и (если верно то, что кристаллизация - процесс не мгновенный) не успеть окристаллиться.

Всё это мои домыслы. Может кто-то поправит?

[Юрий Владимирович]

Призываю не привлекать высокие материи, о которых все могут рассуждать также безудержно и бесполезно, как о погоде и футболе, а обратиться, как любят повторить на этом форуме, к матчасти.
Процессы преобразования минерального вещества на любых стадиях метагенеза-метаморфизма – от самых низких термо- и баро-условий до стадии контаминации - в плане минеральных преобразований сводятся к мобилизации вещества, его достаточно локальной миграции и осаждении. Из рассуждений уважаемого Кира первые два достаточно энергоемких процесса выпали, да и ретикулярное упорядочение кристаллических решеток минералов и регенерация минеральных агрегатов сами по себе процессы крайне энергозатратные.
Что касается ударного (импактного) метаморфизма, то Alexy совершенно прав. Достаточно быстрое застывание на земной поверхности или в непосредственной близости нее не позволяет расплаву, образовавшемуся при взрыве, более или менее прилично раскристаллизоваться. Тот же самый процесс происходит при извержении вулканов с кислым, богатым кремнеземом (SiO2) составом лавы. Такие лавы, застывая в пределах вулканических построек или на их склонах, образуют липариты – горные породы, состоящие преимущественно из нераскисталлизованного вулканического стекла. Те же по составу расплавы, застывающие на глубине в несколько километров, формируют всем известные граниты.

[Роман Джиров]

В форме одного единственного вопроса это выражается следующим образом: почему среди основных причин метаморфизма указывается высокая температура, если процесс кристаллизации идет не с поглощением, а с выделением тепла?

А мне вот еще что интересно, добавлю и я вопрос: не является ли более важным для процесса кристаллизации высокое давление, нежели высокая температура? Может, температура здесь и не так важна? Спасибо за ответ, если кто знает.

[Юрий Владимирович]

Сожалею, но вопрос поставлен некорректно. Для разных веществ области Р-Т условий фазовых и иных переходов различны и изменяются в очень широком диапазоне. Здесь без специальной литературы не обойтись.

[Роман Джиров]

Спасибо. Собственно, Ваш ответ содержит абсолютно все, что меня интересовало, он вполне достаточен для меня. Извините за плохой вопрос, но я не знаю, к сожалению, половины ответа, которую необходимо знать, чтобы поставить вопрос корректно. Увы. Просто возник такой вопрос в связи с предыдущим вопросом Кира.

[василий андреевич]

Честно говоря, у меня, как, наверное, и у моего коллеги из аэрогеологии растерянность. Очевидно и вы бы растерялись, спроси я, почему обезьяна превратилась в человека, а не слона. Это вовсе не ирония, у нас говорят: два геолога - три мнения, а в восьмидесятые годы преподавание, например, по геотектонике в университете велось преподавателями из двух взамоисключающих школ. И считалось нормальным, что бы каждый убеждал в правильности своих взглядов. Нам предоставляли выбор судить самостоятельно. В углегеологии существовало так же две школы, московская и ленинградская, у них даже терминология была различной. Это я к тому, что нельзя ответить, что, дескать, "было дело так".
Однако желание быть полезным у меня все-таки пересиливает. Попробую сказать нечто из начал общей геологии.
С воздымающихся поверхностей суши в понижения рельфа переносятся обломочные и хемогенные элементы. Выпадают в осадок, осаждаются, практически всегда кристаллы в виде рыхлых отложений. В разрезе общая мощность осадочных образований может достигать десятков километров. Естественно, при погружении в недра породы уплотняются и перекристаллизуются; на очень больших глубинах, они приобретают пластичность и способны течь, подобно льду в основании ледников.
Тепловой поток из недр неодинаков, весьма условно можно считать, что с этим потоком происходит и воздымание региона. Но ниже литосферы, в мантии, прогнозируются медленно текущие конвективные ячейки, и на этом течении, как поплавки перемещаются плиты более легкой континентальной коры.
Таким образом, термин эволюция к горным породам не очень-то подходит, можно говорить об эволюции бассейнов осадконакопления или периодичности эпох таласо- и геократии в истории планеты. Надо всегда помнить, что если прекратить тектонические процессы (например, остынут недра), то рельф снивелируется за геологически очень короткий срок - десять, двадцать миллионов лет. А потому источник тепла недр - это важнейший и далеко не однозначно решенный вопрос. Представление о первично горячей и миллиарды лет остывающей планете может оказаться расхожим мифом. За историю Земли Солнце обрушило на поверхность энергию излучения, соизмеримую с массой нашей планеты, при половинчатом, в среднем, альбедо надо искать не источники упорядоченной энергии, а способы "обезвреживания" земли от перегрева, если бы в свое время не зародилась жизнь, то нас бы ждала участь Венеры...

[василий андреевич]

Что касается энтропии, то очень мне нравится термин негэнтропия. Вообще, когда об этом начинаешь задумываться, то приходишь к выводу, что о преобладании во Вселенной процессов возрастания энтропии не приходится. Как бы там ни было, это тема, конечно же отдельная. Хотя вот креационисты очень любят вторым законом термодинамики "опровергать" саму возможность эволюции, в этом свете негэнтропия живых и косных систем является решительным аргументом в полемике с ними.

На мой взгляд оперировать негэнтропией и прочими анти-энтропиями недопустимо. Энтропия - четкий физический принцип, если хотите, то это единственный принцип, который объясняет эволюцию вообще, как направленный, не поворачивающий вспять процесс, так и биоэволюцию. От себя лично, ибо это может быть оспорено, добавлю, что расшифровку повышения энтропии надо искать не в элементарном рассредоточении порядка, а в стремлении природы к увеличению многообразия слагающих ее элементов. Да и кто утверждал, что биосфера развивается в сторону порядка, это человек упорядочивает свои знания о биосфере с помощью, якобы, естественных, т.е. природных классификаций. Природа не классифицирует, она заполняет вакансии, образующиеся при естественном распаде сообществ, таким образом, что бы суммарная энтропия системы живое-костное увеличивалась. Отсюда произростает некоторая идея о взаимообусловленности геологических и биоэволюционных процессов, которая для палеонтологов в общем-то естественна.

С креационистами трудно дискутировать, потому, что они одновременно используют и научный и мистический подход. Как поступает физик, когда обнаруживает в опыте, допустим, нестыковку с законом сохранения? Он вводит неизвестную сущность и описывает ее предполагаемые свойства, по которым и ведется поиск. Креационист же, когда ловит эволюциониста на нестыковке, вводит принципиально недоказуемую, а потому и неопровергаемую сущность, после чего отправляется почивать на лаврах. Негэнтропия (или негоэнтропия?) - это, что-то вроде креационизма навыворот, дескать, я ее ввожу, как сущность, а доказывать и вовсе необязательно, т.к. это само собой разумеется.

[Дятел]

Разрез горных пород литосферы в упрощенном виде представлен как постепенная смена глины на аргилит, аргилита на кристаллические сланцы, сланцев на гнейсы, гнейсов на граниты. Это если рассматривать в общих чертах, без гранитогнейсов ну и т.д. То есть наблюдается следующая картина: с увеличением глубины аморфные породы сменяются кристаллическими. Таким образом, в общих чертах, понятно, что со временем, уходя все глубже и глубже глина станет гранитом, а песок - песчаником, а потом кварцитом, обломки раковин - известняком, а затем мрамором.

Кир, Вы свалили в кучу несколько геологических дисциплин, поэтому и получилась в вопросах каша. Начнём разбираться, чтобы разложить Ваши вопросы по полкам.
1.Песками, алевритами, глинами, песчаниками (рыхлые породы), песчаниками, алевролитами, аргиллитами (литифицированные породы) занимается петрография осадочных пород. Список перечисленных пород далеко неполный.
При погружении рыхлых пород на глубину, в области с более высокой температурой и более высоким давлением, претерпевают литификацию, т.е. превращаются в твёрдый камень. При этом минералы, из которых состоят осадочные породы, не изменяются.
2.Если осадочные (и не только) породы попадают в условия с бОльшими значениями температуры и давления, то минералы осадочных пород начинают перекристаллизовываться без плавления. Геологи обычно пользуются минералом серицитом, как индикатором. Если в осадочной породе появился серицит, эта порода считается уже метаморфической (глинистым сланцем, например).
В природе существует несколько типов метаморфизма, поэтому из одной и той же осадочной породы могут получиться разные метаморфические породы. Например из песчаников при региональном метаморфизме могут образоваться гнейсы, а при контактовом метаморфизме – роговики. Минеральный состав исходной осадочной породы играет большую роль на конечный результат метаморфизма. Кстати, кварциты образуются из песчаников, почти целиком состоящих из кварца. Чем больше "Т" и "P", тем большая достигается степень метаморфизации. Мигматиты, породы максимальной метаморфизации. Это прогрессивный метаморфизм. В случае, если постепенно "Т" и "P" уменьшаются может развиться регрессивный метаморфизм с появлением минералов диафторитов.
3.В случае, если метаморфические породы расплавились, то образовавшиеся породы из такого расплава уже практически невозможно отличить от истинных магматических пород, которые образовались из расплавленного вещества, и которое никогда небыло на поверхности.
Магматические и метаморфические породы изучает петрография кристаллических пород
Речь идет о том, при каких условиях образуется та или иная порода.
Кир, Вам уже писали, что осадочные породы состоят из минералов, подавляющее количество которых имею кристаллическое строение (глины состоят из очень мелких частиц, часть из которых представлена глинистыми минералами, монтмориллонитом или каолинитом, например). Термин "аморфные осадочные породы" может применяться к хемогенным мономинеральным  породам до их раскристаллизации, но не к глинам.