Table of Contents

Оригинальное название: The Cycle of Rock: Understanding the Rock Cycle and Its Impact on Earth

Этот цикл представляет собой один из самых фундаментальных и динамических процессов, формирующих нашу планету. Этот цикл является фундаментальным геологическим процессом, посредством которого три основных типа горных пород Земли - осадочные, магматические и метаморфические - непрерывно превращаются друг в друга в течение геологического времени. Вдали от статических образований, породы постоянно создаются, разрушаются и реформируются посредством сложной серии взаимосвязанных процессов, которые действуют в течение миллиардов лет. Понимание горного цикла обеспечивает решающее понимание геологической истории Земли, формирования природных ресурсов и продолжающихся изменений, которые продолжают формировать поверхность и внутреннюю часть нашей планеты.

Что такое Рок-цикл?

Этот непрерывный цикл демонстрирует динамичную природу нашей планеты, где материалы постоянно перерабатываются и трансформируются. Цикл медленный и постепенный, часто занимает миллионы лет, чтобы увидеть значительные изменения. Что делает горный цикл особенно увлекательным, так это то, что он не имеет фиксированной начальной или конечной точки - он работает в течение миллиардов лет и будет продолжаться до тех пор, пока Земля остается геологически активной.

Скалистый цикл приводится в движение двумя силами: (1) внутренним тепловым двигателем Земли, который перемещает материал вокруг ядра и мантии и приводит к медленным, но значительным изменениям в коре, и (2) гидрологическим циклом, который является движением воды, льда и воздуха на поверхности и питается от солнца.

Три основных типа камней

Рок-цикл включает в себя три различные категории горных пород, каждая из которых формируется в результате различных процессов и в различных условиях. Понимание этих типов горных пород имеет важное значение для понимания того, как работает цикл.

Игнезийские скалы

Нежные породы образуются, когда расплавленная порода (магма или лава) охлаждается и затвердевает. Эти породы классифицируются на две основные категории в зависимости от того, где они образуются. Этот процесс может происходить под поверхностью Земли, в результате чего образуются интрузивные магматические породы, или на поверхности в виде экструзивных магматических пород.

Интрузивные магматические породы образуются, когда магма охлаждается и затвердевает под поверхностью Земли. Этот медленный процесс охлаждения позволяет формировать большие кристаллы, в результате чего образуется крупнозернистая текстура. Гранит является ярким примером интрузивной магматической породы, характеризующейся видимыми минеральными кристаллами. Напротив, экструзивные магматические породы, такие как базальтовая форма, когда лава извергается на поверхность Земли и быстро охлаждается, создавая мелкозернистые текстуры, где отдельные кристаллы трудно увидеть без увеличения.

Нежные породы возникают, когда магма из недр Земли охлаждается на поверхности или под землей, затвердевая в такие формы, как базальт или гранит, которые представляют собой основной материал, из которого в конечном итоге образуются другие типы пород, что делает их фундаментальными для понимания горного цикла.

Осадочные скалы

Осадочные породы возникают, когда частицы оседают из воды или воздуха, или при осадках минералов из воды. Они накапливаются в слоях. Эти породы рассказывают истории древних сред, сохраняя свидетельства прошлых климатов, экосистем и геологических событий.

Существуют три различных типа осадочных пород: кластические, органические (биологические) и химические. Кастические осадочные породы образуются из фрагментов других пород, которые выветрились, транспортировались и отложились. Песчаник и сланец являются общими примерами. Органические осадочные породы, такие как уголь, образуются из накопления и сжатия растительных и животных останков. Химические осадочные породы, такие как известняк, образуются, когда минералы осаждаются из водных растворов.

По мере того, как отложения достигают более глубоких глубин, они в конечном итоге становятся твердой породой в процессе, называемом литификацией, который требует как уплотнения, так и цементации рыхлых твердых тел. Вес накладных слоев будет сжимать осадок ближе друг к другу, а по мере утечки грунтовых вод между отдельными зернами он будет склеивать или цементировать осадок как твердую породу. Это преобразование из рыхлого осадка в твердую породу может занять тысячи и миллионы лет.

Метаморфические камни

Метаморфные породы возникают, когда существующие породы изменяются под воздействием тепла, давления или реактивных жидкостей, таких как горячая, минеральная вода. Слово «метаморфная» буквально означает «изменение формы», что прекрасно описывает, как эти породы создаются.

Метаморфические породы начинались как какой-то другой тип породы, но были существенно изменены из их первоначальной магматической, осадочной или более ранней метаморфической формы.Процесс метаморфизма не расплавляет породы, а вместо этого превращает их в более плотные, более компактные породы.Новые минералы создаются либо перегруппировкой минеральных компонентов, либо реакциями с жидкостями, которые попадают в породы.

Метаморфическая структура породы либо лиственная (имеет определенную планарную структуру), либо нефолированная (массивная, без структуры). Фолированная метаморфическая порода, такая как сланец и сланец, отображает различные слои или схемы бандажирования, созданные выравниванием минералов под давлением. Нефолированная метаморфическая порода, такая как мрамор и кварцит, не имеет этого слоистого внешнего вида, но обычно более твердая и плотная, чем их родительские породы.

Процессы, управляющие рок-циклом

Скалистый цикл работает через многочисленные взаимосвязанные процессы, которые работают вместе, чтобы преобразовать породы из одного типа в другой. Образование, движение и преобразование пород являются результатом внутреннего тепла Земли, давления от тектонических процессов и воздействия воды, ветра, гравитации и биологической (включая человека) деятельности. Понимание этих процессов имеет решающее значение для понимания того, как функционирует цикл.

Оригинальное название: Breaking Down Rocks

Выветривание описывает разрушение или растворение пород и минералов на поверхности Земли. Вода, лед, кислоты, соли, растения, животные и изменения температуры являются агентами выветривания. Этот процесс является первым шагом в преобразовании твердой породы в отложения, которые в конечном итоге образуют осадочные породы.

Выветривание часто делится на процессы механического выветривания и химического выветривания.Биологическое выветривание, в котором живые или некогда живые организмы способствуют выветриванию, может быть частью обоих процессов.

Физическое (механическое) выветривание

Физическое выветривание, также называемое механическим выветриванием или дезагрегированием, представляет собой класс процессов, вызывающих распад горных пород без химических изменений.Физическое выветривание включает распад горных пород на более мелкие фрагменты посредством таких процессов, как расширение и сжатие, главным образом из-за изменений температуры.

Одной из самых мощных форм физического выветривания является выветривание при замерзании, также известное как заморозка. Вода просачивается в трещины в породах, и когда температура опускается ниже нуля, вода расширяется по мере того, как она превращается в лед. Это расширение оказывает огромное давление на окружающую породу, постепенно расширяя трещины и в конечном итоге разрывая породу. Этот процесс особенно эффективен в регионах, которые испытывают частые колебания температуры вокруг точки замерзания.

Выделение или разгрузка давления — это форма физического выветривания, наблюдаемая при эксгумации глубоко погребенной породы. При эрозии удаляется лежащий на поверхности материал породы, эти интрузивные породы подвергаются воздействию и давление на них высвобождается. Со временем листы породы отрываются от открытых пород вдоль трещин, процесс, известный как отшелушивание. Этот процесс создает отличительные куполообразные образования в гранитных ландшафтах.

Термическое стрессовое выветривание происходит в средах с большими температурными колебаниями, особенно в пустынях. Повторяющееся нагревание и охлаждение поверхностей горных пород вызывает расширение и сжатие, что может привести к тому, что внешние слои будут отслаиваться тонкими листами. Живые организмы могут способствовать механическому выветриванию, а также химическому выветриванию. Лишайники и мхи растут на по существу голых поверхностях горных пород и создают более влажную химическую микросреду. Корни растений, растущие в расщелинах горных пород, также могут оказывать значительное физическое давление, постепенно разрушая породы.

Химическое выветривание

Химическое выветривание изменяет молекулярную структуру горных пород и почвы. В отличие от физического выветривания, которое просто разбивает камни на более мелкие кусочки, химическое выветривание фактически изменяет минералы, которые составляют скалу, часто создавая совершенно новые минералы в процессе.

Углекислый газ из воздуха или почвы иногда соединяется с водой в процессе, называемом карбонированием. Это производит слабую кислоту, называемую карбоновой кислотой, которая может растворять породу. Карбоновая кислота особенно эффективна при растворении известняка. Этот процесс отвечает за формирование впечатляющих пещерных систем по всему миру, где углекислота растворила известняк в течение миллионов лет, чтобы создать обширные подземные камеры и проходы.

Гидролиз — ещё один важный химический процесс выветривания. В процессе гидролиза образуется новый раствор (смесь двух и более веществ) в виде химических веществ в породе, взаимодействующих с водой. Во многих породах, например, минералы натрия взаимодействуют с водой с образованием солёного раствора. Этот процесс особенно важен при выветривании полевого шпата минералами, которые в изобилии содержатся во многих магматических породах.

Скорость, с которой химические реакции выветривания разрушают минералы, часто увеличивается в присутствии воды и при более высоких температурах. Это означает, что тропические регионы с высокими температурами и обильными осадками обычно испытывают гораздо более высокие скорости химического выветривания, чем холодные, сухие регионы.

Биологическое выветривание

Живые или некогда живые организмы также могут быть агентами химического выветривания. Разлагающиеся остатки растений и некоторых грибов образуют углекислую кислоту, которая может ослаблять и растворять породу. Некоторые бактерии могут выветривать породу для того, чтобы получить доступ к питательным веществам, таким как магний или калий. Это демонстрирует важную роль, которую играет жизнь в геологических процессах.

Лишайники на горных породах являются одними из наиболее эффективных биологических агентов химического выветривания. Наиболее распространенные формы биологического выветривания являются результатом высвобождения хелатирующих соединений (таких как определенные органические кислоты и сидерофоры) и углекислого газа и органических кислот растениями. Корни могут повышать уровень углекислого газа до 30% всех почвенных газов, чему способствует адсорбция CO2 на глинистых минералах и очень медленная скорость диффузии CO2 из почвы.

Эрозия и транспорт

Эрозия относится к процессам, при которых частицы, уже ослабленные выветриванием, удаляются под действием движущегося воздуха или проточной воды. Этот процесс включает в себя два этапа. Во-первых, рыхлые материалы должны быть подхвачены или захвачены. Во-вторых, материалы должны физически переноситься или транспортироваться в новые места.

Ветер и движущаяся вода являются двумя наиболее распространенными агентами эрозии. Вода особенно эффективна при эрозии, потому что она может перемещать частицы всех размеров, от тонкой глины до больших валунов, в зависимости от скорости и объема потока воды. Реки несут огромные количества осадка от гор до низменностей и, в конечном итоге, в океан, где большая часть его осаждена.

Транспортировка и осаждение происходят под действием ледников, ручьев, волн, ветра и других агентов, а осадки откладываются в реках, озерах, пустынях и океане.Ледники являются особенно мощными агентами эрозии и транспорта, способными перемещать массивные валуны и вырезать глубокие долины через сплошную скалу.

Осаждение и литификация

После того, как осадки были перенесены, они в конечном итоге оседают в новых местах в процессе осаждения.Как только осадок оседает где-то, и достаточно его собирается, самые низкие слои уплотняются так плотно, что образуют твердую породу. Это превращение из рыхлого осадка в твердую осадочную породу называется литификацией.

Литификация предполагает два основных процесса: уплотнение и цементирование. По мере накопления слоев осадка вес накладного материала сжимает нижние слои, выдавливая воду и воздух. Одновременно растворенные в грунтовых водах минералы осаждаются между осадочными зернами, цементируя их вместе. Со временем эти процессы превращают рыхлый осадок в твердую осадочную породу.

Метаморфизм: трансформация через тепло и давление

Метаморфные породы образуются в результате трансформации существующих типов горных пород (вне зависимости от того, магматические, осадочные или другие метаморфические породы) посредством высоких температур, давления и химических процессов. Это преобразование происходит без таяния породы; вместо этого, он изменяет свой минеральный состав и текстуру в ответ на его новые условия окружающей среды.

Региональный метаморфизм: Возникает на больших площадях из-за тектонических сил. Это характерно для горообразующих регионов, где скалы зарыты глубоко под землей и подвергаются интенсивному давлению и теплу. Контактный метаморфизм: Возникает при нагревании пород близлежащей магмой или лавой, приводящем к изменениям минеральной структуры породы.

Региональный метаморфизм отвечает за формирование многих горных хребтов, где столкновение тектонических плит подвергает камни экстремальному давлению и температуре.Контактный метаморфизм происходит в меньшем масштабе, как правило, вокруг магматических вторжений, где тепло от магмы преобразует окружающие породы.

Плавление и магма образование

Когда породы подвергаются чрезвычайно высоким температурам глубоко в земной коре или мантии, они могут расплавиться, образуя магму. Эта расплавленная порода может затем подняться к поверхности, где она может извергаться в виде лавы или медленно охлаждаться под землей, образуя новые магматические породы. Этот процесс завершает цикл горных пород, поскольку метаморфические или осадочные породы превращаются обратно в магматические породы.

Вода и другие летучие компоненты играют решающую роль в генерации магмы над зонами субдукции. Жидкости, выделяющиеся из субдукционной плиты, снижают температуру плавления накладного мантийного клина, способствуя частичному плавлению. Это демонстрирует, как вода играет решающую роль не только в выветривании и эрозии, но и в образовании новых магматических пород.

Скалистый цикл и тектоника плит

Кора Земли изменяется двумя тесно связанными динамическими процессами: циклом горных пород и тектоникой плит. В сочетании эти процессы постоянно перерабатывают и реконструируют твердую поверхность Земли, а также изменяют ее океаны и реки. Понимание взаимосвязи между этими двумя фундаментальными процессами имеет важное значение для понимания того, как работает геология Земли.

Как тектоника плит управляет рок-циклом

Тектоника плит — это движение земной коры, которая состоит из больших кусков, называемых пластинами. Эти движения могут заставить камни изменяться в результате различных процессов, приводящих к циклу горных пород. Например, при столкновении плит (процесс, называемый субдукцией), одна пластина может быть вынуждена под другой, вызывая интенсивное тепло и давление, которые могут превращать породу в метаморфическую породу.

Тектоника плит и цикл горных пород связаны через тепло мантии, которое управляет обоими процессами. Тепло питает движение тектонических плит и приводит к образованию и трансформации различных типов горных пород в пределах горного цикла. Эта связь демонстрирует, как внутренний тепловой двигатель Земли питает как движение континентов, так и преобразование горных пород.

Тектоника плит формирует глобальные рельефы и среды через горный цикл, горообразование, вулканизм, распределение континентов и океанов.Движение тектонических плит создаёт условия, необходимые для возникновения всех стадий горного цикла.

Границы плит и формирование скал

Различные типы границ плит создают различные среды для образования и трансформации пород. На расходящихся границах, где плиты раздвигаются, магма поднимается из мантии, чтобы создать новую океаническую кору. Разнонаправленные границы плит возникают там, где горячая магма поднимается на поверхность, раздвигая пластины. На расходящихся границах плит конвекционные течения выносят горячую магму на поверхность. Эта горячая магма вытекает на дно океана, образуя экструзивные, мелкозернистые магматические породы.

При конвергентных границах, где сталкиваются плиты, скалы подвергаются интенсивному давлению и теплу. Региональный метаморфизм происходит при конвергентных границах плит, из-за интенсивного давления. При столкновении двух плит земная кора складывается и разломы. Интенсивное давление изменяет большие участки земной коры в метаморфическую породу. Горные хребты обычно являются метаморфическими породами, из-за тектонических процессов плит.

Через различные процессы, связанные с плитной тектоникой горного строительства, все типы горных пород поднимаются и обнажаются на поверхности.Этот подъем имеет решающее значение для горного цикла, поскольку он приносит породы, сформированные глубоко под землей, на поверхность, где они могут быть выветрились и эродированы, начиная цикл заново.

Субдукция и рециркуляции породы

Земля является эффективным переработчиком твердых материалов в процессе тектоники плит, в котором жесткая океаническая литосфера в конечном итоге спустится в астеносферу (мантию), расплавится и снова образуется в центрах распространения. Этот процесс переработки имеет основополагающее значение для понимания того, как Земля поддерживает свою динамическую геологию в течение миллиардов лет.

Когда океаническая кора субдукционируется под континентальной корой, она переносит отложения и воду глубоко в мантию. Тепло и давление на этих глубинах могут заставить субдуктивный материал расплавиться, образуя магму, которая поднимается, чтобы создать вулканические дуги. Этот процесс демонстрирует, как осадочные породы могут быть преобразованы в магматические породы благодаря комбинированному действию тектоники плит и горного цикла.

Важность и влияние рок-цикла

Рок-цикл — это гораздо больше, чем академическая концепция, он имеет глубокие последствия для жизни на Земле, природных ресурсов и долгосрочной обитаемости планеты. Понимание этих воздействий помогает нам оценить взаимосвязанную природу систем Земли.

Почвенное образование и сельское хозяйство

Материалы, оставшиеся после разрушения породы, объединяются с органическим материалом для создания почвы. Почва имеет важное значение для роста растений и сельского хозяйства, что делает горный цикл фундаментальным для наземных экосистем и производства продуктов питания человека. Различные типы горных пород вырабатывают почвы с различными характеристиками, влияя на то, какие культуры можно выращивать в разных регионах.

Региональное качество почвы, уровень питательных веществ (особенно азота и фосфора) зависят от типа выветривающейся породы, что, в свою очередь, влияет на местное биоразнообразие. Это демонстрирует, как геологические процессы непосредственно влияют на биологические системы и здоровье экосистем.

Питательные циклы и экосистемы

Выветривание пород высвобождает необходимые питательные вещества, которые поддерживают жизнь. Выветривание также высвобождает питательные вещества, такие как фосфор, хотя, и это высвобождение горных пород, связанных с почвами, реками и океаном во время выветривания и эрозии стимулирует фотосинтез и производство органического вещества, закрывая цикл органического углеродного цикла. Без непрерывного выветривания горных пород экосистемы будут истощены необходимыми питательными веществами с течением времени.

Минералы, выделяемые в результате выветривания, включают кальций, магний, калий и многие другие элементы, необходимые для жизни растений и животных. Эти питательные вещества переносятся реками в океан, где они поддерживают морские экосистемы. Таким образом, горный цикл соединяет наземную и морскую среду посредством движения питательных веществ.

Ландшафтное формирование и геологические особенности

Многие формы рельефа и ландшафты Земли являются результатом выветривания, эрозии и перераспределения. Эффектные пейзажи, которые мы видим по всему миру - от Гранд-Каньона до Гималайских гор - являются продуктом процессов горного цикла, действующих в течение миллионов лет.

Иногда глубоко погребенные слои метаморфических пород вытесняются к свету дня процессами горообразования или внезапным выветриванием и эрозией нависших скал. Этот процесс называется эксгумация, поэтому мы можем видеть множество пород разных периодов истории Земли! Эта эксгумация позволяет геологам изучать породы, образовавшиеся глубоко под землей, предоставляя представление о внутренних процессах Земли.

Формирование природных ресурсов

Горный цикл отвечает за концентрацию многих ценных природных ресурсов. Игнезисные процессы могут концентрировать такие металлы, как медь, золото и платина, в экономически жизнеспособные рудные месторождения. Осадочные процессы создают ископаемое топливо, включая уголь, нефть и природный газ. Метаморфические процессы могут создавать ценные минералы и драгоценные камни.

Важные минералы, такие как гематитовая железная руда, фосфаты, строительные камни, уголь, нефть и материал, используемые в цементной промышленности. Распад крошечных морских организмов дает нефть. Нефть встречается только в подходящих структурах. Понимание горного цикла помогает геологам более эффективно находить и извлекать эти ресурсы.

Климатические нормы

Скальный цикл играет решающую роль в регулировании климата Земли в геологических временных масштабах. На протяжении тысяч и многих миллионов лет выветривание силикатных пород на суше (камни из минералов, содержащих элемент кремнезема) является важной частью углеродного цикла. В течение длительных масштабов значительные количества углекислого газа (парникового газа) удаляются из атмосферы, когда дождевая вода (H2O) смешивается с CO2, образуя углекислую кислоту (H2CO3). Эта слабая кислота реагирует с породами, разрушая их, в результате чего углерод транспортируется через реки в океан, где он в конечном итоге закапывается в океанские отложения.

Этот процесс действует как естественный термостат для климата Земли. Когда температура повышается, скорость выветривания увеличивается, удаляя больше CO2 из атмосферы и охлаждая планету. Когда температура падает, выветривание замедляется, позволяя вулканическим выбросам CO2 накапливаться и нагревать планету. Поскольку атмосфера может удерживать больше воды по мере нагревания, результаты подтверждают идею о том, что глобальное потепление может привести к увеличению механического выветривания пород.

Запись истории Земли

Процессы, вовлеченные в цикл горных пород, и сами породы рассказывают историю событий, которые произошли в истории Земли за 4,54 миллиарда лет. Хотя даже лучшие геологические специалисты не могут воссоздать каждую страницу истории Земли из одного горного образования, они могут получить представление о том, что могло произойти в регионе, чтобы сформировать определенный тип горных пород.

Игнезисные породы могут рассказать нам историю магматических камер или вулканической активности. Осадочные породы рассказывают нам, где когда-то жили реки, пустыни, пляжи и океаны, а метаморфические породы помогают нам реконструировать времена, когда тектонические плиты сталкивались или распространялись друг от друга. Изучая породы, геологи могут реконструировать древний климат, найти бывшие океанские бассейны и понять, как континенты перемещались с течением времени.

Влияние человека на рок-цикл

Деятельность человека начала оказывать существенное влияние на горный цикл, особенно в последние несколько столетий. Понимание этих воздействий имеет решающее значение для развития устойчивых методов и ответственного управления ресурсами Земли.

Добыча полезных ископаемых и добыча ресурсов

Горные работы удаляют из земной коры огромное количество горных пород, нарушая естественные геологические процессы. Добыча горных пород и ископаемого топлива, что в свою очередь может дестабилизировать почвы, увеличить эрозию и снизить качество воды за счёт увеличения осадочных пород и загрязняющих веществ в реках и ручьях. Крупномасштабная добыча может кардинально изменить ландшафты, убрав целые горы и создав массивные открытые ямы.

Добыча ископаемого топлива имеет особенно значительные последствия. Мы находимся в процессе добычи огромных объемов ископаемого топлива (уголь, нефть и газ), которое хранилось в горных породах в течение последних нескольких сотен миллионов лет, и преобразования этих видов топлива в энергию и углекислый газ. При этом мы меняем климат быстрее, чем когда-либо в прошлом. Этот быстрый выброс углерода, который был секвестрирован в течение миллионов лет, подавляет способность естественного углеродного цикла поддерживать стабильность климата.

Урбанизация и развитие земель

Урбанизация, которая включает в себя тротуарную землю с бетоном, которая может увеличить сток воды, увеличить эрозию и снизить качество почвы в окружающих районах. Когда естественные поверхности покрыты непроницаемыми материалами, такими как бетон и асфальт, вода не может проникнуть в землю, как это естественно. Это увеличивает поверхностный сток, который может ускорить эрозию и переносить загрязняющие вещества в водные пути.

Строительные работы также нарушают естественные модели выветривания и эрозии. Удаление растительности для развития подвергает почву и породы ускоренной эрозии. Перерезание дорог и строительные раскопки могут дестабилизировать склоны, что приводит к оползням и другим массовым событиям.

Антропокластический цикл камней

Недавние исследования выявили новое явление: быстрое образование горных пород из материалов, созданных человеком. Здесь мы документируем быстрый «антропопластический горный цикл» в прибрежной обстановке, с образованием антропогенной породы через эрозию, транспортировку, осаждение и литизацию устаревших отходов, которые произошли в течение 150 лет.

Эти результаты показывают, что литификация является беспрецедентно быстрой для кластической породы, и этот процесс обусловлен химией отходов. Признание быстрого антропопластического горного цикла бросает вызов традиционному пониманию естественного кластического осадочного горного цикла, причем антропопластические породы формируются в течение десятилетних временных масштабов, а не от тысяч до миллионов лет. Это демонстрирует, как человеческая деятельность создает совершенно новые геологические процессы, которые работают на гораздо более быстрых временных масштабах, чем естественные процессы горного цикла.

Сельское хозяйство и управление почвами

Сельскохозяйственная практика может существенно повлиять на скорость выветривания и эрозии. Интенсивное земледелие может истощать питательные вещества почвы быстрее, чем выветривание может их пополнить, требуя добавления удобрений. Практика выдержки может ускорить эрозию почвы, удалив верхний слой почвы, на формирование которого ушло тысячи лет. И наоборот, методы сохранения, такие как возделывание без дождевого периода и покрытие посевов, могут уменьшить эрозию и помочь сохранить здоровье почвы.

Рост растений, особенно корней, может физически разбивать породы, а также изменять химию окружающей среды (например, повышать кислотность), увеличивая скорость химического выветривания. В свою очередь вид выветривающейся породы определяет качество почвы, уровень питательных веществ (особенно азота и фосфора) и местное биоразнообразие. Это демонстрирует сложные обратные связи между биологическими и геологическими процессами.

Рок-цикл и изменение климата

Отношения между горным циклом и климатом сложны и действуют в совершенно разных временных рамках. Понимание этих отношений имеет решающее значение для понимания как прошлых изменений климата, так и текущих климатических проблем.

Уэзеринг как регулятор климата

Выветривание силикатных пород действует как долгосрочный регулятор климата, удаляя CO2 из атмосферы. Скорость выветривания, на которую влияют такие климатические условия, как осадки и температура. Скорость, с которой химические реакции выветривания разрушают минералы, часто увеличивается в присутствии воды и при более высоких температурах. Это создает отрицательную обратную связь: более высокие температуры увеличивают скорость выветривания, что удаляет больше CO2 из атмосферы, в конечном итоге охлаждая климат.

Однако недавние исследования показывают, что эта обратная связь может быть слабее, чем считалось ранее. Исследования показывают, что связь между температурой и скоростями выветривания более сложна, чем предполагают простые модели, и другие факторы, такие как топография и воздействие свежих поверхностей горных пород, также играют важную роль в определении скорости выветривания.

Вулканическая активность и высвобождение углерода

Это может произойти в течение длительных периодов, превышающих средний вулканизм. Одним из примеров является извержение сибирских ловушек на отметке около 250 Ма, которое, по-видимому, привело к сильному потеплению климата в течение нескольких миллионов лет. Извержения вулканов выделяют CO2, который хранится в недрах Земли, добавляя к атмосферным концентрациям парниковых газов.

Баланс между выбросами вулканического CO2 и удалением CO2 посредством выветривания поддерживал климат Земли в пределах обитаемого диапазона в течение миллиардов лет.В течение большей части истории Земли геологический углеродный цикл был сбалансирован, при этом углерод выделяется вулканизмом примерно с той же скоростью, с которой он хранится другими процессами.В этих условиях климат остается относительно стабильным.

Горное строительство и охлаждение климата

Например, Гималайский хребет был сформирован между 40 и 10 Ма и за этот период времени - и до сих пор - скорость выветривания на Земле была увеличена, потому что эти горы настолько высоки, а диапазон настолько обширны. Выветривание этих пород - самое главное гидролиз полевого шпата - привело к потреблению углекислого газа в атмосфере. Это демонстрирует, как тектонические процессы могут влиять на глобальный климат в течение миллионов лет.

Текущее изменение климата и рок-цикл

Сжигание ископаемого топлива возвращает углерод в атмосферу (как CO2) со скоростью, которая в сотни-тысячи раз быстрее, чем потребовалось для захоронения. Эта скорость настолько высока, что даже при том, что потепление, вызванное увеличением CO2, увеличивает скорость выветривания силикатных пород, что снижает атмосферный CO2, не достаточно, чтобы компенсировать увеличение углекислого газа, добавленного в атмосферу деятельностью человека.

Это подчеркивает важный момент: в то время как горный цикл успешно регулирует климат Земли в геологических временных масштабах, он работает слишком медленно, чтобы противостоять быстрым изменениям, которые вызывают люди. Естественные процессы, которые обычно восстанавливают климатический баланс, действуют в течение миллионов лет, в то время как антропогенное изменение климата происходит в течение десятилетий.

Взаимосвязанная природа рок-цикла

Существует естественная тенденция думать, что породы на поверхности Земли прогрессируют как магматические -> осадочные -> метаморфические -> магматические, но это не так. Любой тип породы на поверхности Земли имеет потенциал стать любым другим типом породы через геологические процессы! Эта гибкость является одним из наиболее важных аспектов горного цикла, чтобы понять.

Нежные породы могут быть непосредственно преобразованы в метаморфические породы без предварительного превращения в осадочные породы. Осадочные породы могут быть расплавлены с образованием магматических пород без прохождения метаморфической стадии. Метаморфные породы могут быть выветриты и эродированы с образованием осадков без плавления. Как следует из названия, цикл пород продолжается бесконечно. Можно начать прослеживание цикла пород в любой момент процесса.

Сроки рок-цикла

Различные процессы в пределах горного цикла работают с совершенно разными скоростями. По консервативной оценке, каждый из этих шагов займет приблизительно 20 миллионов лет (некоторые могут быть меньше, другие будут больше, а некоторые могут быть намного больше). Выветривание и эрозия могут происходить относительно быстро в геологическом плане, превращая открытые породы в осадочные породы в течение тысяч до миллионов лет. Образование осадочных пород через литификация обычно требует миллионов лет захоронения и уплотнения.

Метаморфизм может происходить быстрее, когда камни подвергаются интенсивному теплу от близлежащих вторжений магмы, потенциально преобразуя породы за тысячи лет. Однако региональный метаморфизм, связанный с горным строительством, обычно требует миллионов лет. Таяние пород для образования магмы и последующее охлаждение для образования магматических пород может происходить в течение временных рамок от дней (для быстро охлаждающейся лавы) до миллионов лет (для больших магматических камер, охлаждающихся глубоко под землей).

Скалистый цикл на других планетах

На Земле цикл горных пород все еще активен, потому что наше ядро достаточно горячо, чтобы держать мантию в движении, наша атмосфера относительно толстая, и у нас есть жидкая вода.На некоторых других планетах или их спутниках, таких как Луна, цикл горных пород практически мертв, потому что ядро больше не достаточно горячо, чтобы управлять конвекцией мантии, и нет атмосферы или жидкой воды.

Это подчеркивает уникальные условия, которые делают Землю геологически активной. Присутствие жидкой воды, тектоника плит и активный интерьер необходимы для полностью функционирующего горного цикла. Марс когда-то имел более активный горный цикл, когда на его поверхности была жидкая вода и более активный интерьер, но эти процессы в значительной степени прекратились. Венера имеет вулканическую активность, но не хватает воды, необходимой для многих процессов выветривания.

Метеоритные исследования, исследования космоса и астрономические наблюдения показывают, что горный цикл — это не исключительно земноцентричное явление, а крупномасштабный процесс, связывающий геологическую эволюцию планетарных тел с межзвездной пылью, порождаемой звездной смертью. Эта более широкая перспектива помогает нам понять геологию Земли в контексте планетарной науки и эволюции скалистых тел во Вселенной.

Практическое применение и будущие исследования

Понимание горного цикла имеет множество практических применений, выходящих за рамки академического интереса. Геологи используют знания о горном цикле для определения местонахождения природных ресурсов, прогнозирования геологических опасностей и понимания изменений окружающей среды.

Разведка ресурсов

Знание того, как образуются различные типы горных пород, помогает геологам предсказывать, где могут быть найдены ценные ресурсы. Понимание того, что определенные месторождения руды образуются в конкретных магматических средах, помогает сосредоточить усилия по разведке. Знание того, что нефтяные формы в осадочных бассейнах помогают определить перспективные области для разведки нефти и газа. Понимание метаморфических процессов помогает найти месторождения ценных минералов и драгоценных камней.

Оценка опасности

Понимание процессов выветривания и эрозии помогает прогнозировать оползни, оползни и другие геологические опасности. Знание того, как различные типы горных пород реагируют на выветривание, помогает инженерам проектировать более стабильные структуры и инфраструктуру. Понимание взаимосвязи между тектоникой плит и циклом горных пород помогает оценить землетрясения и вулканические опасности.

Управление окружающей средой

Понимание горного цикла имеет решающее значение для решения экологических проблем. Знание процессов выветривания помогает предсказать, как загрязняющие вещества будут перемещаться через почву и грунтовые воды. Понимание переноса осадков помогает управлять эрозией и качеством воды. Знание того, как камни улавливают углерод, информирует о стратегиях улавливания и хранения углерода.

Климатические решения

Некоторые исследователи изучают способы ускорения процессов естественного выветривания для удаления CO2 из атмосферы. Усиление выветривания пород включает в себя распространение мелкоземельных силикатных пород на сельскохозяйственных землях, где они выветриваются быстрее, чем это было бы естественным образом, удаление CO2 из атмосферы. Хотя этот подход и является многообещающим, он сталкивается с проблемами, связанными с энергией, необходимой для добычи и измельчения пород, и неопределенностью в отношении того, насколько он будет эффективен в больших масштабах.

Заключение

Скальный цикл представляет собой один из самых фундаментальных и устойчивых процессов Земли. В целом, горный цикл подчеркивает динамичную природу геологии Земли и взаимосвязанность различных типов горных пород. От образования новых магматических пород на срединно-океанических хребтах до выветривания древних гор, от осаждения осадков в океанских бассейнах до метаморфизма горных пород глубоко под землей, скальный цикл непрерывно меняет нашу планету.

Понимание горного цикла дает представление об истории Земли, насчитывающей 4,5 миллиарда лет, помогает нам находить и управлять природными ресурсами, а также раскрывает сложные отношения между геологическими процессами и климатом. Это демонстрирует, как внутреннее тепло Земли, тектоника плит, водный цикл и даже сама жизнь работают вместе, чтобы создать динамичную планету, на которой мы живем.

Поскольку деятельность человека все больше влияет на геологические процессы, от ускорения эрозии через изменения в землепользовании до быстрого высвобождения углерода, хранящегося в породах в течение миллионов лет, понимание горного цикла становится все более важным. Это знание помогает нам оценить временные рамки, в течение которых работают естественные процессы, и величину воздействия человека на системы Земли.

Скалистый цикл напоминает нам, что Земля — не статическая планета, а динамичный, постоянно меняющийся мир, где сегодняшние горы в конечном итоге станут завтрашними отложениями, и где скалы под нашими ногами имеют истории, которые можно рассказать о древних океанах, извержениях вулканов и континентальных столкновениях.Изучая горный цикл, мы получаем не только научные знания, но и более глубокую оценку замечательной планеты, которую мы называем домом.

Для получения дополнительной информации о геологических процессах и науке о Земле посетите веб-сайты Геологической службы Соединенных Штатов и Национального географического образования , которые предлагают обширные ресурсы о скалах, минералах и динамических системах Земли.