формируется лигнит (бурый уголь) – уголь низкого качества. По прошествии еще большего времени этот материал становится плотнее и суше, образуя полубитуминозный, а затем битуминозный уголь, и, наконец, при высоких температурах и давлении, как произошло во время образования Аппалачей, создается метаморфическая органическая порода – антрацит. От лигнита до антрацита качество угля повышается: чем старше уголь, тем меньше содержание воды, выше плотность, и материал более богат углеродом.

Как уже отмечалось, один из самых значимых периодов формирования залежей угля – это каменноугольный период палеозойской эры, когда преобладали болота и такие растения, как каламиты, лепидодендроны и сфенофиллумы. Не существует углей, возраст которых моложе 2 млн лет[571].

Шахтеры добывают уголь открытым способом, если слои находятся достаточно близко к поверхности Земли, или другими способами, такими как шахтный и скважинный, если уголь залегает глубоко. Эти методы добычи могут сказаться на окружающей среде. При открытом способе добычи не только извлекаются большие объемы земли, но кислотные шахтные воды могут разрушать водоемы, реки и почвы.

И при открытом, и при закрытом способе добычи угля вместе с ним извлекается минерал пирит («золото дураков»), представляющий собой сульфид железа; пирит формируется в той же среде, что и уголь. В процессе обработки уголь и ассоциированный пирит подвергаются дроблению (чтобы продукт стал более пригоден для транспортировки), и в результате площадь поверхности обоих материалов увеличивается. В условиях с низким содержанием кислорода, где формируется пирит, он находится в равновесии, но на поверхности Земли пирит теряет стабильность. Он начинает выветриваться (разрушаться), а увеличение площади поверхности за счет раздробленного минерала приводит к росту скорости процесса выветривания. Разрушение пирита становится причиной появления кислотных шахтных вод. Присутствие бактерий ускоряет процесс, который приводит к стремительному закислению. Другие химические вещества и металлы в окружающих породах или в тоннелях шахты, в которых застаиваются шахтные воды с растущей кислотностью, начинают вымываться из-за постоянного воздействия кислой среды. Поэтому иногда реки в зонах добычи угля становятся красными.

Помимо промышленных и минеральных ресурсов, литосфера и биосфера играли важную роль в формировании друг друга на протяжении геологического времени. Это взаимодействие впервые наблюдается в докембрийских формациях полосчатых железистых кварцитов, которые наращивались первыми формами жизни, образовывавшими строматолиты. Эти формации образуют некоторые из крупнейших месторождений железа, добываемого сегодня. Выветривание континентальных пород приводило к поступлению потоков необходимых минералов и питательных веществ в моря и океаны. Такие минералы во время кембрийского взрыва в начале палеозоя присутствовали в первых твердых известковых панцирях существ, обеспечивая им возможность защищаться от первых хищников на Земле. Жизнь не могла бы развиваться без горных пород и содержащихся в них веществ, а многие горные породы не существовали бы без предшествующих им форм живых организмов.

Гидросфера и деятельность человека

Круговорот воды в природе соединяет все формы воды на всей Земле. 70 % поверхности Земли покрыто водой, и большая ее часть находится в океанах.

Вода является такой значительной составляющей повседневной жизни, что люди часто даже не задумываются об этом. Если бы не вода и ее уникальные свойства, жизни на планете не существовало бы. Вода на Земле, в отличие от большинства других небесных тел Солнечной системы, существует в трех агрегатных состояниях – жидком, твердом и газообразном. Когда вода превращается в лед, она расширяется; лед обладает меньшей плотностью по сравнению с жидкой водой и имеет кристаллическую решетку. В этой форме вода соответствует определению минерала. Из-за более низкой плотности лед формируется на поверхности воды, а не на дне озер или других поверхностных водоемов. Это свойство льда позволяет живым организмам переживать холодные периоды. Когда лед тает, кристаллическая структура разрушается, и объем воды уменьшается. Эти особенности превращают Землю в единственную планету Солнечной системы, которая находится в обитаемой зоне, хотя полагают, что на спутниках некоторых планет имеется жидкая вода, а также лед, поэтому, возможно, они подходят для существования жизни.

Воду называют универсальным растворителем, потому что со временем она растворяет почти все, с чем вступает в контакт. Способность воды к растворению наряду с ее способностью расширяться в замерзшем виде – движущий фактор выветривания горных пород. Даже граниты, представляющие собой твердые кристаллические породы, начинают разрушаться, когда вода проникает в трещины и создает мелкие разрывы на поверхности породы. Вода замерзает и вызывает расширение трещины, предоставляя возможность для просачивания еще большего количества воды, а потом на поверхности закрепляются лишайники и растения. Как только исходная порода начинает крошиться, вода становится основным способом переноса выветренного материала – с помощью ручьев, рек и ледников.

Согласно теории «горячей» ранней Земли в гадейском эоне вода на нашей планете существовала только в виде пара. Океаны состояли из горячей магмы, и никакие массивы суши не образовывались – это было действительно похоже на ад. Океаны с жидкой водой появились, когда Земля остыла в архее. Вопрос о том, откуда взялась вода, – предмет спора между геологами. Возможно, вода была занесена метеоритами или астероидами, многие из которых имеют в составе лед; альтернативный вариант заключается в том, что мантия могла выделять воду в результате первых тектонических процессов и вулканических извержений и конденсации пара в атмосфере. Каким бы ни был источник воды на планете, когда образовались водные океаны, вода начала испаряться и конденсироваться, и дожди могли идти в течение тысячелетий.

Круговорот воды в природе (рис. 12.4) – это путь циркуляции воды на Земле[572]. Пресная вода испаряется из океанов, образуя облака, которые перемещаются над сушей, и вода выпадает в виде осадков. Часть воды, выпавшей в виде осадков, опять испаряется; часть связывается в глетчерах и ледниковых щитах; часть в виде поверхностных стоков восполняет ручьи, озера и реки; а часть просачивается в землю и превращается в подземную воду. Часть воды в малых и больших реках возвращается в океан, перенося пресную воду и растворенные минералы, продукты континентального выветривания.

Рис. 12.4. Круговорот воды в природе (Heath, 1998)

Бо́льшая часть воды на Земле находится в океанах – 96,5 % всей воды на планете. Океанская вода соленая: общее количество растворенных твердых веществ составляет около 35 000 ppm, то есть соленость воды равна 35 промилле. Хотя в океанской воде содержится множество растворенных ионов, в ней достигнут относительный баланс между количеством материалов, выветриваемых с континентов и переносимых реками, и других поступающих веществ и теми, что способны испаряться. В 1715 г. английский астроном Эдмунд Галлей (1656–1742), который открыл комету, названную впоследствии его именем, утверждал, что ученые могут определить возраст Земли, оценив относительную соленость на протяжении времени, то есть, по сути, используя