Геологический цикл формирования горных пород. I

Образованное от двух греческих слов(«гео» - Земля и «логос» - учение) понятие «геология» объединяет десятки научных направлений и сотни специальностей, занимающихся изучением планеты Земли, ее структуры, строения, состава, состояния и динамики в результате протекающих в ее пределах и на поверхности разнообразных процессов. Геология, по образному выражению американских геологов А. Аллисона и Д. Пальмера – «наука о вечно меняющейся планете Земля», являющейся объектом данной науки. Земля – сложное материальное тело, имеющее историю развития более 4 млрд. лет. Представления о его строении, происхождении, истории развития за последние десятилетия значительно изменились. Менялся следовательно и предмет геологии, т.е. совершенствовались модели планеты и ее отдельных элементов.

Появление и развитие геологии и ее научных направлений было вызвано потребностями жизни. Для обеспечения условий выживания племен, народов и человечества в целом были необходимы различные полезные ископаемые – руды металлов, топливо, вода, строительные материалы, а также сведения о строительных и мелиоративных условиях окружающей среды. Развитию геологии очевидно способствовала и любознательность человека – желание понять причины тех или иных природных явлений – землетрясений, вулканических извержений, цунами, происхождение горных обвалов и оползневых смещений, карстовых пещер и т.д.

Велико и общекультурное значение геологии наряду с астрономией как одной из важнейших мировоззренческих дисциплин. Трудно представить гармонически развитого человека без знания азов строения Земли – своей колыбели – ее истории, процессах и явлениях. Геологические знания не только помогают преодолевать суеверный страх перед природой, но дают возможность изучать их, познавать и использовать в хозяйственной деятельности.

Любая наука отличается от других своим объектом, предметом и методами. Планету «Земля» геология постигает путем изучения геологических тел – минералов, горных пород, толщ, слоев, свит, тектонических структур, их происхождения и изменений. Геология – наука историческая. Возраст геологических тел исчисляется тысячами, миллионами и даже миллиардами лет. Воспроизводить условия их образования очень сложно. Но геологии помогает метод актуализма (М. Ломоносов, Ч. Лайель), гласящий, что процессы, изменяющие лик Земли сегодня, примерно также протекали и в прошлом. изучение деятельности рек, морских волн, ветра, вулканов и других процессов и явлений сегодня, помогает понять их роль в прошлом. Таким образом, изучая нашу планету, геология освещает целый круг вопросов, а именно:

Вещественный состав Земли (минералогия, петрография);

Строение Земли и процессы, которые происходят в ее недрах и на ее поверхности (геотектоника, динамическая геология, вулканология, сейсмология, геология моря);

Историю формирования и развития Земли, изменение ее облика (историческая геология, палеонтология, палеогеография);

Исследования прикладного характера (учение про полезные ископаемые, гидрогеология, инженерная геология и т.д.).

Отсюда вытекают главные задачи этой науки:

Изучение вещественного состава внутренних оболочек Земли;

Изучение внутреннего строения Земли;

Изучение закономерностей развития литосферы и земной коры;

Изучение истории развития жизни на Земле и др.

Для решения поставленных перед собой целей и задач, геология руководствуется особым методологическим аппаратом. Основными методами, применяемыми при геологических исследованиях являются:

1. Методы полевой геологической съемки - изучение геологических обнажений, извлеченного при бурении скважин кернового материала, слоев горных пород в шахтах, изверженных вулканических продуктов, непосредственное полевое изучение протекающих на поверхности геологических процессов.

2. Геофизические методы - используются для изучения глубинного строения Земли и литосферы. Сейсмические методы , основанные на изучении скорости распространения продольных и поперечных волн, позволили выделить внутренние оболочки Земли. Гравиметрические методы , изучающие вариации силы тяжести на поверхности Земли, позволяют обнаружить положительные и отрицательные гравитационные аномалии и,следовательно, предполагать наличие определенных видов полезных ископаемых. Палеомагнитный метод изучает ориентировку намагниченных кристаллов в слоях горных пород. Осаждающиеся кристаллы ферромагнитных минералов ориентируются своей длинной осью в соответствии с направлениями силовых линий магнитного поля и знаками намагниченности полюсов Земли. Метод основан на непостоянстве (инверсии) знака полярности магнитных полюсов. Современные знаки намагниченности полюсов (эпоха Брюнес) Земля приобрела 700 000 лет назад. Предыдущая эпоха обратной намагниченности - Матуяма.

3. Астрономические и космические методы основаны на изучении метеоритов, приливно-отливных движений литосферы, а также на исследовании других планет и Земли (из космоса). Позволяют глубже понять суть происходящих на Земле и в космосе процессов.

4. Методы моделирования позволяют в лабораторных условиях воспроизводить (и изучать) геологические процессы.

5. Метод актуализма - протекающие ныне в определенных условиях геологические процессы ведут к образованию определенных комплексов горных пород. Следовательно, наличие в древних слоях таких же пород свидетельствует об определенных, идентичных современным процессах, происходивших в прошлом.

6. Минералогические и петрографические методы изучают минералы и горные породы (поиск полезных ископаемых, восстановление истории развития Земли).

Постепенное накопление геологических знаний привело к дифференциации геологической науки, выделению целого ряда родственных наук, каждая из которых обладает своим объектом и предметом исследования. На сегодняшний день науки геологического цикла весьма обширны и разнообразны, а геологических специальностей насчитывается более сотни. Среди основных наук геологического цикла можно назвать:

минералогия – физические особенности и химическая природа минералов;

петрография – состав, строение, происхождение и условия залегания горных пород;

геотектоника – движение и строение земной коры, формы залегания слоев горных пород;

динамическая геология – процессы, которые изменяют земную кору и вид поверхности нашей планеты в целом;

палеонтология – наука про древние ископаемые организмы, их строение, развитие, географическое распространение в разные периоды истории Земли; данная отрасль геологии тесно связана с зоологией и ботаникой, поскольку с ее помощью изучается история развития растительного и животного мира;

историческая геология – геологическая история Земли от ее формирования как планеты до современной эпохи, выявляет последовательность изменений, которые происходили на протяжении существования планеты;

палеогеография – физико-географические условия, которые существовали на поверхности Земли в предыдущие геологические эпохи;

учение про полезные ископаемые – исследование происхождения, закономерностей распространения и форм залегания полезных ископаемых;

гидрогеология – условия залегания воды в толще земной коры, ее состав, происхождение и особенности;

инженерная геология – горные породы земной коры, перспективы их использования для строительства различных сооружения: зданий, мостов, прокладки каналов и т.п.; для этого изучается прочность и стойкость пород к температурным изменениям, нагрузкам и возможности развития в них различных негативных геологических процессов (сдвигов, суффозий, карста, просадок и т.п.)

В последнее время растет экологическая роль геологии. Она разрабатывает вопросы надежного захоронения вредных отходов производства, особенно радиоактивных и химических, разумного строительства с учетом возможного ущерба от опасных геологических факторов: землетрясений, эрозии, оползней и т.д.

Все геологические науки тесно связаны между собой и дают целостную картину строения и развития земной коры и Земли в целом.

Геология тесно связана с географией, химией, физикой, ботаникой, зоологией и другими естественными науками. Она является основанием для специальных географических дисциплин: физической географии, общего землеведения, геоморфологии и т.д. Геология играет важную роль в изучении эволюции географической оболочки. Исследование месторождений полезных ископаемых является важным элементом для глубокого понимания экономической географии.

Связь геологии и химии заключается в изучении химического состава земной коры, происхождения, особенностей, использования природных химических соединений – минералов. Исследования минералов раскрывают суть химических процессов, которые происходят в природе. Кроме того богатства недр являются основным источником сырья для химической промышленности.

С биологией связан отдельный раздел геологии – палеонтология, которая изучает историю возникновения и развития органического мира по окаменелым останкам. С другой стороны, исследования условий жизни современных растительных и животных организмов помогает геологам реконструировать условия прошлых периодов истории Земли.

Как сказал российский академик В.О. Обручев: «геология учит нас смотреть открытыми глазами на окружающую нас природу и понимать историю ее развития», т.е. дает научное объяснение целому ряду природных процессов и явлений.

Геология тесно связана также с практическою деятельностью человека: разведка месторождений полезных ископаемых, которые используются в промышленности. Только после инженерно-геологического обоснования проектов начинается строительство жилых, хозяйственных и инфраструктурных объектов. Горные породы и рельеф являются важными факторами почвообразовательных процессов, которые необходимо учитывать в сельскохозяйственной деятельности.

С тех пор как человек стал удивляться звездам не небе, значительна часть его умственной энергии, очевидно, тратилась на познание Земли. Столетия и тысячелетия ему понадобились, чтобы увидеть в камне орудия труда и защиты. Затем он научился выплавлять медь, бронзу, железо, накапливая знания и навыки поиска руд этих металлов, признаков месторождений полезных ископаемых. Полагают, что учение о месторождениях полезных ископаемых, зародившееся в IV тысячелетии до н.э. положило начало геологии как науки. Большой вклад в развитие геологии в Античное время внесли такие ученые как Аристотель, доказавший, что Земля имеет форму шара, и выдвинувший предположение о том, что постоянно меняется площадь, занятая сушей и морем; Страбон, утверждавший, что Земля постоянно испытывает вертикальные движения, то поднимаясь, то опускаясь; Плиний Старший, написавший 36-томный труд «Естественная история», в котором собрал и систематизировал геологические знания своей эпохи.

Капитальные труды собственно геологического содержания появляются в Средние века. Так, персидский врач и философ Авиценна разработал первую классификацию минералов, а ученому из Хорезма Аль-Бируни принадлежит труд «Собрание сведений о познании драгоценных минералов».

В эпоху Возрождения ученые вплотную приблизились к истокам современного познания. Были сделаны величайшие открытия в географии, физике, биологии и других естественных науках, в том числе и в геологии. Так, Леонардо да Винчи, работая на строительстве ирригационных сооружений в Италии, пришел к выводу о том, что участки суши, где велось строительство, когда-то были морским дном, поскольку в горных породах встречалось много остатков морских организмов. Большое значение для развития геологии имели работы по астрономии М. Коперника, который доказал, что именно Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот (гелиоцентрическая модель).

Отдельные мысли и идеи были выдвинуты в области познания геологических процессов и явлений. Так, датский ученый Н. Стено описал формы дислокаций земной коры, трансгрессии и регрессии морей, выдвинул вулканическую теорию образования гор. Его работы заложили основы таким геологическим наукам, как стратиграфия и тектоника, кроме того с именем этого ученого связано введение в методологический аппарат науки геологического метода. Немецкий физик, математик и философ Г.В. Лейбниц, первым высказал мысль о том, что горные породы образуются из горячей расплавленной массы, из которой когда-то состояла Земля. Значительный вклад в дальнейшее развитие геологии внесли труды Иммануила Канта «Всеобщая естественная история и теория неба» и М.В. Ломоносова «О слоях земных», «Слово о рождении металлов от трясения земли», «Первые основы металлургии или рудных тел».

Конец XVIII- начало XIX в.в. ознаменовались экспедиционным исследованием геологического строения многих районов Европы и Азии, которые проводились П.С. Паллосом, И.И. Лепехиным и др. Геологическая карта Восточного Забайкалья, составленная Д. Лебедевым и М. Ивановым, оказалась одной из первых геологических карт в мире.

В XVIII – XIX в.в. появляется ряд работ, давших значительный толчок дальнейшему развитию науки. Профессор Фейбергской академии в Саксонии А. Вернер стал одним из основоположников современной минералогии. В области теоретической геологии он возглавлял так называемую школу нептунистов и утверждал, что основным геологическом фактором в изменении лика планеты является вода. Шотландский ученый Д.Геттон (основатель школы плутонистов) считал, что ведущая роль в геологических процессах принадлежит подземным силам.

Английский ученый В. Смит разработал палеонтологический метод определения относительного возраста горных пород. Суть метода заключается в том, что относительный возраст горных пород определяют по остаткам ископаемых организмов, т.к. с каждым комплексом разных по возрасту осадочных пород связан комплекс определенных организмов. В первой половине XIX века началось систематическое изучение остатков ископаемых организмов с целью разделения осадочных толщ и выработки единой для всех стран геохронологической шкалы. В это время также происходит зарождение палеонологии и исторической геологии как самостоятельных научных дисциплин.

Во второй половине XVIII века закладываются основы теоретической геологии, поднимаются вопросы происхождения горных пород. Благодаря работам И. Канта и П.С. Лапласса возникает научная космогония. Работы Ж. Ламарка, Ч. Лайеля, Ч.Дарвина опровергаю теорию катастроф Ж.Кювье, утверждая эволюционный этап развития Земли.

В 80-х годах XIX века Дж. Голл и Дж. Дэн сформулировали основные положения теории геосинклиналей.

Лекция 2. Земля во Вселенной. Особенности внутреннего строения планеты.

Земля представляет собой космическое тело, планету, являющуюся частью Вселенной. Во Вселенной все небесные тела образуют скопления разной сложности. Так, Земля со спутником Луной, образуют систему. Она входит в более крупную систему – Солнечную, образованную Солнцем и движущимися вокруг него небесными телами – планетами, астероидами, спутниками и кометами. Солнечная система в свою очередь является частью Галактики – это Галактика Млечного пути. Галактики в свою очередь образуют еще более сложные системы – скопления галактик.

Солнечная система состоит из центральной звезды – Солнца, девяти планет, а также спутников, астероидов и комет. Все планеты солнечной системы делятся на две большие группы:

1. "Планеты земного типа" (Меркурий, Венера, Земля, Марс). Отличительные особенности этих планет – близкое расположение в Солнцу; небольшие размеры; высокая плотность вещества; основными их составляющими являются силикаты (соединения кремния) и железо, следовательно планеты земной группы твердые тела; планеты медленно вращаются вокруг своей оси (у Меркурия период вращения равен 58,7 земных суток; у Венеры – 243, у Марса – немногим более суток). Из-за медленного вращения полярное сжатие у планет небольшое и они имеют форму близкую к шару.

2. "Планеты-гиганты" (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Планеты данной группы расположены на большом расстоянии от Солнца, имеют большие размеры. Наиболее распространенными химическими элементами являются водород и гелий, следовательно планеты-гиганты представляют собой газовые шары. Все планеты-гиганты с большой скоростью вращаются вокруг своей оси, благодаря чему имеют большое полярное сжатие. Все планеты имеют большое количество спутников.

Астероиды (от греческого astereideis – звездоподобные) – малые планеты Солнечной системы Они образуют тонкое кольцо между орбитами Марса и Юпитера (предположительно образовались после разрушения планеты Фаэтон или за счет сгустков первичного газопылевого облака). Их среднее расстояние от Солнца 2,8 – 3,6 а.е. Первый астероид был назван Церера (1801 год), к 1880 году астероидов было известно уже около 200, сейчас орбиты вычислены для более 40 000 астероидов. Самый большой астероид Церера имеет диаметр 1000 км, диаметр Паллады – 608, Весты – 540, Гигии – 450 км. Практически все астероиды имеют неправильную форму, только самые крупные приближаются к шару.

Кометы (от греч. kometes – хвостатые) небольшие несветящиеся тела Солнечной системы, которые становятся видимыми только при подходе к Солнцу. Движутся по сильно вытянутым эллипсам. Число комет измеряется миллионами. С приближением к Солнцу у них резко обособляется «голова» и «хвост». Головная часть состоит из льда и частиц пыли. В разреженной газо-пылевой среде хвоста обнаружены ионы натрия и углерода. Одна из самых известных комет – комета Галлея, каждые 76 лет она появляется в зоне видимости Земли.

Метеоры – мельчайшие твердые тела массой несколько граммов, вторгшиеся в атмосферу планеты. Мелкие частицы вещества, двигаясь со скоростью 11-12 км/с, из-за трения в атмосфере разогреваются до 1000 0 С,что вызывает их свечение на протяжении нескольких секунд. Они сгорают в атмосфере не долетая до поверхности. Метеоры делятся на единичные и метеорные потоки. Наиболее известны метеорные потоки: Персеиды (падают в августе), Дракониды (октябрь), Леониды (ноябрь). Если Земля пересекает орбиту метеорного потока, частицы «налетают на планету», начинается «звездный дождь». Упавшие на поверхность планеты небесные тела называются метеоритами. Наибольший метеорный кратер на Земле имеет диаметр 1265 м и расположен в Аризоне около каньона Диабло. Наиболее распространенными элементами метеоритов являются кислород, железо, кремний, магний, никель и др.

Земля является третьей планетой от Солнца и самой крупной планетой земной группы. Вместе с Луной Земля образует двойную планету. На ранних этапах своего формирования Земля представляла собой холодное космическое тело, содержащее все известные в природе химические элементы. Постепенно за счет гравитационных сил, энергии распада радиоактивных элементов и лунных приливов недра Земли стали разогреваться. Когда температура недр достигла уровня плавления окислов железа и других соединений начались активные процессы формирования ядра и основных оболочек планеты: ядра, мантии и земной коры.

Изучение внутреннего строения земли связано с большими трудностями, т.к. ученые не могут непосредственно наблюдать те процессы, которые происходят в глубинах планеты. Основными источниками информации о строении Земных недр, их вещественном составе, агрегатном состоянии являются сейсмические волны, возникающие при землетрясениях и целенаправленных взрывах. В течение небольшого отрезка времени они пронизывают практически всю Землю. При прохождении сквозь тело планеты сейсмические волны на некоторых глубинных уровнях заметно меняют свою скорость, что свидетельствует об изменении свойств основных оболочки или геосферы: земную кору, мантию и ядро.

Земная кора. Земная кора представляет собой верхний слой жесткой оболочки Земли – литосферы. Земная кора отделена от подстилающей ее литосферной мантии границей Мохоровичича. Поверхность земной коры формируется благодаря трем разнонаправленным воздействиям: тектоническим движениям, создающим неровности рельефа, денудации этого рельефа за счет разрушения и выветривания слагающих его горных пород и благодаря процессам осадконакопления. В результате постоянно формирующуюся и одновременно сглаживающаяся поверхность земной коры оказывается достаточно сложной. Мощность земной коры колеблется от 5-10 км под океанами до 70-75 км под горными системами. Состав, строение и мощность коры континентов и океанов различны, что дало основание для выделения ее главных типов: континентального, океанического и двух переходных.

Океаническая земная кора примитивна по своему составу и по существу представляет собой верхний дифференциирванный слой мантии, перекрытый сверху тонким слоем осадков. В океанической коре обычно выделяют три слоя.

Осадочный слой – самый верхний слой океанической земной коры. Средняя мощность осадочного слоя невелика и составляет около 500 м., однако сильно варьирует. Так, возле континентальных окраин и в районах крупных речных дельт она возрастает до 10-12 км. Связано это с тем, что практически весь осадочный материал, сносимый с суши, отлагается в прибрежных участках океанов и на материковых склонах континентов. В открытом океане толщина осадочного слоя возрастает от гребней срединно-океанических хребтов, где осадков почти нет, к их периферии.

Второй слой океанической коры – базальтовый. Общая мощность базальтового слоя достигает 1,5 – 2 км. Верхний слой базальтового слоя сложен базальтовыми лавами толеитового состава. Изливаясь в подводных условиях, эти лавы приобретают причудливые формы гофрированных труб и подушек, поэтому их еще называют подушечными лавами. Ниже располагаются долеритовые дайки, того же толеитового состава, представляющие собой бывшие подводящие каналы, по которым базальтовая магма в рифтовых зонах изливалась на поверхность океанского дна. Базальтовый слой океанической коры обнажается во многих местах океанского дна, примыкающих к гребням срединно-океанических хребтов.

Частые находки в крупных трансформных разломах включений габбро-толеитового состава и серпентинитов свидетельствует о том, что в состав океанической коры входят и эти крупнокристаллические породы. Таким образом, нижний слой океанической коры представлен габбро-серпентинитовыми породам. По сейсмическим данным мощность этого, третьего слоя составляет 4,5-5 км. Таким образом, общая мощность океанической земной коры составляет 6,5-7 км. Снизу океаническая кора подстилается кристаллическими породами верхней мантии. Под гребнями срединно-океанических хребтов океаническая кора залегает непосредственно над очагами базальтовых расплавов, выделившихся из вещества горячей мантии.

Океаническая кора формируется в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов за счет происходящей под ними сепарации (выделения) базальтовых расплавов из горячей мантии и их излияния на поверхность океанского дна. Ежегодно в зонах поднимается из астеносферы, изливается на океанское дно и кристаллизируется не менее 12 км 3 базальтовых расплавов, формирующих собой весь второй и часть третьего слоя океанической коры.

Континентальная земная кора как по составу, так и по строению резко отличается от океанической. Ее мощность колеблется от 20-25 км под островными дугами и участками с переходным типом земной коры до 80 км под молодыми складчатыми поясами Земли (Андами и Альпийско-Гималайским). В противоположность океанической коре большая часть континентальной коры очень древняя. Судя по возрасту древнейших земных пород, начало формирования континентальной коры относится к архею. К рубежу архея и протерозоя в результате тектонической активности Земли сформировалось приблизительно 70% массы современной континентальной коры.

В строении континентальной земной коры также выделяют три слоя: осадочный, гранито-гнейсовый и базальтовый.

Мощность верхнего осадочного слоя колеблется в пределах 0 км на древних щитах до 10-15 км на пассивных окраинах континентов и в краевых прогибах платформ. Среди осадков преобладают глинистые отложения и карбонаты, сформировавшиеся в условиях мелководных морских бассейнов.

Второй слой континентальной коры представлен гранито-гнейсовыми породами докембрийского (архейско-протерозойского возраста) (гнейсами, диоритами, гранитами и кристаллическими сланцами), образовавшимися в результате процессов регионального и метаморфизма. Мощность слоя 10-15 км.

Третий слой земной коры представлен базальтами, мощность этого слоя составляет 15-35 км. Граница, разделяющая гранито-гнейсовый и гранулито-базальтовый слои континентальной земной коры называется границей Конрада.

Субокеанский подтип земной коры характерен для котловин внутренних и окраинных морей (Черного, Азовского, Охотского, Средиземного и т.д.). Для него характерна большая мощность осадочного слоя – 5-10 км (местами может достигать 20 км).

Субконтинентальный подтип земной коры характерен для островных дуг (Курильские, Японские острова). По основным характеристикам близок к континентальному, но его мощность заметно меньше – 20-30 км.

Мантия. Силикатная оболочка Земли – ее мантия – расположена между подошвой земной коры и поверхностью земного ядра на глубинах около 2900 км. Является самой крупной геосферой, составляющей 83% объема планеты и 66% ее массы. Граница между земной корой и мантией известна как поверхность Мохоровичича. Сейсмологические данные свидетельствуют о достаточно сложном внутреннем строении мантии. По значениям физических параметров мантия делится на верхнюю (от поверхности Мохоровичича до глубины 670 км) и нижнюю (от 670 до 2900 км). По сравнению с горными породами, слагающими земную кору, породы мантии отличаются большей плотностью, и скорость распространения сейсмических волн в них заметно выше. Это объясняется не только сжатием вещества под большим давлением, но и химическими процессами, ведущими к превращению одних минералов в другие. Мантия характеризуется увеличением температуры с 2.000 дл 3.700 °С и давления с 35 до 136 ГПа.

Верхняя мантия имеет хорошо фиксируемый внутренний раздел, проходящий на глубине 410 км и разделяющий ее на два слоя. Верхний слой, залегающий от поверхности Мохоровичича до глубины 410 км, называется слоем Гутенберга. Он характеризуется замедлением темпа нарастания скорости прохождения сейсмических волн с глубиной, а в нижнем слое отмечается даже ее снижение, что объясняется размягченным, частично расплавленным состоянием вещества мантии. Эта часть слоя Гутенберга получила название астеносфера. Верхняя часть слоя Гутенберга вместе с земной корой образует единую жесткую оболочку – литосферу, располагающуюся над астеносферой. Литосфера и астеносфера составляют тектоносферу – главную область проявления тектонических процессов Земли.

Понятия литосфера и астеносфера чисто физические. Они различаются по вязкости – жесткая и хрупкая литосфера и более пластичная, подвижная астеносфера. Граница литосферы и астеносферы в осевых зонах срединно-океанических хребтов местами находится на глубине 3-4 км.

В направлении к периферии океанов мощность литосферы увеличивается за счет низов коры, а основном верхов мантии (литосферной мантии) и может достигать 80-100 км у границ с континентами.

В центральных частях континентов, особенно под щитами древних платформ, таких как Восточно-Европейская или Сибирская, мощность литосферы составляет 150-200 км, достигая своего максимума в Южной Африке (350 км).

Практически вся литосферная мантия сложена ультраосновными породами перидотитами, реже дунитами, главными минералами которых являются пироксены, оливин, гранаты.

Ниже слоя Гутенберга, в интервале 410-670 км расположен слой Голицына, который отличается весьма резким нарастанием скорости сейсмических волн с глубиной, что объясняется увеличением плотности мантийного вещества на 10% в связи с существенными минеральными преобразованиями переходом одних минеральных видов в другие, с более плотной упаковкой атомов: оливин переходит в шпинель, пироксен – в гранат. Предполагается, что этот слой сложен преимущественно гранатами. Важным компонентом химического состава слоя является вода, содержание которой по некоторым оценкам составляет около 1%.

Нижняя мантия начинается с глубины 670 км и простирается по радиусу Земли до 2900 км. Основными элементами, составляющими нижнюю мантию являются силикаты (прежде всего это перовскит и магнезиовюстит). Однако наблюдаемая плотность вещества нижней мантии заставляет предполагать увеличение соотношения железа и магния. Нижняя мантия состоит из двух слоев. Предполагается, что нижний слой, находящийся на границе нижней мантии и внешнего ядра может порождать огромные, направленные к поверхности Земли сквозьмантийные тепловые потоки, которые могут проявляться на поверхности планеты в виде крупных вулканических областей, таких как Гавайские острова, Исландия и т.п.

Ядро Земли занимает около 17% объема планеты и составляет 34% ее массы. Граница, разделяющая ядро и мантию носит название слоя Вихерта-Гутенберга. По данным сейсмографии поверхность ядра является неровной, образуя выступы и впадины. В строении ядра выделяют три элемента: внешнее ядро, внутренне ядро и переходный слой.

Внешнее ядро. Не пропускает поперечные сейсмические волны, что может свидетельствовать о том, что вещество, его слагающее, находится в жидком состоянии. В настоящее время большинство ученых полагают, что внешнее ядро состоит из расплава оксида железа с примесью никеля и других более легких элементов (серы, кремния, кислорода и водорода), понижающих его плотность и температуру плавления. Предполагается, что конвективные потоки во внешнем ядре генерируют главное магнитное поле Земли.

Внутренне ядро состоит из железо-никелевого сплава, возможно с некоторой примесью серы и кислорода. Давление здесь достигает 360 ГПа, а температура оценивается в 6.500 – 6.800°С. Переходный слой между внешним и внутренним ядром вероятнее всего состоит из сернистого железа – триолита. Это сравнительно тонкий слой, мощностью 140 км.

Новейшие исследования свидетельствуют о том, что для внутреннего ядра характерно стеклообразное состояние. Железо в нем структурируется в твердое состояние не с помощью кристаллической решетки, а в виде застывшего высоковязкого расплава. Этот расплав стеклуется или переходит в состояние стекла. Скорее всего ядро Земли представляет собой высокоупругое тело с плавно нарастающей вязкостью вплоть до стекольных значений.

О геологии наверняка знает каждый, несмотря на то, что она является, пожалуй, единственной естественнонаучной дисциплиной, не изучаемой в школьном курсе. Развитие «геологических» знаний сопутствовало развитию человечества на всех этапах его истории. Достаточно вспомнить, что общая периодизация истории основана на характере используемых для производства орудий труда материалов: каменный, бронзовый и железный век. Добыча и совершенствование технологии обработки полезных ископаемых неизбежно связаны с увеличением знаний о свойствах минералов и горных пород, выработкой критериев поиска месторождений и совершенствованием способов их разработки. Технологический прогресс, в том числе и на современном этапе развития цивилизации, немыслим без использования природных ресурсов.

Вместе с тем, в понимании, близком к современному, термин «геология» впервые был применен лишь в 1657 году норвежским естествоиспытателем М. П. Эшольтом, а как самостоятельная ветвь естествознания геология начала складываться только во второй половине 18 века. В это время были разработаны элементарные приёмы наблюдения и описания геологических объектов и процессов, первые методы их изучения, проведена систематизация разрозненных знаний, возникли первые гипотезы. Этот период связан с именами выдающихся учёных А. Броньяра, А. Вернера, Ж. Кювье, Ч. Лайеля, М. Ломоносова, У. Смита и многих других. Геология становится наукой.

Наука - выработанная в результате деятельности человека, взаимосвязанная развивающаяся система знаний о законах мира.

Компоненты научного познания:

1. Постановка проблемы, т.е. задачи, которая не может быть решена на основании имеющихся знаний.

2. Выработка гипотезы - системы предположений, основанных на ряде фактов. Гипотеза вырабатывается на основании формулировки точек зрения о проблеме. В ходе доказательства одни гипотезы отвергаются, другие подтверждаются фактами и обогащают теорию.

3. Теория - система обобщенного знания о той или иной области (например, теория Ч. Дарвина).

Геология - развивающаяся система знаний о вещественном составе, строении, происхождения и эволюции геологических тел и размещении полезных ископаемых. Таким образом, объектами изучения геологии являются: состав и строение природных тел и Земли в целом; процессы на поверхности и в глубинах Земли; история развития планеты; размещение полезных ископаемых. Намечается определенная иерархия геологических тел (где тела каждого последующего ранга организации вещества образованы закономерным сочетанием тел предыдущего ранга): минерал - горная порода - геологическая формация - геосфера - планета в целом. «Минимальным» объектом, изучаемым в геологии, выступает минерал (составляющие минералы элементарные частицы и химические элементы рассматриваются в соответствующих разделах физики и химии).

Минералы - однородные по составу и строению кристаллические вещества, образовавшиеся в результате природных физико-химических процессов. Изучению минералов посвящена одна из ветвей геологии - минералогия.

Минералогия - это наука о составе, свойствах, строении и условиях образования минералов. Это одна из старейших геологических наук, по мере развития которой от неё отделялись самостоятельные ветви геологических наук.

Горные породы - естественные минеральные агрегаты, образующиеся в глубинах Земли или на её поверхности в ходе различных геологических процессов. По происхождению (генетически) выделяются три типа горных пород: магматические, образующиеся в результате кристаллизации огненно-жидких природных преимущественно силикатных расплавов - магмы и лавы; осадочные, формирующиеся на поверхности Земли в результате физического и химического разрушения существующих пород, осаждения минералов из водных растворов или в результате жизнедеятельности живых организмов; метаморфические, возникающие при преобразовании магматических, осадочных или ранее образовавшихся метаморфических пород в глубинах Земли под воздействием высоких температур и давлений. Горные породы рассматриваются петрографией.

Петрография - наука, занимающаяся изучением состава, строения, происхождения и закономерностей распространения горных пород. Обычно из петрографии выделяется, как самостоятельная наука, литология, изучающая осадочные горные породы.

Геологические формации - закономерное сочетание определенных генетических типов горных пород, связанных общностью условий образования. Геологические формации рассматриваются во многих разделах геологии (петрографии, литологии, геотектонике и др., даже выделяется особое направление - учение о формациях). Учитывая, что выявление формаций, как объектов высокого ранга, возможно лишь при изучении крупных участков земной коры, важная роль в их исследовании отводится региональной геологии.

Региональная геология - раздел геологии, занимающийся изучением геологического строения и развития определенных участков земной коры.

Геосферы - концентрические слои (оболочки), образованные веществом Земли. В направлении от периферии к центру Земли расположены атмосфера, гидросфера (образующие внешние геосферы), земная кора, мантия и ядро Земли (внутренние геосферы). Область обитания организмов, включающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть земной коры, называется биосферой.

Важнейшая роль в изучении геосфер, их состава, протекающих в них процессов и их взаимосвязи, отводится геофизики и геохимии.

Геофизика - комплекс наук, изучающих физические свойства Земли в целом и физические процессы, происходящие в её твёрдых сферах, а также в жидкой (гидросфера) и газовой (атмосфера) оболочках.

Геохимия - наука, изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на её поверхности. Наука, исследующая глубинные процессы, изменяющие состав и строение твердых оболочек Земли, называется геодинамика.

Минералы и горные породы залегают в виде определённых геологических тел. Важными направлением геологии является науки, изучающие формы залегания пород, механизм и причины образования этих форм. Наука, изучающая формы залегания горных пород в земной коре и механизм образования этих форм называется структурная геология (обычно рассматривается как раздел тектоники).

Тектоника - наука о строении, движениях и деформациях литосферы и её развитии в связи с развитием Земли в целом. Геологами приходится иметь дело с толщами горных пород, накопившимися на миллиарды лет. Поэтому ещё одним важнейшее направление включает науки, восстанавливающие по следам, сохранившимся в толщах горных пород, события геологической истории и их последовательность.

Геохронология - учение о последовательности формирования и возрасте горных пород.

Стратиграфия - раздел геологии, занимающийся изучением последовательности образования и расчленением толщ осадочных, вулканогенно-осадочных и метаморфических пород, слагающих земную кору. Обобщающей дисциплиной этого направления является историческая геология - наука, изучающая геологическое развитие планеты, отдельных геосфер и эволюцию органического мира. Все названные геологические науки тесно связаны с палеонтологией, возникшей и развивающейся на стыке геологии и биологии.

Палеонтология – наука, изучающая по ископаемым остаткам организмов и следам их жизнедеятельности историю развития растительного и животного мира прошлых геологических эпох.

Прикладное направление геологических наук также включает в себя ряд важных разделов: геологию полезных ископаемых; гидрогеологию - науку о подземных водах; инженерную геологию, изучающую геологические условия строительства различных сооружений и др.

Многогранность объектов изучаемых геологией превращает её комплекс взаимосвязанных научных дисциплин . При этом, в большинстве случаев, каждая отдельная дисциплина включает в себя три аспекта: описательный (изучающий свойства объекта, классифицирующий их и пр.), динамический (рассматривающий процессы их образования и изменения) и исторический (рассматривающий эволюцию объектов во времени).

По области использования результатов научные исследования делятся на фундаментальные и прикладные. Цель фундаментальных исследований - открытие новых основополагающих законов природы или способов и средств познания. Цель прикладных - создание новых технологий, технических средств, предметов потребления. Применительно к геологии необходимо отметить следующие практические задачи: открытие новых месторождений полезных ископаемых и новых способов их разработки; изучение ресурсов подземных вод (также являющихся полезным ископаемым); инженерно-геологические задачи, связанные с изучением геологические условия строительства различных сооружений; охрана и рациональное использование недр.

Геология имеет тесную связь со многими науками. На приведенном рисунке указаны разделы наук, возникшие в результате взаимодействия геологии со смежными дисциплинами:

Рис.1. Связь геологии с другими науками

Важнейшим методом геологических исследований является геологическая съёмка - комплекс полевых геологических исследований, производимых с целью составления геологических карт и выявления перспектив территорий в отношении наличия полезных ископаемых. Геологическая съёмка заключается в изучении естественных и искусственных обнажений (выходов на поверхность) горных пород (определение их состава, происхождения, возраста, форм залегания); затем на топографическую карту наносятся границы распространения этих пород с указанием характера их залегания. Анализ полученной геологической карты даёт возможность создания модели строения территории и данных о размещении на ней различных полезных ископаемых.

Геология - настоящая наука историческая, и самой важной ее задачей является определение последовательности геологических событий. Не имеет смысла говорить, что чтобы выполнить все эти задачи, с давних времен разработан ряд наипростейших и интуитивно очевидных признаков временных соотношений пород. Все знают, что интрузивные взаимоотношения всегда представлены контактами интрузивных пород и вмещающих их толщ. Так же известно, что обнаружение признаков таких интрузивных взаимоотношений (зоны закалки, даек и т. п.) однозначно указывает на то, что же интрузия образовалась позднее чем вмещающие породы.

Известно, что ксенолиты и обломки попадают в породы, где в результате разрушения их собственного источника, соответственно они все образовались ранее вмещающих их пород, и поэтому могут быть использованы для определения их относительного возраста. И всё же принцип актуализма показал, что геологические неисчерпаемые силы, которые действуют в наше время, родственно работали и в те времена. Невероятно, но Джеймс Хаттон смог сформулировать принцип актуализма фразой «Настоящее - ключ к будущему».

Безапелляционное утверждение не совсем точное. Вероятно, понятие "богатырская сила" - понятие не геологическое, а физическое, к геологии имеющее опосредованное отношение. Грамотнее говорить о геологических процессах. Выявление сил, сопровождающих эти процессы, могло бы стать главной задачей геологии, чего, к сожалению, нет. Стало известно, что в наше время принцип актуализма является тормозом в развитии представлений о процессах геологии. Конечно же, принцип первичной горизонтальности смог подтвердить, что морские осадки при образовании залегают только горизонтально.

Нет сомнения в том, что принцип суперпозиции заключается именно в том, что все породы, которые находятся в не нарушенном складчатостью и разломами залегании, следуют по очерёдности, в порядке их образования. Молодые породы находятся выше, а древние ниже по разрезу. Кстати сказать, принцип финальной сукцессии постулирует, что в одно и то же время в океане были распространены одни и те же организмы. Стоит также акцентировать внимание на вот чем: палеонтолог, определив набор ископаемых остатков в породе, может разыскать одновременно образовавшиеся породы.

Введение

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИИ

Лекция 1. Геология и цикл геологических наук. Краткий обзор истории

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЗЕМЛЕ И ЗЕМНОЙ КОРЕ

Лекция 2. Происхождение Земли (космогонические гипотезы). Строение и состав

Земли. Структура земной коры.

Лекция 3. Вещественный состав земной коры. Минералы. Горные породы

ЭКЗОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Лекция 4. Выветривание (гипергенез). Геологическая деятельность ветра.

Геологическая деятельность поверхностных и подземных вод

Лекция 5. Геологическая деятельность ледников.

Геологическая деятельность морей и океанов

Эндогенные геологические процессы

Лекция 6. Магматизм. Метаморфизм

Лекция 7. Движения земной коры. Тектонические структуры. Землетрясения

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ

Лекция 8. Геохронология и методы реконструкции геологического прошлого.

Развитие Земли в докембрии и палеозое

Лекция 9. Развитие Земли в мезозое и кайнозое. Природа четвертичного периода

МИНЕРАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ

Лекция 10. Месторождения полезных ископаемых и закономерности их

размещения. Рациональное недропользование

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

кафедра динамической геологии

КУРС ЛЕКЦИЙ

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИИ

Лекция 1. Геология и цикл геологических наук. Краткий обзор истории

Геология и цикл геологических наук.

Геология (греч. «гео» - земля, «логос» - учение) - одна из важнейших наук о Земле. Она занимается изучением состава, строения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук - математики, физики, химии, биологии, географии. Значительный прогресс в указанных областях наук и геологии ознаменовался появлением и развитием важных пограничных наук о Земле - геофизики, геохимии, биогеохимии, кристаллохимии, палеогеографии, позволяющих получить данные о составе, состоянии и свойствах вещества глубоких частей земной коры и оболочек Земли, расположенных ниже. Особо следует отметить многостороннюю связь геологии с географией (ландшафтоведением, климатологией, гидрологией, гляциологией, океанографией) в познании различных геологических процессов, совершающихся на поверхности Земли. Взаимосвязь геологии и географии особенно проявляется в изучении рельефа земной поверхности и закономерностей его развития. Геология при изучении рельефа использует данные географии, так же как и география опирается на историю геологического развития и взаимодействия различных геологических процессов. Вследствие этого наука о рельефе - геоморфология фактически является также пограничной наукой.

По геофизическим данным в строении Земли выделяется несколько оболочек: земная кора, мантия и ядро Земли. Предметом непосредственного изучения геологии являются земная кора и подстилающий твердый слой верхней мантии - литосфера (греч. «литое» - камень). Сложность изучаемого объекта вызвала значительную дифференциацию геологических наук, комплекс которых совместно с пограничными науками (геофизикой, геохимией и др.)

позволяет получить освещение различных сторон его строения, сущность совершающихся процессов, историю развития и др.

Одним из нескольких основных направлений в геологии является

изучение вещественного состава литосферы: горных пород, минералов, химических элементов. Одни горные породы образуются из магматического силикатного расплава и называются магматическими или изверженными; другие - путем осаждения и накопления в морских и континентальных условиях и называются осадочными; третьи - за счет изменения различных горных пород под влиянием температуры и давления, жидких и газовых флюидов и называются метаморфическими.

Изучением вещественного состава литосферы занимается комплекс геологических наук, объединяющихся часто под названием геохимического цикла. К ним относятся: петрография (греч. «петроо - камень, скала, «графе» - пишу, описываю), или петрология - наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их состав, структуру, условия образования, степень изменения под влиянием различных факторов и закономерность распределения в земной коре. Литология (греч. «лито» - камень) - наука, изучающая осадочные горные породы. Минералогия - наука, изучающая минералы - природные химические соединения или отдельные химические элементы, слагающие горные породы. Кристаллография и кристаллохимия занимаются изучением кристаллов и кристаллического состояния минералов. Геохимия - обобщающая синтезирующая наука о вещественном составе литосферы, опирающаяся на достижения указанных выше наук и изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на ее поверхности. С рождением изотопной геохимии в геологии открылась новая страница в восстановлении истории геологического развития Земли.

Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы - непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме - лавовых потоках. Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150-200 км. Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы и другие физические и химические исследования - рентгеноструктурные, спектрографические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ,

экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-го степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.

Следующим направлением геологической науки является динамическая геология, изучающая разнообразные геологические процессы, формы рельефа земной поверхности, взаимоотношения различных по генезису горных пород, характер их залегания и деформаций. Известно, что в ходе геологического развития происходили многократные изменения состава, состояния вещества, облика поверхности Земли и строения земной коры. Эти преобразования связаны с различными геологическими процессами и их взаимодействием. Среди них выделяются две группы: 1) эндогенные (греч. «эндро - внутри), или внутренние, связанные с тепловым воздействием Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, с гравитационной энергией и ее неравномерным распределением; 2) экзогенные (греч. «экзос* - снаружи, внешний), или внешние, вызывающие существенные изменения в поверхностной и приповерхностной частях земной коры. Эти изменения связаны с лучистой энергией Солнца, силой тяжести, непрерывным перемещением водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной коры, с жизнедеятельностью организмов и другими факторами. Все экзогенные процессы тесно связаны с эндогенными, что отражает сложность и единство сил, действующих внутри Земли и на ее поверхности.

В область динамической геологии входит геотектоника (греч. «тектос» - строитель, структура, строение) - наука, изучающая структуру земной коры и литосферы и их эволюцию во времени и пространстве. Частные ветви геотектоники составляют: структурная геология, занимающаяся формами залегания горных пород; тектонофизика, изучающая физические основы деформации горных пород; региональная геотектоника, предметом изучения которой служит структура и ее развитие в пределах отдельных крупных регионов земной коры. Важными разделами динамической геологии являются сейсмология (греч. «сейсмос - сотрясение) - наука о землетрясениях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами.

История геологического развития земной коры и Земли в целом является предметом изучения исторической геологии, в состав которой входит стратиграфия (греч. «стратум» - слой), занимающаяся последовательностью формирования толщ горных пород и расчленением их на различные подразделения, а также палеогеография (греч. «паляйос - древний), изучающая физико-географические обрисовки из поверхности Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры. Расчленение толщ горных пород и установление относительного геологического возраста слоев невозможны без изучения ископаемых органических остатков, которым занимается палеонтология, тесно связанная как с биологией, так и с геологией. Следует подчеркнуть, что важной геологической задачей является изучение геологического строения и развития определенных участков земной коры, именуемых регионами и обладающих какими-то общими чертами структуры и эволюции. Этим занимается обычно региональная геология, которая практически использует все перечисленные ветви геологической науки, а последние, взаимодействуя между собой, дополняют друг друга, что демонстрирует их тесную связь и неразрывность. При региональных исследованиях широко используются дистанционные методы, когда наблюдения осуществляются с вертолетов, самолетов и с искусственных спутников Земли.

Косвенные методы познания, в основном глубинного строения земной коры и Земли в целом, широко используются геофизикой - наукой, основанной на физических методах исследования. Благодаря различным физическим полям, применяемым в подобных исследованиях, выделяются магнитометрические, гравиметрические, электрометрические, сейсмометрические и ряд других методов изучения геологической структуры. Геофизика тесно связана с физикой, математикой и геологией.

Одна из важнейших задач геологии - прогнозирование залежей минерального сырья, составляющего основу экономической мощи государства. Этим занимается наука о месторождениях полезных ископаемых, в сферу которой входят как рудные и нерудные ископаемые, так н горючие - нефть, газ, уголь, горючие сланцы. Не менее важным полезным ископаемым в наши дни является вода, особенно подземная, происхождением, условиями залегания, составом и закономерностями движений которой занимается наука гидрогеология (греч. «гидер» - вода), связанная как с химией, так и с физикой и, конечно, с геологией.

Важное значение имеет инженерная геология - наука, исследующая земную кору в качестве среды жизни и разнообразной деятельности человека. Возникнув как прикладная ветвь геологии, занимающаяся изучением геологических условий строительства инженерных сооружений, эта наука в наши дни решает важные проблемы, связанные с воздействием человека на литосферу и окружающую среду. Инженерная геология взаимодействует с физикой, химией, математикой и механикой, с одной стороны, и с различными дисциплинами геологии - с другой, с горным делом и строительством - с третьей. За последнее время оформилась как самостоятельная наука геокриология (греч. «криос - холод, лед), изучающая процессы в областях развития многолетнемерзлых горных пород «вечной мерзлоты», Занимающих почти 50% территории России. Геокриология тесно связана с инженерной геологией.

С начала освоения космического пространства возникла космическая геология, или геология планет. Освоение океанских и морских глубин привело к появлению морской геологии, значение которой быстро возрастает в связи с тем, что уже сейчас почти треть добываемой в мире нефти приходится на дно акваторий морей и океанов.

Разработка теоретических проблем геологии сочетается с решением ряда народнохозяйственных задач: 1) поиск и открытия новых месторождений различных полезных ископаемых, являющихся основной базой промышленности и сельского хозяйства; 2) изучение и определение ресурсов подземных вод, необходимых для питьевого и промышленного водоснабжения, а также мелиорации земель; 3) инженерно-геологическое обоснование проектов возводимых крупных сооружений и научный прогноз изменения условий после окончания их строительства; 4) охрана и рациональное использование недр Земли.

Познание всех закономерностей эволюции Земли, ее происхождения и развития исключительно важно в контексте общего материалистического понимания природы, в тех философских построениях, которые отражают единство мира. В этом заключается общенаучное значение геологии.

Краткий обзор истории.

Геологическая наука со времени своего зарождения претерпела длительную эволюцию. Корни геологии уходят в далекое прошлое. Человек начал изучать Землю на заре своей сознательной жизни. Древнейшим разделом геологии считается учение о полезных ископаемых. О времени зарождения этой науки говорят находки медных изделий, появившихся в Египте и Передней Азии в IV тысячелетии до н.э. А золото появилось еще раньше. С разработкой руд возникла необходимость распознавания и изучения рудных минералов и полезных камней. Так зарождается минералогия (лат. «минера» - руда).

Дошедшие до нас сведения о трудах ученых древности имеют в основном лишь историческое значение, так как в них здравые мысли переплетаются с вымыслом и легендами. Однако и здесь мы встречаем научные идеи, основывающиеся на фактах.

Ценными являются исследования Аристотеля (384-322 гг. до н.э.), который представил первые астрономические доказательства шарообразности Земли, и работы Аристарха Самосского (III в. до н.э.), предвосхитившего гелиоцентрическую систему мира Коперника, жившего на 18 веков позже его.

Произведения Геродота (V в. до н.э.) и Пифагора (571- 497 гг. до н.э.) содержат богатый фактический материал о вулканах, работе рек, образовании дельты р. Нила, о колебаниях уровня моря.

Развитие торговли и общения между народами привело к зарождению геодезии и географии. 6000 лет тому назад в Египте применяли бурение при постройке пирамид. В Китае изобретен компас (III в. до н.э.).

В эпоху средневековья, в период господства церковно-феодальной идеологии, развитие естествознания было замедлено.

Значительные успехи в развитии минералогии были достигнуты на Востоке. Работы врача и философа Абу-Али Ибн-Сины - Авиценны (980-1037) и ученого из Хорезма Ал-Бируни (972-1048) внесли большой вклад в развитие геологии. Авиценна создал первую классификацию минеральных тел, общепринятую в Европе до XVIII в., а Ал-Бируни первый среди ученых Среднего Востока высказался в пользу гелиоцентрической системы мира и определил длину окружности земного шара.

Серьезные исследования мира начались в эпоху Возрождения (конец XV-начало XVI в.). Это был период перехода от ремесла к мануфактуре. Ему предшествовали Великие географические открытия (открытие Америки в 1492 г., путешествие Васко да Гамы в Индию в 1497 г., кругосветное путешествие Магеллана в 1519-1522 гг.).

Крупным ученым эпохи Возрождения следует назвать Леонардо да Винчи (1452-1519). Наряду с гениальными работами в других областях знаний Леонардо да Винчи внес свой вклад в развитие геологии. Он отверг идею о библейском потопе и божественном сотворении мира. Окаменелости, встречаемые в горных породах, он считал свидетельством перемещения суши и моря.

Немецкий ученый Георг Бауэр - Агрикола (1494-1555) изучал залегание рудных тел. Известны его работы по технике горного дела. Работа Н. Коперника (1473-1543) «Об обращении небесных кругов» положила начало освобождению науки от закрепощения религией.

Становление научной геологии началось с середины XVIII в. Одним из первых М. В. Ломоносов (1711-1765) ввел принцип актуализма: изучение геологических процессов прошлого путем познания современных явлений. Его высказывания о геологических процессах до настоящего времени поражают глубиной мысли и правильностью представлений о природе. М.В. Ломоносов по праву считается одним из основоположников научной геологии. Широко известны его работы: «О слоях земных», «Слово о рождении металлов от трясения земли», «Первые основы металлургии или рудных тел».

М.В. Ломоносов впервые правильно определил роль двух факторов, действующих на Земле: сил внешних (ветер, вода, лед) - извне рожденных, и сил внутренних, связанных с теплотой земного шара, - изнутри рожденных. Оценивая работу внешних и внутренних геологических факторов, создающих и изменяющих формы земной поверхности, М.В. Ломоносов на первое место ставит внутренние силы Земли, которым обязаны своим происхождением не только высокие горы, но и целые материки и глубины морских пучин.

В конце XVIII в. появляются два враждующих направления в науке: нептунисты, вдохновителем которых был профессор Фрейбергской академии А. Вернер, и плутонисты, главой которых являлся шотландский геолог Д. Геттон.

Нептунисты считали, что в основе всех изменений Земли лежит действие внешних сил (вода, ветер, лед, море), плутонисты - действие внутренней энергии (вулканизм, землетрясения). Обе школы подходили к объяснению развития Земли односторонне, и концепции их представителей были неправильны.

Важная роль в развитии геологических представлений о происхождении Земли принадлежит И. Канту, немецкому философу, и П. Лапласу, французскому математику и астроному. Они правильно подошли к решению вопроса о происхождении Земли и Солнечной системы, освободив его от идеи божественного сотворения. В основе их концепции лежит идея развития, эволюции.

Большое значение в развитии геологии имела работа английского геолога Ч. Лайеля (1797-1875), вышедшая в свет в 1833 г. под названием «Основы геологии». Чарлз Лайель объяснял развитие Земли как результат длительного изменения материи. В своем труде он приводит детальное описание геологических процессов внешней и внутренней динамики. Ч. Лайель, так же как и М.В. Ломоносов, исходил из принципа актуализма: настоящее - ключ к познанию прошлого. Правда, у него были и ошибки. В частности, он был далек от представления об эволюционном развитии Земли, полагая, что она просто изменяется случайным образом.

Эволюционные идеи в геологии окончательно утвердились после выхода работы Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» (1859).

В XIX в. шло дальнейшее накопление фактов. Большой фактический материал появляется благодаря усиленным поискам и разведке полезных ископаемых, которые требовались во все возрастающих масштабах в связи с бурным развитием промышленности и строительства. Это обусловило дальнейшее развитие геологической науки. Значительный вклад был сделан русскими учеными, которые стали подходить к объяснению различных геологических процессов с материалистической точки зрения

В 1882 г. в Петербурге был создан Геологический комитет - руководящий центр по изучению геологии России в дореволюционное время.

Среди русских ученых, внесших большой вклад в развитие геологии, в первую очередь следует назвать А. П. Карпинского, которого по праву считают отцом русской геологии. Им написано около 500 научных работ по различным вопросам геологии, палеонтологии, тектоники, стратиграфии, петрографии и другим разделам. И. В. Мушкетов положил начало сейсмотектоническим исследованиям. В. А. Обручев разработал многие важные вопросы: геологии рудных месторождений, неотектоники, четвертичных отложений, геоморфологии и географии. Он считается крупным исследователем Сибири и Центральной Азии. А. П. Павлов является основоположником учения о четвертичных отложениях, видным палеонтологом и основателем московской школы геологов. Е. С. Федоров - известный кристаллограф, создатель кристаллохимического анализа и теодолитного гониометра для измерения гранных углов кристаллов. Труды В. И. Вернадского по геохимии, биогеохимии и радиогеологии всемирно известны.

Имена А. Е. Ферсмана, В. О. Ковалевского, А. Д. Архангельского, В. М. Севергина, Н. И. Кокшарова, П. В. Еремеева, Ф. Ю. Левинсона-Лессинга, А. Н. Заварицкого и многих других вошли в историю как имена основоположников современной геологии.

За последние десятилетия в нашей стране были открыты крупнейшие месторождения калийных солей (Соликамск), апатито-нефелиновых, медно-никелевых и железных руд (Кольский п-ов, Карелия), алмазов (Сибирь и Архангельская обл.), железорудные залежи Курской магнитной аномалии, крупнейшие месторождения нефти и газа (Западная Сибирь) и ряд других полезных ископаемых. К числу их следует отнести уникальное медно-никелевое месторождение с платиноидами в районе г. Норильска.

К настоящему времени в нашей стране создана мощная минерально-сырьевая база, обеспечивающая главнейшими полезными ископаемыми народное хозяйство.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЗЕМЛЕ И ЗЕМНОЙ КОРЕ ГеологияДокумент

... лекций Кол-во часов Формы текущего контроля успеваемости 1 2 3 4 Геология 1. Геология как наука . Предмет и задачи геологии . Цикл геологических наук ...

Антропогенная геология

Программа дисциплины

... геологии . Положение антропогенной геологии в системе геологических наук . Лабораторная работа №1. Связи антропогенной геологии с другими науками геологического цикла ... . – 182 с. Трофимов В.Т. Лекции по экологической геологии . Лекции 6-10 /Уч. пособие. – ...

Геологические циклы

Геологические циклы - это самая крупная единица установленной периодичности Калесник С.В. Общие географические закономерности земли: учебное пособие для географических факультетов университетов / С.В. Калесник. - М.: Мысль, 1970. - С. 85.. Они отразились в смене режимов осадконакопления, вулканизма и магматизма, эпохах расчленения и выравнивания рельефа, периодах формирования кор выветривания и элювиальных образований, в чередовании морских трансгрессий и регрессий, ледниковий и межледниковий, в изменении климата планеты и содержании атмосферных газов.

Вся известная нам геологическая история Земли обнаруживает циклы в несколько сотен миллионов лет, служащих фоном для более коротких (десятки миллионов, миллионы, сотни тысяч лет и др.) циклов, природа которых различна. Наиболее продолжительным астрономическим периодом является галактический год - время между двумя последовательными прохождениями Солнца через одну и ту же точку галактической орбиты. Этот период составляет 180-200 миллионов лет Там же. С. 86.. Колебательными движениями земной коры и обусловленными ими изменениями распределения суши и моря определяется геологическая периодичность с ритмом 35-45 миллионов лет, который положен в основу выделения периодов. Указанные отрезки времени представляют собой своеобразные «сезоны» галактического года, к которому приурочены различные феномены планетной системы: крупные тектоно-магматические циклы, эпохи трансгрессий и регрессий, выравнивания и расчленения суши, возникновение глобальных ледниковых эпох и др.

Существует цикл продолжительностью 85-90 миллионов лет (космическое полугодие, или драконический период у астрономов), обусловленный сменой положения плоскости эклиптики Солнечной системы относительно такой же плоскости Вселенной. При анализе крупных деформаций земной коры и ее поверхности намечается периодичность в 500-570 миллионов лет (утроенный галактический год), причина которого пока не ясна.

История развития Земли за последние 570 миллионов лет делится на три этапа: каледонский (кембрий, ордовик, силур), длительностью около 200 миллионов лет, герцинский (девон, карбон, пермь), длительностью 150-190 миллионов лет, альпийский (мезозой, кайнозой), длительностью около 240 миллионов лет. Последний часто разделяется на раннеальпийский (киммерийский) продолжительностью около 170 миллионов лет и позднеальпийский (альпийский), начавшийся около 70-90 миллионов лет назад Селиверстов Ю.П. Указ. соч. С. 98..

При некотором различии в длительности эти этапы обладают общими чертами, которые позволяют говорить о цикличности: начало каждого этапа ознаменовано общим опусканием земной коры, а завершение ее поднятием. В эпоху опускания господствуют морской режим и однообразный климат, в эпоху поднятий широко распространены суша, мощные складкообразовательные и горообразовательные движения, разнообразные климаты. Средняя (170-190 миллионов лет) продолжительность этих этапов примерно соответствует длительности галактического года. Прямого отражения во времени быть не может, так как надо учитывать запаздывание отражения воздействия на конкретный объект. Существуют предположения о возможном сопоставлении цикличности великих оледенений, повторявшихся примерно через 150-160 миллионов лет, и длительности галактического года (рис. 1) Селиверстов Ю.П. Указ. соч. С. 99..

Сложность проблемы геологических циклов состоит не только в установлении их причин, но и в степени достоверности их существования. Кроме того, отдаленные друг от друга регионы развиваются в тектоническом отношении по-разному. Например, в некоторых областях Южной Сибири проявления складчатости в каледонскую эпоху были разновременны: основная складчатость в Туве была в раннем ордовике, в Западном Саяне - в середине силура, в Кузнецком Алатау - на границе среднего и позднего кембрия.

Механизм, управляющий ритмическими движениями земной коры, еще не выяснен и может быть связан с внутренними особенностями развития Земли или обусловлен длительностью галактического года.

На рисунках 2 и 3 отражена общая картина наиболее существенных геологических ритмов Калесник С.В. Указ. соч. С. 86..

Геология √ одна из фундаментальных естественных наук, изучающая строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует сложные явления и процессы, протекающие на ее поверхности и в недрах. Современная геология опирается на многовековой опыт познания Земли и разнообразные специальные методы исследования. В отличии от других наук о Земле, геология занимается исследованием ее недр. Основные задачи геологии состоят в изучении наружной каменной оболочки планеты √ земной коры и взаимодействующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли (внешние √ атмосфера, гидросфера, биосфера; внутренние √ мантия и ядро).

Объектами непосредственного изучения геологии являются минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, геологические процессы.

2. Цикл геологических наук.

Геология тесно связана с другими науками о Земле, например с астрономией, геодезией, географией, биологией. Геология опирается на такие фундаментальные науки как математика, физика, химия. Геология является синтетической наукой, хотя в то же время распадается на множество взаимосвязанных отраслей, научных дисциплин, изучающих Землю в разных аспектах и получающих сведения об отдельных геологических явлениях и процессах. Так, изучением состава литосферы занимаются: петрология, исследующая магматические и метаморфические породы, литология, изучающая осадочные горные породы, минералогия √ наука, изучающая минералы как природные химические соединения и геохимия √ наука о распределении и миграции химических элементов в недрах земли.

Геологические процессы, формирующие рельеф земной поверхности, изучает динамическая геология, частью которой являются геотектоника, сейсмология и вулканология.

Раздел геологии, занимающийся изучением истории развития земной коры и Земли в целом, включает стратиграфию, палеонтологию, региональную геологию и носит название ╚Историческая геология.

Есть в геологии науки, имеющие большое практическое значение. Такие, как о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология.

В последние десятилетия появились и приобретают все большее значение науки связанные с исследованием космоса (космическая геология), дна морей и океанов (морская геология).

Наряду с этим есть геологические науки, находящиеся на стыке с другими естественными науками: геофизика, биогеохимия, кристаллохимия, палеоботаника. К таковым относятся также геохимия и палеогеография. Наиболее близкая и разносторонняя связь геологии с географией. Для географических наук, таких как ландшафтоведение, климатология, гидрология, океанография, более всего важны геологические науки, изучающие процессы, влияющие на формирование рельефа земной поверхности и историю образования земной коры всей Земли.

3. Методы изучения земных недр.

В геологии применяют прямые, косвенные, экспериментальные и математические методы.

Прямые √ это методы непосредственных наземных и дистанционных (из тропосферы, космоса) изучений состава и строения земной коры. Основной √ геологическая съемка и картирование. Изучение состава и строения земной коры производится путем изучения естественных обнажений (обрывы рек, оврагов, склоны гор), искусственных горных выработок (каналы, шуффы, карьеры, шахты) и буровых скважин (мах √ 3,5 √ 4 км. в Индии и ЮАР, Кольская скважина √ более 12 км., проект 15 км.) В горных районах можно наблюдать естественные разрезы в долинах рек, вскрывающих толщи горных пород, собранных в сложные складки и поднятых при горообразовании с глубин 16 √ 20 км. Таким образом, метод непосредственного наблюдения и исследования слоев горных пород применим лишь к небольшой, самой верхней части земной коры. Лишь в вулканических областях по извергнутой из вулканов лаве и по твердым выбросам можно судить о составе вещества на глубинах 50 √ 100 км. и больше, где обычно располагаются вулканические очаги.

Косвенные √ геофизические методы, которые основаны на изучении естественных и искусственных физических полей Земли, позволяющие исследовать значительные глубины недр.

Различают сейсмические, гравиметрические, электрические, магнитометрические и др. геофизические методы. Из них наиболее важен сейсмический (╚сейсмос╩ √ трясение) метод, основанный на изучении скорости распространения в Земле упругих колебаний, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. Эти колебания называются сейсмическими волнами, которые расходятся от очага землетрясений. Бывают 2 типа: продольные Vp, возникающие как реакция среды на изменения объема, распространяются в твердых и жидких телах и характеризуются наибольшей скоростью, и поперечные волны Vs, представляющие реакцию среды на изменение формы и распространяются только в твердых телах. Скорость движения сейсмических волн в разных горных породах различна и зависит от их упругих свойств и их плотности. Чем больше упругость среды, тем быстрее распространяются волны. Изучение характера распространения сейсмических волн позволяет судить о наличии различных оболочек шара с разной упругостью и плотностью.

Экспериментальные исследования направлены на моделирование различных геологических процессов и искусственное получение различных минералов и горных пород.

Математические методы в геологии направлены на повышение оперативности, достоверности и ценности геологической информации.

4. Строение Земли.

Выделяют 3 оболочки Земли: ядро, мантию и земную кору.

Ядро √ наиболее плотная оболочка Земли. Полагают, что внешнее ядро находится в состоянии, приближающемся к жидкому. Температура вещества достигает 2500 √ 3000 0 С, а давление ~ 300Гпа. Внутреннее ядро, предположительно находится в твердом состоянии. Состав внешнего и внутреннего ~ одинаков √ Fe √ Ni, близкий к составу метеоритов.

Мантия √ самая крупная оболочка Земли. Масса √ 2/3 массы планеты. Верхняя мантия характеризуется вертикальной и горизонтальной неоднородностью. Под континентами и океанами ее строение существенно отличается. В океанах на глубине ~ 50 км., а материках √ 80 √ 120 км. начинается слой пониженных сейсмических скоростей, который носит название сейсмического волновода или астеносферы (т.е. геосфера ╚без прочности╩) и отличается повышенной пластичностью. (Волновод распространяется под океанами до 300 √ 400 км., под материками — 100- 150 км.) К ней приурочено большинство очагов землетрясений. Полагают, что в ней возникают магматические очаги, а также зона подкорковых конвекционных течений и зарождение важнейших эндогенных процессов.

В. В. Белоусов объединяет земную кору, верхнюю мантию, включая астеносферу в тектоносферу.

Промежуточный слой и нижняя мантия отличаются более однородной средой, чем верхняя мантия.

Верхняя мантия сложена преимущественно ферро-магнезиальными силикатами (оливин, пироксены, гранаты), что соответствует перидотитовому составу пород. В переходном слое С основной минерал √ оливин.

Химический состав: оксиды Si, Al? Fe (2+, 3+), Ti, Ca, Mg, Na, K, Mn. Преобладают Si и Mg.

5. Земная кора.

Земная кора √ это верхняя оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами, мощностью от 7 до 70 √ 80 км. Это наиболее активный слой Земли. Для нее характерен магматизм и проявления тектонических процессов.

Нижняя граница земной коры симметрична поверхности Земли. Под материками она глубоко опускается в мантию, и под океанами приближается к поверхности. Земная кора с верхней мантией до верхней границы астеносферы (т.е. без астеносферы) образует литосферу.

В вертикальном строении земной коры выделяют три слоя, сложенных различными по составу, свойствам и происхождению породам.

1 слой √ верхний или осадочный (стратосфера) сложен осадочными и вулканогенно-осадочными породами, глинами, глиняными сланцами, песчаными, вулканогенными и карбонатными породами. Слой покрывает почти всю поверхность Земли. Мощность в глубоких впадинах достигает 20 √ 25 км., в среднем √ 3 км.

Для пород осадочного чехла характерна слабая дислоцированность, сравнительно низкие плотности и небольшие изменения, соответствующие диагенетическим.

2 слой √ средний или гранитный (гранито √ гнейсовый), породы имеют сходство со свойствами гранитов. Сложена: гнейсами, гранодиоритами, диоритами, окализами, а так же габбро, мраморами, силинитами и др.

Породы этого слоя разнообразны по сотаву и степени их дислоцированности. Они могут быть неизменными и метаморфированными. Нижняя граница гранитного слоя называется сейсмический раздел Конрада. Мощность слоя √ от 6 до 40 км. На отдельных участках Земли этот слой отсутствует.

3 слой √ нижний, базальтовый состоит из более тяжелых пород, которые по свойствам близки к магматическим породам, базальтам.

В отдельных местах между базальтовым слоем и мантией залегает так называемый эклогитовый слой с более высокой плотностью, чем базальтовый.

Средняя мощность слоя в континентальной части ~ 20 км. Под горными хребтами достигает 30 √ 40 км., а под впадинами снижается до 12 √ 13 и 5-7 км.

Средняя мощность земной коры в континентальной части (Н. А. Белявский) √40,5 км., мин. √ 7 √ 12 км. в океанах, макс. √ 70 √ 80 км. (высокогорье на континентах).