Геологические циклы, современные циклические явления на земле и ее движение. Введение

ВВЕДЕНИЕ

Геология и цикл геологических наук

Стремление к познанию окружающего мира столь же свойственно человеку, как и его стремление использовать ресурсы природы для удовлетворения своих жизненных потребностей. С отдаленных времен люди использовали камни для изготовления орудий труда, охотничьего и боевого оружия, осваивали горные пещеры для укрытия от непогоды, возводили из каменных глыб оборонительные и культовые сооружения. Опыт, накопленный в дальнейшем при поиске руд, выплавке из них металлов, разработках камня для строительства, проведении земляных работ, а также наблюдения за извержениями вулканов, землетрясениями и следами вековых колебаний поверхности Земли способствовали становлению науки о Земли - геологии. Начиная с XVIII в. геология активно развивается в тесной связи с развитием других естественных наук.

Главным объектом изучения геологии служила и служит земная кора - наружная каменная оболочка планеты, хотя во второй половине XX в. все большее внимание геологов привлекает состав и состояние подкорового вещества планеты в связи с тем, что происходящие в нем процессы оказывают мощное влияние на земную кору.

Развитие геологии происходило в разных направлениях. Изучался состав минералов и горных пород, геологическое строение отдельных регионов, геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в ее недрах. В результате этого внутри геологии образовалась разветвленная система геологических наук. Процесс дифференциации геологических наук продолжается по мере углубления наших знаний и обнаружения новых фактов. Примером может служить история развития геологических наук, изучающих вещественный состав земной коры.

Эти науки складывались постепенно, причем научная мысль развивалась в тесном взаимодействии с практикой. Еще в глубокой древности для получения металлов было необходимо уметь распознавать различные камни, изучать и систематизировать их свойства. Так зародилась минералогия, наука о природных химических соединениях - минералах. Минералогия изучает их происхождение, свойства и изменения под влиянием различных факторов. Само слово «минерал» имеет латинский корень «minera», т.е. руда. Первые крупные минералоги были одновременно и горными инженерами, и металлургами, и химиками.

Изучение минералов, многие из которых встречаются в виде хорошо образованных кристаллов, породило кристаллографию (от греч. к rystallos - лед) - науку, предметом изучения которой вначале была геометрия внешних форм, а затем и внутреннее строение кристаллов. Открытие рентгеновских лучей было использовано для выяснения закономерностей расположения атомов в кристаллическом веществе. Полученные данные способствовали формированию нового научного направления - кристаллохимии.

В результате различных геологических процессов минералы образуют закономерные скопления - горные породы. Наука, изучающая слагающие земную кору горные породы, их состав, структуру, условия образования и залегания, называется петрографией (от греч. petra - скала, камень, grafo - пишу, описываю), причем выделяются петрография горных пород глубинного (магматического и метаморфического) происхождения и литология (от греч. litos - камень) - петрография осадочных пород.

Изучение вещественного состава земной коры происходило параллельно с развитием физики и химии, на основании достижений которых создавались новые приборы и разрабатывались специальные методы исследования. Так, на основе законов волновой теории света и технологии изготовления тонких (толщиной 0,03 мм) прозрачных шлифов из массивных горных пород был изобретен поляризационный микроскоп и разработан кристаллооптический метод исследования, который открыл новый мир структуры горных пород и способствовал общему прогрессу петрографии.

Простое описание свойств минералов и установление их химического состава к концу XIX в. уже не отвечали общему уровню науки. Требовалось выяснение процессов и условий генезиса (от греч. genesis - происхождение, образование) минералов. Благодаря постепенно накапливающимся новым фактам описательная минералогия уступила место генетической. Успехи в области генетической минералогии создали основание для возникновения еще одной науки - геохимии, основоположниками которой были выдающиеся ученые XX в. В.И.Вернадский (Россия) и В.М.Гольдшмидт (Норвегия), а в дальнейшее ее развитие внес крупный вклад русский минералог и геохимик А.Е.Ферсман. Эта наука изучает историю химических элементов, закономерности их миграции и распределения в земной коре и на планете в целом. Так, в процессе изучения вещественного состава земной коры сложились три, тесно связанные между собой науки, одна из которых имеет объектом изучения химические элементы (геохимия), другая - их природные химические соединения (минералогия), а третья - различающиеся процессами образования, минералогическим и химическим составом горные породы.

В настоящее время для выяснения состава и строения минералов, руд и горных пород, закономерностей их образования используются новейшие достижения естественных наук и техники. Широко применяются методы химического, спектроскопического, рентгеноструктурного, термического, кристаллоптического, флюоресцентного анализов.

Не менее активно развивались науки, изучающие строение земной коры и протекающие в них процессы. Таковы вулканология - наука, изучающая извержения вулканов, их строение и состав продуктов вулканических извержений, сейсмология (от греч. seismos - землетрясение) - наука, изучающая землетрясения и причины их вызывающие, а также геофизика, изучающая сейсмическим, гравиметрическим, магнитометрическим и геотермическим методами строение глубинных частей земных недр.

Исключительно важное значение имеет геотектоника (от греч. tektonike - строительное искусство) - наука о закономерностях строения и движения земной коры и их порождающих процессах, происходящих в подкоровых глубинах Земли. С геотектоникой неразрывно связаны структурная геология, изучающая геологические структуры, образуемые горными породами, и региональная геология, обобщающая и уточняющая данные о строении отдельных регионов.

Сложную научную проблему представляет оценка геологического времени, на протяжении которого происходило становление и развитие земной коры, образование и преобразование материков и океанов, климатические изменения и развитие органического мира. В процессе исследований в этой области постепенно сформировались следующие геологические науки. Стратиграфия (от лат. stratum - слой) изучает последовательность залегания слоев горных пород и устанавливает их относительный возраст. Стратиграфия опирается на данные палеонтологии (от греч. palaios - древний; ontos - существующие) - науки, находящейся на грани биологии и геологии, изучающей окаменелые остатки древних животных и растений, по которым воссоздается история развития органического мира и вместе с тем устанавливается относительный возраст отложений, содержащих остатки определенных организмов. Геохронология - наука, изучающая с помощью точных физических и геохимических методов абсолютный возраст разных геологических объектов. Благодаря достижениям этих наук мы имеет обоснованную хронологию главных событий геологической истории Земли.

Наконец, в комплексе геологических наук существуют такие, которые имеют определенную практическую направленность. К ним относится геология нефти и газа, геология угля, изучающие образование, строение и закономерности размещения месторождений указанных полезных ископаемых. Металлогения - наука о закономерностях распространения и геологических эпохах образования месторождений металлов, тесно связанная с геологией рудных месторождений, изучающей особенности вещественного состава, образование и геологическое строение залежей руд разных металлов. Гидрогеология изучает условия залегания, формирования и химический состав подземных вод. Инженерная геология изучает горные породы в качестве основания при строительстве гражданских и промышленных сооружений, прокладке железных и автодорог, магистральных трубопроводов, плотин и других гидротехнических объектов.

Современные представления о строении, составе Земли, ее образовании и возрасте

Земля входит в состав системы, где центром является Солнце, в котором заключено 99,87% массы всей системы. Характерной особенностью всех планет Солнечной системы является их оболочечное строение: каждая планета состоит их ряда концентрических сфер, различающихся составом и состоянием вещества.

Земля окружена мощной газовой оболочкой - атмосферой. Она является своеобразным регулятором обменных процессов между Землей и Космосом. В составе газовой оболочки выделяется несколько сфер, отличающихся составом и физическими свойствами. Основная масса газового вещества заключена в тропосфере, верхняя граница которой, расположенная на высоте около 17 км на экваторе, снижается к полюсам до 8-10 км. Выше, на протяжении стратосферы и мезосферы, нарастает разреженность газов, сложно меняются термические условия. На высоте от 80 до 800 км располагается ионосфера - область сильно разреженного газа, среди частиц которого преобладают электрически заряженные. Самую наружную часть газовой оболочки образует экзосфера, простирающаяся до высоты 1800 км. Из этой сферы происходит диссипация наиболее легких L атомов - водорода и гелия.

Строение и состав Земли. Еще более сложно стратифицирована сама планета. Масса Земли оценивается в 5,98-10 27 г, а ее объем - в i 1,083-10 27 см 3 . Следовательно, средняя плотность планеты составляет около 5,5 г/см 3 . Но плотность доступных нам горных пород равна 2,7-3,0 г/см 3 . Из этого следует, что плотность вещества Земли неоднородна.

Главнейшими методами изучения внутренних частей нашей планеты являются геофизические, в первую очередь наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся от взрывов или землетрясений. Подобно тому, как от камня, брошенного в воду, в разные стороны расходятся по поверхности воды волны, так в твердом веществе от очага взрыва распространяются упругие волны. Среди них выделяют волны продольных и поперечных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распространения волны. Поперечные колебания можно представить как чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распространению волны.

Волны продольных колебаний, или, как принято говорить, продольные волны, распространяются в твердом веществе с большей скоростью, чем поперечные. Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные - только в твердом. Следовательно, если при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает поперечные волны, то можно считать, что это вещество находится в жидком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это - свидетельство твердого состояния вещества.

Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности вещества. При резком изменении плотности вещества скорость волн будет скачкообразно меняться. В результате изучения распространения сейсмических волн через Землю обнаружено, что имеется несколько определенных границ скачкообразного изменения скоростей волн. Поэтому предполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных трех главных границ раздела выделяют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро (рис. 1).

Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увеличением скоростей продольных сейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница получила название раздела Мохоровичича (в честь сербского ученого А. Мохоровичича, который ее открыл), или просто граница М. Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры, как указано выше, не превышает 2,7-3,0 г/см 3 . Граница М расположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов - от 4 до 10 км.

Учитывая, что радиус Земного шара равен 6371 км, земная кора представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, составляющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% ее объема.

Мантия - самая мощная из геосфер Земли. Она распространяется до глубины 2900 км и занимает 82,26% объема планеты. В мантии сосредоточено 67,8% массы Земли. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает с 3,32 до 5,69 г/см 3 , хотя это происходит неравномерно.

На контакте с земной корой вещество мантии находится в твердом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней частью мантии называют литосферой.

Агрегатное состояние вещества мантии ниже литосферы недостаточно изучено и по этому поводу имеются различные мнения. Предполагается, что температура мантии на глубине 100 км составляет 1100-1500°С, в глубоких частях - значительно выше. Давление на глубине 100 км оценивается в 30 тыс.атм., на глубине 1000 км -1350 тыс. атм. Несмотря на высокую температуру, судя по распространению сейсмических волн, вещество мантии преимущественно твердое. Колоссальное давление и высокая температура делают невозможным обычное кристаллическое состояние. По-видимому, вещество мантии находится в особом высокоплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должны вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.

Мантию подразделяют на верхнюю (слой В, простирающийся до глубины 400 км), промежуточную (слой С - от 400 до 1000 км) и нижнюю (слой Д - от 1000 до 2900 км). Слой С именуют также слоем Голицина (в честь русского ученого Б.Б.Голицина, установившего этот слой), а слой В - слоем Гутенберга (в честь выделившего его немецкого ученого Б.Гутенберга).

В верхней мантии (в слое В) имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-видимому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии. Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн предполагает, что жидкая фаза составляет до 10%, что отражается на более пластичном состоянии вещества по сравнению с выше и ниже расположенными слоями мантии. Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (от греч. asthenes - слабый). Мощность ослабленной зоны достигает 200-300 км. Располагается она на глубине примерно 100-200 км, но глубина меняется: в центральных частях океанов астеносфера располагается выше, под устойчивыми участками материков опускается глубже.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В астеносфере возникают магматические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносферой эти два слоя объединяют под названием тектоносфера.

В последнее время внимание ученых в мантии привлекает зона, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что эта зона намечает нижнюю границу конвективного тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию (слой В) и верхнюю часть промежуточного слоя с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом возрастает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной коры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшается до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространяются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интервале глубин 2700-2900 км, в переходном слое Д 1 (в отличие от нижней мантии, имеющей индекс Д) происходит зарождение гигантских тепловых струй - плюмов, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро Земли - центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% ее объема, но содержит более трети всей массы Земли. Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра находится в жидком состоянии. В то же время наблюдения за происхождением приливных волн позволили установить, что упругость Земли в целом очень велика, больше упругости стали. По-видимому, вещество ядра находится в каком-то совершенно особом состоянии. Здесь господствуют условия чрезвычайно высокого давления в несколько миллионов атмосфер. В этих условиях происходит полное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, вещество «металлизируется», т.е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность. Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, возникающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность ядра - 5520 кг/м 3 , т.е. это вещество в два раза тяжелее каменной оболочки Земли. Вещество ядра неоднородно. На глубине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8100 м/с до 11000 м/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая.

Вещественный состав разных оболочек Земли представляет весьма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава доступна лишь земная кора. Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее массы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. Все остальные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер Земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изучения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного состава глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, различаются. Можно с большой уверенностью предполагать, что верхняя мантия также состоит из силикатов, но содержащих меньше кремния и больше железа и магния по сравнению с земной корой, а нижняя мантия - из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая структура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, находящихся в земной коре.

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учитывая высокую плотность (9,4- 11,5 г/см 3) и невозможность распространения поперечных сейсмических волн, ученые предполагают, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из оксидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и некоторых других элементов. По причине еще большей плотности центральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу железных метеоритов и состоит из никелистого железа. В таблице 1 сопоставлены химический состав земной коры, метеоритов и условно рассчитанный средний состав Земли в целом.

^ Образование Земли и ее возраст. Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. Документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существования Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность химических элементов, из которых состоят Земля и метеориты. На основании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их вещество прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате Большого Взрыва этой звезды в плоскости ее экватора образовалась дисководная протопланетная туманность.

Исходным материалом для образования планет был так называемый звездный газ - разобщенные ионизированные атомы. По мере охлаждения в соответствии с температурными условиями из него возникали твердые частицы и происходила их консолидация. Древнейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеориты. Их возраст по данным ядерной геохронологии составляет 4,5- 4,7 млрд. лет. Абсолютный возраст вещества Луны - 4,7 млрд. лет. Земля как планета имеет близкий к этим данным возраст.

С момента становления планеты начался процесс образования горных пород, слагающих земную кору. Абсолютный возраст наиболее древних горных пород следующий: граниты Кольского полуострова - 3,1 млрд лет; гнейсы Украины - 3,5; граниты Африки -3,5; амфиболиты Гренландии - 3,75; чарнокиты Антарктиды - 3,9 млрд лет.

Таким образом, становление планеты Земля совершилось на протяжении примерно 0,5 млрд. лет. Около 3,9-4,0 млрд. лет назад происходит образование первых горных пород и, следовательно, начинается геологическая история Земли.

^ Роль геологии в обеспечении развивающейся экономики минеральным сырьем

Значение минеральных ресурсов для развития человеческого общества трудно переоценить. Наличие минерального сырья - необходимое условие любой цивилизации, степень его использования отражает уровень развития общества. Недаром ступени развития человечества получили название по составу использовавшегося минерального сырья - каменный век, бронзовый век, железный век.

Использование каждого вида минерального сырья, с одной стороны, предполагает определенный уровень развития общественного производства. Известно, какое важное значение имеет каменный уголь в современной экономике. Но еще в начале XIX в. владельцы угольных шахт в Америке проводили демонстрационное сжигание каменного угля, рекламируя это непривычное в то время топливо. (" другой стороны, использование нового вида сырья вызывает определенные изменения в промышленном производстве. Например, одним из основных факторов создания и развития авиационной промышленности явилось открытие и освоение нового металла - алюминия. В 1885 г. во всем мире было добыто всего 3 т алюминия. Этот металл представлял собой лишь интересную редкость. Но с почала XX в. выработка алюминия нарастает быстрыми темпами: перед Первой мировой войной - 50 тыс. т, перед Второй мировой войной - 500 млн. т, в середине XX в. - более 10 млрд. т.

Некоторые минералы были известны и использовались в глубокой древности, практическое использование других происходило по м. ре их открытия и изучения свойств и состава. С изобретением паровой машины приобрел значение каменный уголь, а производство машин обусловило возрастающий спрос на железные руды. Прогресс машинного производства, создание двигателей внутреннего сгорания и появление новых видов транспорта, применение минеральных удобрений в сельском хозяйстве - все это способствовало увеличению разнообразия используемых видов минерального сырья и возрастанию их добычи. Особенно ярко этот процесс проявился в росте добычи металлов на протяжении XX в. (рис. 2).

На рисунке 3 совмещены две кривые. Одна из них показывает число открытых, другая - число используемых химических элементов в общественном производстве от начала новой эры до нашего времени. Хорошо видно, как резко возрастают обе кривые со второй половины XIX в., причем кривая использования химических элементов приближается к количеству известных элементов.

Для России, благодаря ее обширной территории и разнообразию геологического строения, роль геологии в выявлении природных богатств недр особенно ответственна, так как минеральные ресурсы страны являются важным фактором ее экономического развития. Важнейшие отрасти государственного производства базируются на использовании минерального сырья. Достижения наук геологического цикла, творчески использованные государственной геологической службой, обеспечили существенную минерально-сырьевую базу России. Открытие геологами залежей железных руд обуславливают производство черных металлов, служащих основой тяжелой индустрии. Обнаруженные месторождения каменного угля, нефти и газа являются главными источниками энергетического сырья, а также поставщиками сырья для химической промышленности. Из месторождений руд цветных металлов поступают химические элементы, необходимые для самых различных отраслей промышленности: машиностроения, приборостроения, промышленности средств транспорта и обороны, для энергетического хозяйства и пр. Без обнаружения месторождений редких и рассеянных химических элементов были бы невозможны такие новые отрасти производства, как радиотехника, электроника, ракетная техника.

Говоря о жизненной важности минерально-сырьевых ресурсов для развивающейся экономики, нельзя обойти проблему экологических последствий технического прогресса.

Нарастающее потребление минеральных ресурсов в значительной мере связано с несовершенством современных технологий, при которых существенная часть исходных продуктов выходит из производственных циклов и поступает в окружающую среду. По сравнению с XIX в. в настоящее время мировое потребление одних видов минерального сырья увеличилось в десятки раз (например, каменного угля, железа, меди и др.), а других - в сотни раз (например, нефти, алюминия, молибдена и др.). Во всем мире ежегодно извлекается около 100 млрд. т минеральных ископаемых, включая строительные материалы, балласт для дорог и т.п. Если это количество отнести к площади всей мировой суши, то окажется, что с каждого квадратного километра суши ежегодно извлекается около 700 т.

Среди многих негативных последствий хозяйственной деятельности современного общества одно из наиболее опасных - прогрессирующее загрязнение биосферы металлами. Техногенные металлы поступают в окружающую среду в иных соотношениях по сравнению с их соотношениями в земной коре, применительно к которым на протяжении длительного времени развивались и адаптировались живые организмы. При этом значительная часть выбрасываемых с технологическими и бытовыми отходами металлов выпадает в непосредственной близости от источников загрязнения, создавая антропогенные геохимические аномалии на площади индустриальных центров и больших городов. Это оказывает негативное действие на природу и здоровье населения.

Проблема нейтрализации загрязнения окружающей среды, сбалансированности использования минеральных ресурсов, совершенствования производственных технологий - одна из кардинальных проблем начала 3-го тысячелетия новой истории человечества. Науки геологического цикла, изучающие закономерности распределения и миграции химических элементов, в первую очередь геохимия, должны внести свой вклад в решение этой насущной проблемы.

^ Краткий обзор истории изучения и освоения недр России

Издавна люди использовали доступные им богатства недр. Известны довольно глубокие шахты для добывания кремней эпохи неолита. Скифы добывали золото, кельты - выплавляли медь и олово. Наши непосредственные предки - славяне - использовали не медь и бронзу, а железо. Железная руда в изобилии находилась на дне озер в виде бобовой руды, которую сгребали черпаками, стоя на плоту. Добывали также дерновые железные руды, срезая лопатой дерн. О железорудных промыслах свидетельствуют до сих пор сохранившиеся названия населенных пунктов. Например, возле Череповца есть город Устюжна с добавлением «Железопольская», в Мещере - поселок Гусь Железный и т.д. К XVII в. железный промысел получил широкое распространение.

Первая попытка государственной организации поиска руд в России была предпринята при Петре I. В 1700 г. был создан Приказ Рудокопных дел, который в 1719 г. был преобразован в государственную Берг-Коллегию. Петром был издан указ «Берг-привилегии», в котором, в частности, говорилось: «Соизволяется всем и каждому дается воля, какого бы чина и достоинства ни был, во всех местах, как на собственных, так и на чужих землях искать, копать, плавить, варить и чистить всякие металлы, сиречь золото, серебро, медь, олово, свинец, также и минералы». Образцы минералов собирались в "созданную в 1716 г. Кунсткамеру, из которой потом был образован Минеральный кабинет, а еще позже - Минералогический музей Академии Наук. При Петре I были построены железоделательный завод в Карелии (Петрозаводск), заводы Демидовых на Урале, усилены тульские заводы. Россия сразу вышла на одно из первых мест по производству железа. Отметим, что в XVIII в. Россия занимала первое место в мире по выплавке черного металла, а по выплавке меди уступала лишь Англии.

К этому времени, помимо железных руд, были открыты многочисленные небольшие месторождения меди в Предуралье в медистых песчаниках пермо-триаса, из которых почти два века выплавлялась основная масса меди России.

Вскоре за освоением Урала с его железом, медью, золотом, самоцветами началось освоение в Сибири. Люди Демидова обнаружили на Алтае медные, а затем серебро и свинцово-цинковые руды. Почти одновременно поиски руд начались в Забайкалье в Нерчинском крае. Еще при Петре I был издан приказ строить Нерчинский серебро-свинцовый завод. На протяжении XVIII-XIX вв. за Уральским хребтом было открыто более тысячи рудных месторождений.

В 1773 г. в Петербурге было организовано Горное училище. Это третья высшая горная школа: первая была создана в 1716 г. в г. Остраве (Чехия), вторая - в 1765 г. во Фрайберге (Саксония).

В дальнейшем оно было преобразовано в Горный кадетский корпус. Во времена Бориса Годунова светлую нефть в бочках привозили и Москву из Печорских лесов. На Апшеронском полуострове с глубокой древности известны «вечные огни», с которыми был связан культ огнепоклонников. Строились храмы, где вечно горели нефтяные газы. Нефть и ее продукты использовались для строительства, в медицинских целях, а также в качестве горючего материала. Однако только после того, как научились выделять из нефти ценные вещества, нефть стала важнейшим полезным ископаемым. Активная добыча нефти путем бурения началась в мире во второй половине XX в. Первая скважина в районе Баку была пробурена в 1869 г. Начало научного изучения минералов и руд связано с деятельностью выдающегося ученого-энциклопедиста М.В.Ломоносова (1711-1765 гг.). Первым трудом Ломоносова по минералогии был каталог Минералогического музея, напечатанный в 1745 г. В 1742 г. он написал работу «Первые основания металлургии или рудных дел», которая была издана лишь в 1763 г. с добавлением статьи «О слоях земных». В1757 г. Ломоносов на заседании Академии наук зачитал доклад «Слово о рождении металлов от трясения земли». Незадолго до смерти он планировал описание минералов России и составил план этой работы («Известие о сочиняемой Российской минералогии»).

Основы минералогии как самостоятельной науки в России были заложены академиком В.М.Севергиным (1765-1826). Им был написан первый на русском языке курс минералогии («Первые основания минералогии»), составлен оригинальный справочник - определитель минералов и горных пород («Новая система минералов») и выполнено задуманное Ломоносовым описание минералов России («Опыт минералогического землеописания Российского государства»).

На протяжении XIX в. в России сложились крупные научные школы в области геологии, кристаллографии, петрографии, палеонтологии.

В конце XIX в. в России в связи с развитием капитализма начался промышленный подъем. Резко возросла потребность в минеральном сырье - металлах, каменном угле, нефти. Для успешного их обнаружения стало необходимо планомерное изучение геологического строения страны. С начала XIX в. геологическими работами руководил Ученый Комитет Военного корпуса горных инженеров. Теперь возникла необходимость создать специальную государственную геологическую службу. С этой целью в 1882 г. был организован Геологический комитет, в который вошли крупнейшие геологи России. Геологический комитет сыграл важную роль в изучении геологии нашей страны. Он организовал составление обзорной геологической карты Европейской России, детальных геологических карт Донбасса, Криворожского района, рудных районов Урала. Геологические исследования были проведены на отдельных рудоносных площадях Сибири, в нефтеносных районах Кавказа, Прикаспия, Средней Азии, а также вдоль линии Сибирской железной дороги.

Однако возможности Геологического Комитета были небольшими. Первоначально в его составе было всего восемь человек (директор, шесть геологов и делопроизводитель). Этот состав, конечно, не мог обеспечить объема предстоящих работ.

После окончания Первой мировой и гражданских войн вновь начались настойчивые геологические поиски. В 20-х годах открываются уникальные по своим запасам месторождения калийных солей в Соликамске и Хибинское месторождение апатитов. Начинаются поиски нефти Второго Баку, Ухты, железных руд Курской магнитной аномалии, детально изучаются рудные месторождения на Урале.

Геологическая служба была укреплена. На базе Геологического Комитета было создано Геологическое управление, преобразованное затем в Комитет по делам геологии, а позже - в Министерство геологии.

Открытие месторождения вольфрама и молибдена, ртути и сурьмы, ванадия и германия, циркония и бериллия, олова и алмазов - увлекательная история развития целеустремленной научной мысли и беззаветного напряженного труда геологов. Крупные успехи в изучении месторождений минерального сырья связаны с деятельностью научных коллективов под руководством крупных ученых: залежей нефти - под руководством И.М.Губкина (1871-1939), месторождений угля - С.И.Степанова (1880-1947), рудных месторождений – В. А. Обручева (1863-1956), Ю. А. Билибина (1901-1952), С. С. Смирнова (1895-1947) и др.

В настоящее время в нашей стране потребляется около 90 видов минерального сырья, разведанные запасы которых весьма значительны.

^ Геологические знания, современная культура и образование

Как бы ни было велико значение геологических наук для технического прогресса и развития мировой экономики, не меньшее, а может быть и большее значение имеют геологические знания для формирования культурного уровня современного человека. Волна суеверий и предрассудков, всколыхнувшаяся на исходе XX в., свидетельствует о существенных пробелах в естественно-научной просвещенности широких масс населения. В преодолении невежественных заблуждений весьма ответственная роль принадлежит геологическим знаниям. Всеми своими положениями геология свидетельствует о материальной реальности окружающего мира, научно объясняет причины землетрясений, вулканических извержений и других внушающих ужас катастрофических природных явлений, раскрывает длительную и сложную историю Земли, многочисленными фактами доказывает эволюцию органического мира и происхождение человека. Таким образом, геологические знания, наряду со сведениями из области других естественных наук - физики, химии, биологии, географии - являются неотъемлемой частью современной культуры.

Как показано выше, некогда единая наука геология по мере своего развития дифференцировалась на многочисленные науки и направления геологического цикла. Это нашло отражение в организации преподавания геологии в системе высшей школы. В высших учебных заведениях геологического профиля каждая из наук геологического цикла преподается в виде самостоятельной учебной дисциплины. Таковы курсы минералогии, петрографии, геотектоники, региональной геологии и др. Для специалистов не геологического профиля, подготовка которых нуждается в обеспечении определенным объемом геологических знаний, обычно используется учебная дисциплина, традиционно сохраняющая название «геология». В этом курсе обобщены основополагающие сведения и достижения большей части наук геологического цикла. Сказанное имеет прямое отношение к высшему географическому образованию, в структуре которого предусмотрен значительный объем знаний из области геологических наук, необходимых для важнейших физико-географических курсов - геоморфологии, физической географии России и мира, а в части закономерностей распространения месторождений различных видов минерального сырья - для курсов экономической географии.

Вместе с тем преподавание сведений из области геологии в гуманитарных, медицинских и многих других вузах по вполне понятным причинам не проводится. Следовательно, большая часть специалистов с высшим образованием обладает геологическими знаниями, полученными в средней школе. Это накладывает особую ответственность на организацию преподавания в средней общеобразовательной школе геологических сведений, необходимых для современного культурного уровня.

В настоящее время геология как самостоятельный предмет в программе средней общеобразовательной школы отсутствует. Элементы геологических знаний сообщаются учащимся преимущественно на уроках географии и лишь отдельные данные на занятиях по химии и биологии. Именно на уроках географии учащиеся могут получить общие сведения о строении Земли и земной коры, о минералах и горных породах, о примечательных событиях геологической истории. По этой причине основательная геологическая подготовка учителей географии является необходимой и ответственной частью высшего географического педагогического образования.

Контрольные вопросы к самостоятельной работе студентов

1. Какие науки входят в цикл наук о Земле?

2. Изложите современные представления о строении планеты Земля.

3. Какое значение имеют науки о Земле для современной экономики? Пе-1ечислите главные виды минерального сырья.

4. Кратко охарактеризуйте основные этапы истории освоения недр России.

5. Какие выдающиеся отечественные ученые-геологи Вам известны? В чем включается их вклад в развитие наук о Земле?

6. Каковы роль и значение геологических знаний для современной культуры?

Цикл геологических наук. Оболочечное строение Земли.

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.

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.

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.

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 0С, 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.

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).

В 2014 году в центральном районе Ямальского полуострова был найден странный провал в земле: круглая воронка имела диаметр около 20 метров и глубину около 50 метров. Ее происхождение с тех пор оставалось загадкой. Группа ученых из МГУ, исследовав пробы многолетнемерзлых пород, установила, что эта воронка сформировалась благодаря явлению, ранее не наблюдавшемуся на Земле. Опубликованная на прошлой неделе в журнале Scientific Reports статья описывает ее формирование в терминах криовулканизма, тем самым не только предлагая новый механизм образования этих необычных кратеров, но и впервые описывая земной криовулкан.

Летом 2014 года в центральной части полуострова Ямал неподалеку от газового месторождения Бованенковское было найдено необычное геологическое образование: почти круглый кратер диаметром 20 метров и глубиной около 50 метров (рис. 1). Было выдвинуто множество гипотез о его происхождении, включая падение метеорита и миграцию биогенных газов из-за оттаивания вечной мерзлоты (см., например, M. Leibman et al., 2014. New permafrost feature-deep crater in central Yamal (West Siberia, Russia) as a response to local climate fluctuations , V. Olenchenko et al., 2015. Results of geophysical surveys of the area of «Yamal crater», the new geological structure), но все они имели свои недостатки. В принципе, образование кратероподобных структур в результате геокриологических процессов - явление редкое, но не экстраординарное (J. Mackay, 1979. Pingos of the Tuktoyaktuk Peninsula Area, Northwest Territories). К примеру, в 2017 году на Ямале было зарегистрировано формирование двух похожих кратеров, но значительно меньшего размера.

Ямальский кратер находится в зоне вечной мерзлоты со среднегодовыми температурами от −1°C до −5°C и объемной долей льда 30–65%, часто сконцентрированного в ледяных линзах . Благодаря современным технологиям даже удалось выяснить примерное время формирования структуры: до 2013 года, по данным космических снимков, на месте кратера находился крупный бугор пучения (см. картинку дня «Пинго или бугры пучения»), около 8 метров в высоту и 50–55 метров в диаметре.

По линии, пересекающей кратер, ученые пробурили несколько скважин и получили керны (цилиндрические столбики породы, вынимаемые из скважины) многолетнемерзлых пород (рис. 2). Одна из скважин, находившаяся в пяти метрах к северу от кратера, вскрыла крупную линзу льда на глубине 5,8 м. Несмотря на то, что глубина этой скважины была 17 м, до нижней границы линзы добраться не удалось. Из этой линзы и соседних скважин были отобраны пробы для дальнейшего изучения. Они состояли изо льда, гуминовых кислот и минеральных включений. Анализы показали, что ученые имеют дело с двумя разными типами вечной мерзлоты, содержащей древние морские отложения: первый тип почти не тронут термокарстом (процессом оттаивания и разрушения вечной мерзлоты), а второй, наоборот, интенсивно им переработан. Лед в пробах первого типа содержал малые количества металлов и органического углерода, а лед из проб второго типа содержал углеродные соединения органического происхождения до 3,5 г/литр и включения темно-коричневых растворов щелочного состава (pH 8–9,5). Другое различие наблюдалось между ледяной и осадочной составляющими проб: концентрация металлов была незначительной в древних осадках (за исключением SiO 2 , CaO, Na 2 O) и сравнительно высокой в ледяных пробах. Это может быть интерпретировано как результат длительного взаимодействия грунтовых и талых вод, что ведет к мысли, что на месте кратера когда-то существовало озеро с большой оттаявшей зоной под ним (таликом).

Главной особенностью изученных образцов является необычно высокая концентрация газов, достигающая в отдельных пробах 20 объемных процентов. В основном это CO 2 и N 2 . А вот метана - предполагаемого виновника образования кратера - оказалось мало (первые проценты). Это, а также результаты изотопного анализа, указывало, что источник газов не месторождение Бованенково, как считалось ранее. Преобладание среди углеводородов высших нормальных алканов (C 19 H 40 и соединения с бо льшим числом атомов углерода) показало, что они образовались в результате разложения растительных останков.

По результатам математического моделирования была установлена последовательность событий, предшествовавших формированию кратера. Сначала под долгоживущим термокарстовым озером (жидкая вода при положительной температуре) вечная мерзлота оттаивает (рис. 3, А), формируя талик размером примерно, как у современного сухого озера, в центре которого находится кратер. По оценкам геокриологов, формирование 60–70 метровой зоны протаивания занимает примерно 3000 лет. При высыхании озера оттаявшая зона начинает обратно замерзать от краев к центру (рис. 3, В). На финальных стадиях жизни озера его дно промерзает, формируя ледяную крышку над еще не до конца замерзшим таликом (рис. 3, С). Оставшаяся вода под давлением растущего льда начинает выжиматься наружу, формируя бугор пучения, существовавший последнюю сотню лет (рис. 3, D).

На основании содержания газов в изученных образцах предполагается, что растворенные газы составляли около 14 объемных процентов талика. При замерзании часть этих газов мигрировала в окружающие породы, избежав замерзания, а часть (в основном - хорошо растворимый в воде CO 2) осталась в талике, увеличивая давление и способствуя образованию бугра пучения. Из-за воды под промерзшей крышкой льда толщиной 6–8 метров давление в талике может достигать 5 бар, но для ее прорыва требуется около 10 бар. Это значение вполне достижимо, если учесть вклад газовой составляющей. В нижней же части талика давление доходит до 15 бар, что делает возможным образование клатратов CO 2 (сценарий, реализуемый если жидкость насыщена газом). Если бы газа было мало, то при разрушении пинго произошел бы только небольшой выброс воды, но никак не извержение и образование кратера.

Перед извержением в талике наблюдалась слоистая структура: талые почвы с большим количеством клатратов углекислого газа внизу, вода с растворенным газом в середине и преимущественно газ в верхней части (рис. 4, А). Извержение было спровоцировано формированием ледяных клиньев по трещинам в промерзшей шапке и состояло из трех стадий:
1) Пневматическая стадия (первые минуты): дегазация из верхней камеры талика, выброс струй углекислого газа (рис. 4, В). Разлет почвы на большие дистанции и повреждение растительности холодной газовой струей.
2) Гидравлическая стадия (несколько часов): излияние воды из кратера (рис. 4, С) - сброс давления вызвал вспенивание воды, насыщенной газом (эффект, сходный со струей шампанского после удаления пробки). Полное пробитие ледяной шапки и начало формирования вала вокруг кратера.
3) Фреатическая стадия (5–25 часов): разложение газовых гидратов в нижнем слое почвы и вынос её на поверхность с возникающей пеной (рис. 4, D). Так как разложение газовых гидратов - процесс достаточно медленный, то эта фаза является наиболее длительной частью извержения.

Такая реконструкция событий позволяет говорить о том, что образование ямальского кратера - полноценное явление, «Элементы», 07.02.2014 и Анализ гравитационного поля Энцелада тоже указывает на наличие на нем жидкой воды , «Элементы», 04.07.2014, а также статью J. S. Kargel, 1995. Cryovolcanism on the icy satellites). Следы прошлой криовулканической активности обильно встречаются во внешней области Солнечной системы. Серьезное изучение этих объектов началось в 1979–1989 годах, после пролетов зондов «Вояджеров» мимо ледяных лун газовых гигантов, однако их непосредственное исследование до настоящего момента было недоступно, так как ни одного криовулкана на Земле обнаружено не было. Теперь, похоже, ученые получают такую возможность.

Ранее предполагалось, что для криовулканизма обязателен источник тепла, расположенный под криовулканом. Отчасти, это верно, однако обсуждаемая работа показывает, что подобные процессы могут происходить не только за счет нагрева воды, но и за счет ее кристаллизации: кристаллизация льда в газонасыщенных системах приводит к скачкам давления и может, например, служить объяснением водяных джетов на Энцеладе (J. H. Waite Jr et al., 2009. Liquid water on Enceladus from observations of ammonia and 40 Ar in the plume). Полученные при исследовании ямальского кратера данные могут позволить по-новому взглянуть на извержения на ледяных телах.

I. Предмет и задачи геологии.

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).

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.

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

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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).