Лекция 1. Предмет, задачи и методы исследования геологии. Образование, возраст, Строение Земли и земной коры

Геология в точном переводе этого слова с греческого языка (Геа — Земля) — наука о Земле. Это весьма общее определение отражало существо науки до конца XVIII в. Главным объектом изучения геологии служила и служит земная кора наружная каменная оболочка планеты, хотя во второй половине ХХ 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.

В начале XIX в. в геологии наметился целый ряд обособленных научных дисциплин, каждая из которых имеет свою область исвой метод исследований. Среди них следует выделить три группы.

К первой относятся науки, занимающиеся изучением вещественного состава Земли. К ним относятся: Минералогия – наука о составе, происхождении и свойствах природных соединений – минералов, слагающих земную кору. Петрография (от греч. “петра”-скала и “графо”-описание) – изучает состав, строение и происхождение горных пород. Учение о полезных ископаемых занимается исследованием происхождения, размещения залежей, а также форм залегания полезных ископаемых. и др.

Ко второй группе относится динамическая геология, ее раздел тектоника. Динамическая (физическая) геология изучает процессы, под влиянием которых происходит изменение земной коры. Эти процессы условно делятся на внутренние (эндогенные) и внешние (экзогенные). Геотектоника рассматривает и структуру земной коры, распространение и историю развития этих структур. Данные науки рассматривают строение Земли и процессы, проявляющиеся на ней.

К третьей группе относятся науки изучающие развитие Земли. Этим занимаются историческая геология, палеогеография и др. Историческая геология изучает закономерности развития земной коры во времени и пространстве с момента ее образования. Палеогеография выясняет физико-географические условия, существовавшие на поверхности Земли в минувшие геологические эпохи.

К комплексу геологических наук также относятся: палеонтология– наука о древних ископаемых организмах;гидрогеология– наука о подземных водах;инженерная геология– наука, изучающая свойства горных пород, влияющих на воздействие различных сооружений;региональная геология– наука изучающая строение и геологическую историю отдельных территорий.

Общая геология— вводный курс в геологические знания. В нем рассматриваются процессы, проявляющиеся на поверхности Земли и в земной коре, основные свойства Земли и ее состав, а также в общих чертах история развития земной коры и геологическое летоисчисление, т. е. курс общей геологии включает в себя сведения из динамической геологии и частично вопросы, относящиеся к компетенции ряда смежных геологическихдисциплин.

Основные понятия геологии возникли в глубокой древности. Еще в раннем палеолите люди умели подбирать твердые минералы и породы (кремень, халцедон, яшма) кварциты, обсидиан и т. п.) для изготовления каменных орудий производства. Позже, но тоже задолго до нашего времени, человек научился добывать металлы, находить и извлекать подземную воду дляполучения соли и использовать минеральную воду для лечения. В связи с большим практическим значением геология быстро развивалась. Во второй половине XVIII в. в области геологии были сделаны первые научные обобщения.

Геологи, изучая земную кору, ее формирование и изменение во времени, опираются на основные положения физики, химии, биологии и других естественных наук. Однако приемы исследования в геологии отличаются от методов этих наук, прежде всего тем, что в геологии еще слабо внедрено экспериментирование. Последнее обусловлено трудностями создания необходимых условий для течения геологических процессов, например горообразовательных процессов, формирующих в природной обстановке горные сооружения на протяжении многих миллионов лет.

Основным методом геологии в деле познания земной коры является метод полевых геологических съемок. Суть метода — тщательные полевые наблюдения, основанные на изучении естественных выходов горных пород на дневную поверхность и искусственных вскрытий их с помощью горных выработок и скважин. При этом изучаются состав горных пород, характер их залегания, последовательность напластования, наличие в нихостатков организмов, сохранившихся с момента образования пород.

Геологический метод,основанный на непосредственном изучении горных пород по их образцам, применим лишь для самой верхней части земной коры. Более глубокие слои земной коры и Земли в целом вXXв. стало возможным изучать с помощью инструментальных геофизических методов:

Сейсмический метод. В настоящее время человек еще не располагает техническими средствами позволяющими ему проникнуть в недра на несколько тысяч км и извлечь оттуда образцы вещества для непосредственного изучения. Поэтому ее изучают косвенными методами, основным среди которых является сейсмический.

Сейсмические волны делятся на продольные и поперечные. Продольные волны характеризуются упругим объемным типом передачи упругим объемным типом передачи возмущения, при котором перемещение частиц среды соответствует направлению распространения волны. Поперечные волны обладают сдвиговым упругим механизмом передачи возмущения, обеспечивающим распространение волны в направлении, перпендикулярном к перемещению частиц.

Гравиметрический метод заключается в изучении распреде­ления на поверхности Земли силы тяжести. Величина ускорениясилы тяжести изменяется в зависимости от геологическогостроения местности, в частности от плотности пород. Однако этим методом определяется лишь средняя плотность пород, но не выясняются глубины залегания их, поэтому гравиметрический метод применяется совместно с сейсмическим, наиболее точным.

В основу магнитометрического метода изучения положены наблюдения над изменением магнитного поля Земли в различ­ных его участках в зависимости от состава и строения земнойкоры. Изучая магнитное поле, присущее Земле в целом, пытаются установить строение и состояние ядра Земли.

Магнитотеллурический метод основан на определении электропроводности глубоких недр. Этот метод позволил установить на глубине 100—200 км под материками слой с высокой электро­проводностью. По своему положению он совпадает с зоной размягчения в оболочке Земли, определенной ранеесейсмическим методом.

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 — водорода и гелия.

Форма Земли — трехосный эллипсоид вращения, малая (полярная) ось которого является осью вращения.

Длина экваториального радиуса 6378,13 км,

полярного — 6357,78 км ( средний радиус 6371,11 км)

Сжатие (полюсное) Земли равно 1/298,3 оно рассчитывается по формуле с=(а-в)/а, где с – сжатие, а и в – большая и малая полуоси эллипсоида вращения (сжатие экваториальное 1/30 000).

Поверхность Земли равна 510100934 км².

Экваториальная сплюснутость измерена рядом стран в области меридианов, проходящих через Тибет и Центральную Америку; разница в величине радиусов на экваторе достигает 213 м. Трехосный эллипсоид вращения довольно точно отражает фигуру Земли. Однако наличие на поверхности Земли больших неровностей в виде высочайших гор, достигающих высоты почти 9 км, и океанических впадин глубиной до 11,5 км заставило ученых дать фигуре Земли особое название — геоид.

Строение и состав Земли. Еще более сложно стратифицирована планета. Масса Земли оценивается в 5,98.10²⁷ г, а ее объем — в 083.10²⁷ см³. Следовательно, средняя плотность планеты составляет около 5,5 г/см3. Но плотность доступных нам горных пород ран- 2,7—3,0 г/см³. 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 изменений 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 превышаёт 2,7—3,0 г/см³. 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/см³, хотя это происходит неравномерно.

На контакте с земной корой вещество мантии находится в твердом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой вёрхней частью мантии называют литосферой. Агрегатное состояние вещества мантии ниже литосферьт 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 преимущёственно 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 ноли получил название астеносферы. 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 тепломассообмёна, 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 мёжду мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интервале глубин 2700—2900 км, в переходном слое Д¹ (в отличие от нижней мантии, имеющей индекс Д) происходит зарождениё 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/м3, 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/см³) 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.