Лекция 1 Введение в геологию

Геология - от греческого “ Гея “- Земля, логос - наука, т.е. наука о Земле. Геология - наука о строении, составе и развитии Земли, и прежде всего её верхней оболочки – литосферы. Она тесно связана со всеми естественными науками: физикой, химией, биологией, космогонией, планетологией.

Геология разделяется на группы самостоятельных наук.

1. Науки, изучающие вещественный состав Земной коры:

• геохимия

• кристаллография

• минералогия

• петрография

• литология

2. Науки, изучающие геологические процессы:

• динамическая геология

• вулканология

• тектоника

• геоморфология

• рудогенез.

3. Науки, изучающие историческую последовательность геологических процессов:

• историческая геология

• стратиграфия

• геотектоника

• металлогения.

4. Прикладная геология:

• гидрогеология

• инженерная геология

• поиски и разведка МПИ

• рудничная и шахтная геология

• геологическое картирование.

Мы будем изучать цикл наук о вещественном составе Земной коры, геологических процессах и их роли в образовании различных минералов, горных пород и полезных ископаемых.

История развития геологии

Первые зачатки научных знаний появились в трудах мыслителей античного мира: Геродота, Аристотеля, Страбона и др.

В эпоху Возрождения (ХV - XVI вв) Леонардо да Винчи показал, что наличие остатков морских организмов свидетельствует о перемещении границ моря и суши и не связано с библейским мифом о всемирном потопе.

Большое влияние на развитие геологии оказало учение Н.Коперника, показавшего место Земли в Солнечной системе.

В России основателем геологической науки по праву считается М.В. Ломоносов, написавший труды: ”О слоях земных”, “Слово о рождении металлов от трясения Земли”.

Большую роль в развитии геологии играли первые гипотезы о происхождении Земли Канта (1755) - Лапласа (1796), которые предполагали образование Земли в результате постепенного остывания и сжатия раскаленной газовой туманности.

Английский ученый В. Смит и французский Ж. Кювье применили палеонтологические методы определения возраста горных пород, что позволило установить основные этапы развития Земли и земной коры. Огромен вклад в геологию Ч. Дарвина с его учением об эволюции животного мира и Ч. Лайеля, предложившего метод актуализма - “Настоящее - ключ к прошедшему”.

В дореволюционной России большой вклад в мировую геологию внесли выдающиеся геологи: Е.С. Федоров, А.П. Карпинский, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, А.П. Павлов, В.А. Обручев, В.И. Вернадский, И.В. Мушкетов и др.

В советское время важный вклад внесла плеяда ученых – Д.В. Наливкин, А.Д. Архангельский, А.Е. Ферсман, Н.М. Страхов, В.Е. Хаин, С.С. Смирнов, В.Н. Заварицкий и др. Огромный вклад в развитие минерально-сырьевой базы страны внесли геологи - практики, которые открыли более 20 тыс. новых месторождений ПИ (полезных ископаемых).

В последние десятилетия геология стала охватывать не только сушу, но и морские глубины, и космические высоты.

Основой всех геологических исследований является представление о вещественном составе Земли и земной коры. Из химии мы знаем, что в составе земной коры, атмосфере и гидросфере известны более 100 химических элементов. В тоже время, вычисления среднего химического состава земной коры, проведенные многими геологами показали, что > 80 % составляют Si, Al, и О₂, а 98 % - всего 8 элементов – О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K. Остальные элементы составляют 2%, но без них не было бы всего многообразия минерального состава.

Минералы - это природные химические соединения или химические элементы. Они образуются в определенных физико-химических условиях и обладают стабильным химическим составом и физическими свойствами.

Горная порода - природное соединение одного или нескольких минералов, образующихся в результате проявления различных геологических процессов в недрах Земли или на её поверхности.

Таким образом, вещественный состав земной коры можно представить как иерархию:

химический элемент→ минерал → горная порода.

Мы рассмотрим минералы, горные породы и геологические процессы, определяющие их образование и преобразование.

Основы кристаллографии и минералогии.

Минералогия - наука о минералах, их составе, свойствах, происхождении и применении в народном хозяйстве.

В природе химические соединения встречаются в твердом, жидком и газообразном состоянии. Большинство геологов к минералам относят только твердые химические соединения, а остальные объединяют в минералоиды.

Все твердые минералы по своему внутреннему строению делятся на кристаллические и аморфные.

Химические элементы (атомы, ионы, молекулы), слагающие минералы, могут располагаться друг относительно друга закономерно, т.е. на определенном расстоянии и в определенном количественном соотношении. В этом случае образуются кристаллы или минералы кристаллического строения. Если же расположение химических элементов хаотичное (неупорядоченное) - образуются минералы аморфного строения.

Роль внутреннего строения является определяющей в совокупности свойств минерала. Поэтому в минералогии выделился раздел науки называемый кристаллографией – это наука о твердых телах и законах, которые управляют их ростом, внешней формой и внутренней структурой.

Закономерное размещение атомов и ионов заключается в следующем. Атомы и ионы, составляющие минералы располагаются в виде узлов геометрических фигур:

Серия таких фигур образует плоскую сетку (модель графита). Плоские сетки могут располагаться параллельно друг другу и взаимно пересекаться. В этом случае они образуют пространственную решетку. Факт геометрически закономерной кристаллической структуры минералов объясняет ряд важнейших свойств. Рассмотрим некоторые из них.

1. Прежде всего, из этого вытекает само определение кристалла – это твердое тело, имеющее естественную форму многогранника, в котором слагающие частицы (атомы, ионы …) располагаются закономерно по принципу кристаллической решетки.

2. Отсюда способность к самоогранению, т.е. принимать внешние формы, отражающие плоские сетки кристаллической решетки. Элементами самоогранения кристаллов являются грани, ребра, вершины углов. Здесь же важное свойство кристаллов, формулируемое как Закон постоянства гранных углов. Его суть: углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же минерала постоянны. На практике применение этого закона дает возможность, сделав измерения углов, определить минералогическую принадлежность кристалла.

3. Однородность - важное свойство, означающее, что любая часть кристалла обладает теми же свойствами, что и весь кристалл по параллельным направлениям.

4. Анизотропность - свойство однородных кристаллов изменять величину одного и того же физического свойства по не параллельным направлениям. Наглядным примером служат:

• минерал ДИСТЕН, у которого разная твердость по взаимно перпендикулярным направлениям

• слюды легко расщепляются по параллельным пластинам, но трудно в перпендикулярном направлении.

Аморфные вещества - изотропны, т.е. все свойства одинаковы по всем направлениям.

5. Симметрия (от греч. symmetria - соразмерность) - свойство кристаллов закономерно повторять “равные части”, т.е. элементы огранения кристаллов, относительно воображаемым вспомогательным элементам, которые называются элементами симметрии. К ним относятся:

• Центр С - точка внутри кристалла, которая располагается на равном удалении от элементов огранения (граней, ребер, углов).

• Плоскость симметрии Р - воображаемая плоскость, делит кристалл на равные зеркально отраженные части.

• Ось симметрии L - воображаемая линия, вокруг которой несколько раз повторяются равные части фигуры. Поскольку кристалл можно повернуть на 360 0 , то количество совмещений элементов его огранения составляет 2, 3, 4, 6 раз. Эти числа определяют порядок оси, запись делают: L 2 – что означает ось второго порядка.

Кроме обычных осей, существуют инверсионные оси (редко встречаются). Они определяются при одновременном повороте кристалла вокруг оси симметрии и вокруг центра.

Полный набор элементов симметрии данного кристалла называется видом симметрии или классом. Установлено, что существует 32 класса. Запись полной совокупности элементов симметрии кристалла от высших к низшим называется формулой симметрии, например L₃3L₂3PC.

Классы объединяются в сингонии. Сингония - это группа видов симметрии, которая обладает одним или несколькими общими элементами симметрии. Всего установлено 7 сингоний. В свою очередь, сингонии объединяются в 3 категории - низшую, среднюю и высшую.

Кристаллографические сингонии

Формы кристаллов

Простые формы - все грани равны и одинаковы (пример - куб, призма, ромбоэдр и др.).

Комбинационные формы - представляют собой сочетание простых форм. Сколько простых форм скомбинировано в кристалле, можно установить, сосчитав количество разновидностей простых форм.

Название граней и форм - от греяеских слов - моно, ди, тетра, пента, эдра , пинакос - доска и т.п.

Морфология минералов и минеральных агрегатов - способ заполнения минеральным веществом пространства.

Габитус - облик кристаллов, зависит от строения кристаллической решетки: призматический, изометричный, пластинчатый.

Чаще, чем одиночные кристаллы, в природе встречаются СРАСТАНИЯ минералов, которые можно подразделить на:

С особенностями кристаллической структуры связаны такие явления как изоморфизм, полиморфизм и псевдоморфизм.

Изоморфизм - явление, когда в кристаллической решетке часть атомов или ионов замещается другими атомами или ионами, с близкими ионными радиусами. Иначе говоря, при сходном кристаллическом строении мы имеем расхождение в химическом составе. Например: минералы группы гранатов имеют общую формулу А₃В₂ [SiO₄]₃,

где А - Mg, Fe₂, Ca;

B - Al, Fe₃, Ce .

Полиморфизм - свойство одинаковых по химическому составу веществ, в зависимости от условий, кристаллизоваться с образованием разных кристаллических решеток и как следствие, относиться к разным сингониям. Яркий пример: углерод образует две полиморфические разновидности: алмаз - кубическая сингония и графит - гексагональная сингония.

Псевдоморфизм - явление замещения одного минерала другим с сохранением внешней формы замещаемого кристалла. Таковы, например, псевдоморфозы лимонита по кристаллам пирита.