ТЕМА 1. ВВЕДЕНИЕ В ГЕОЛОГИЮ С ОСНОВАМИ ГЕОМОРФОЛОГИИ

Геология - одна из древнейших и важнейших естественных наук. Предметом ее изучения является строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует статистические явления и динамические процессы, которые проходили в прошлом и протекают в настоящее время на нашей планете.

Основная задача геологии состоит в изучении наружной каменной оболочки планеты, которую называют земной корой, и взаимодействующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли.

Геология зародилась еще в глубокой древности. Тысячелетия наши предки учились использовать сначала обломки камня в качестве орудий труда, потом обрабатывать руду, получать металлы. Но как наука геология возникла во второй половине ХVIII века, когда начала бурно развиваться горнодобывающая промышленность. В России основоположником геологических знаний стал М.В. Ломоносов (1711-1765 гг.), а в Западной Европе – Д. Геттон (1726-1797 гг.) и А.Г. Вернер (1750-1817 гг.).

Именно М.В. Ломоносов выдвинул идеи формирования рельефа земной поверхности благодаря взаимодействию внутренних и внешних сил, рассчитал мощность земной коры, объяснил происхождение многих минералов и горных пород. Им были сформулированы основные идеи эволюционной геологии, которые затем были развиты английским ученым Ч. Лайелем. Вместе с тем, развивалось и другое направление в геологической науке, которое объясняло историю геологического развития периодически повторяющимися катастрофами. В процессе дискуссий представителей этих двух научных школ геологов – эволюционистов и катастрофистов - на рубеже ХVIII – ХIX веков сформировались историческая и динамическая геология.

Большое значение для последующего развития геологической науки имели также дискуссии между «нептунистами», которые считали роль воды главной в геологических процессах, и «плутонистами», которые изменения Земли и образование горных пород связывали с так называемым «подземным жаром». Яркими представителями указанных направлений были А.Г. Вернер и Д. Геттон. Победа в этом научном споре «плутонистов» способствовала бурному дальнейшему развитию геологии как науки.

В 1875 г. был создан Международный геологический конгресс, который принял решения по унификации содержания и оформления геологических карт, геологической терминалогии, номенклатуры горных пород и т.д.

Выдающийся вклад в развитие геологии внесли отечественные ученые А.Д. Архангельский, Н.В. Белов, А.Г. Бетехтин, Ю.А. Билибин, В.И. Вернадский, А.П. Виноградов, И.М. Губкин, В.А. Обручев, С.С. Смирнов, Н.Н. Страхов, А.Е. Ферсман, Н.С. Шатский и другие.

Современная геология тесно связана с другими науками о Земле, такими как, астрономия, геодезия, география, биология. Она опирается на фундаментальные науки, такие как, математика, физика, химия.

К наукам геологического цикла относятся:

- геохимия, наука от распределении и процессах миграции химических элементов в земной коре и в Земле в целом;

- кристаллография, которая изучает внутреннее строение и формы кристаллов;

- минералогия, предметом изучения которой является состав кристаллов, условия их образования и закономерности распространения;

- петрография, которая изучает горные породы;

- литология – учение об осадочных породах;

- геоморфология, изучающая современное строение и происхождение рельефа земной поверхности;

- геотектоника, рассматривающая развитие и строение земной коры;

- структурная геология – наука о формах залегания горных пород.

Общие закономерности и последовательность процессов формирования земной коры изучает историческая геология. Историю развития земной коры исследуют также стратиграфия (от лат. «стратум» - слой), которая рассматривает последовательность образования и залегания слоистых толщ горных пород, и палеонтология (от греч. «палеос» - древний, «онтос» существо), изучающая развитие органического мира прошлых геологических эпох.

Динамическая геология – это наука о геологических процессах, которая включает такие разделы как сейсмология – наука о землетрясениях и вулканология - наука о проявлениях вулканизма. Геологическое строение и развитие отдельных регионов изучает региональная геология.

К прикладным геологическим наукам относятся:

- учение о месторождениях полезных ископаемых, о методах их поиска, разведки;

- гидрогеология – наука о происхождении, составе, условиях залегания и движении подземных вод;

- инженерная геология – наука о геологических условиях возведения и эксплуатации инженерных сооружений;

- горнопромышленная геология, которая изучает геологическое обеспечение горного производства при проектировании, строительстве, эксплуатации и ликвидации горных предприятий.

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

Минералами называют природные химические соединения, однородные по составу и строению, образующиеся в результате естественных физико-химических процессов.

Горные породы – это природные устойчивые ассоциации минералов, сформировавшиеся в результате определенных геологических процессов. По генезису горные породы делятся на следующие виды:

- магматические или изверженные, которые возникли при остывании огненно-жидкого силикатного расплава – магмы;

- осадочные, которые образовались при механической, химической и биохимической переработке вещества земной коры в поверхностных условиях;

- метаморфические, которые формируются в процессе преобразования первичных пород в недрах Земли под действием высоких температур, давлений и химически активных веществ.

Ископаемые органические остатки позволяют определить условия образования вмещающих горных пород и определить их возраст.

Процессы, меняющие состав, строение земной коры, рельеф земной поверхности, называются геологическими. По источнику энергии, месту и условиям протекания геологические процессы делятся на экзогенные, т.е. рожденные извне, и эндогенные, т.е. внутри рожденные.

Экзогенные процессы протекают под действием солнечной энергии на поверхности Земли. Они выражаются в изменении горных пород, их разрушении, переносе продуктов разрушения водными и воздушными массами, осаждении их, т.е. седиментации.

Эндогенные процессы протекают благодаря внутренней энергии Земли. К ним относятся:

- тектонические процессы, приводящие как медленным колебательным движениям больших участков земной коры, так и к относительно быстро протекающим дислокационным процессам, нарушающим первоначальное залегание горных пород;

- магматизм – явления образования в недрах Земли огненно- жидких силикатных расплавов, их движения и остывания;

- метаморфизм – глубокие изменения горных пород под действием высоких температур, давлений и химически активных веществ на больших глубинах.

Исследования в геологии выполняют с помощью прямых, косвенных, экспериментальных и математических методов.

К прямым методам относятся непосредственное наземное и дистанционное (из тропосферы, из космоса) изучение состава и строения земной коры. Основным из этих методов является геологическая съемка и картирование. Этот метод дает возможность изучить строение геологических объектов и является основой для поиска месторождений полезных ископаемых. При геологической съемке оценку состава и строения земной коры выполняют путем изучения искусственных горных выработок, таких как, карьеры, шахты, а также буровых скважин. Максимальная глубина, достигнутая в настоящее время горными выработками на рудниках в Индии и в ЮАР, составляет 3,5 – 4 км. Наиболее глубокая скважина в мире на Кольском полуострове – 12 км. Обычна средняя глубина скважин не превышает 4-5 км.

Косвенные геофизические методы основаны на изучении естественных и искусственных физических полей, создаваемых объектами. В зависимости от физических свойств и полей различают сейсмические, гравитационные, электрические и другие методы.

Экспериментальные исследования в геологии направлены на моделирование геологических процессов магматизма, метаморфизма, тектонических процессов и т.д., на искусственное получение минералов и горных пород.

Перспективным является использование математических методов. Однако их применение затруднено сложностью формализации и неоднозначностью геологических процессов.

Тема 2. Общая характеристика земли.

Строение и развитие Земли имеет определенное сходство с развитием других планет; некоторые геологические процессы зависят от космических явлений.

Весь материальный мир, окружающий нас, называется Вселенной или космосом (от греч. «космос» - мир, Вселенная). Материя во Вселенной распределена неравномерно и представлена звездами, планетами, пылью, метеоритами, кометами и газами. Доступная для изучения часть Вселенной называется Метагалактикой. Она включает звездные скопления – Галактики (от греч. «галактика» - молочный, млечный). Их свыше миллиарда. Галактика Млечного пути, к которой принадлежит и наша Солнечная система, относится к типу спиральных и включает свыше 150 миллиардов звезд. Диаметр Млечного пути около 120 тыс. световых лет, толщина этого «диска» 1600 световых лет. Основная масса звезд находится в центре Галактики; к краям их число уменьшается. Наша Солнечная система расположена внутри этой Галактики. Все звезды, в том числе и наше Солнце, вращается вокруг центра масс Галактики с периодом 250 млн лет. По современным представлениям возраст Солнечной системы 5 млрд лет; соответственно, она сделала около 20 оборотов вокруг центра Галактики.

В центре Солнечной системы расположено Солнце. Масса его - около 99,87% массы всей Солнечной системы. Для сравнения можно привести массу самой крупной из планет – Юпитера, которая не более 0,1%. Поэтому Солнце является центром притяжения всех космических тел в Солнечной системе. Эти тела связаны силами гравитационного притяжения и оказывают влияние друг на друга. Однако по сравнению с другими звездами размеры нашего Солнца невелики: оно в 2-3 раза меньше средней звезды Млечного Пути.

В составе Солнца около 70 химических элементов, главными из них являются водород и гелий. Диаметр Солнца в 109 раз больше земного; средняя температура верхних слоев около 5600-6000⁰С. Это связано с термоядерными процессами превращения водорода в гелий и образования плазмы. Мощность солнечного излучения около 4,2×10²⁶ Вт и из этого количества на Землю падает лишь ½ миллиардной части. Но этой энергии достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на процессы на Земле, в том числе и геологические. По расчетным данным внутри Солнца давление достигает 10 млрд МПа, а температура 16 млн ⁰С.

Примерно через каждые 11 лет в зоне действия мощных магнитных полей на поверхности Солнца возникают пятна с пониженной температурой (около 4200⁰С). Между смежными пятнами разной полярности протекает электрический ток силой до 10¹² А и это вызывает движение раскаленной плазмы вдоль магнитных силовых линий с высокой скоростью.

В состав Солнечной системы входят 8 планет, 42 спутника, не менее 50 тысяч астероидов, метеоры и кометы. Солнечная система является компланарной, т.е. орбиты планет расположены в плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца и имеют почти круговую форму. Плоскость солнечного экватора называют еще плоскостью эклиптики. Вокруг Солнца все планеты вращаются в одном направлении. Вращение большинства планет вокруг своих осей совпадает с направлением вращения Солнца; у Венеры и Урана вращение обратное. Оси вращения планет образуют с плоскостью орбиты угол, близкий к прямому. Лишь у Урана ось вращения почти лежит на плоскости орбиты.

Планеты Солнечной системы делятся на внутренние (или земноподобные) и внешние (или планеты-гиганты).

Планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля и Марс. Они сравнительно малы по размерам, сложены каменным или металлическим веществом земного типа с высокой плотностью, имеют малую массу атмосферы и относительно небольшую скорость вращения вокруг осей. Из этих планет лишь Земля имеет один спутник и Марс – два.

Меркурий самая малая из планет; имеет очень разреженную атмосферу из гелия, неона, аргона и слабое магнитное поле. В течение дня поверхность его нагревается до 430⁰С, а ночью температура падает до -130⁰С.

Венера близка по массе и размерам к Земле. Мощная атмосфера состоит на 97% из углекислого газа и создает давление у поверхности около 9,5МПа. Температура достигает 480⁰С.

Атмосфера Марса тоже состоит, в основном, из углекислого газа; она сильно разрежена – давление у поверхности всего 0,3-0,9кПа. Температура колеблется от +30 до -120⁰С. На Марсе имеются полярные шапки из замерзшей углекислоты мощностью в несколько десятков метров; часто возникают пылевые бури.

Внешние планеты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. До недавнего времени к ним относили и Плутон. Однако на Международной конференции летом 2006 года ученые решили, что Плутон нельзя считать планетой. Они имеют большие размеры, низкую плотность вещества, плотную атмосферу с преобладанием водорода, гелия, метана, аммиака, относительно высокую скорость вращения вокруг осей. У планет – гигантов – Юпитера, Сатурна и Урана есть метеоритные кольца.

Мощность атмосферы Юпитера более 10-15 тысяч км; температура у поверхности около -130⁰С. На 80% Юпитер состоит из твердых газов. Он имеет 15 спутников, массы которых близки к массе Луны; обладает мощным магнитным полем и радиоизлучением; его тепловое излучение в два раза больше, чем он получает энергии от Солнца. На Юпитере наблюдается красное пятно в виде эллипса длиной до 40 тысяч км; предполагают, что это гигантский атмосферный вихрь.

Сатурн имеет 16 спутников и 5 колец. В его мощной атмосфере также наблюдаются вихри. Как и Юпитер, он излучает тепла в космос втрое больше, чем получает от Солнца.

Уран и Нептун изучены в настоящее время в меньшей степени.

Земля является типичной внутренней планетой Солнечной системы. Она обладает хорошо развитыми атмосферой, гидросферой и внутренними оболочками.

Спутник Земли – Луна – находится на расстоянии 384 395 км от нее, период обращения по орбите 27 суток, размеры в 4 раза меньше земных, масса в 81 раз меньше, плотность 3300 кг/м³. Соизмеримость размеров, а также относительно небольшое расстояние объясняет значительное влияние Луны на процессы на Земле. В частности, притяжение Луны вызывает приливы и отливы в водной и каменной оболочках нашей планеты.

Приливы и отливы – это периодические поднятия и опускания уровня моря , вызванные притяжением Луны и Солнца. Схема возникновения приливов и отливов показана на рис.2.1.

Солнце оказывает меньшее влияние на величину приливной волны ввиду большой удаленности. В периоды новолуния и полнолуния, т.е. дважды в месяц, Земля, Луна и Солнце оказываются на одной прямой и возникают максимальные приливы и отливы, называемые сизигийными. Минимальные приливы называют квадратурными. Они наблюдаются, когда Солнце и Луна по отношению к Земле находятся под прямым углом.

Сила притяжения на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле, поэтому на ней нет атмосферы. Периоды обращения Луны вокруг Земли и вокруг своей оси одинаковы, поэтому она всегда обращена к Земле одной стороной.

По форме Луна представляет собой практически сферу с небольшой выпуклостью в сторону Земли из-за гравитационного притяжения. В рельефе выделяют обширные равнины – лунные моря и высокогорные области – материки. На Луне проходят процессы разрушения горных пород под действием солнечного излучения и метеоритной бомбардировки. Суточный перепад температур достигает 300-310⁰С: днем здесь +130⁰С, ночью – до -180⁰С. Верхняя часть Луны покрыта реголитом ; это темно-серый порошок, продукт разрушения коренных базальтов. Мощность лунной коры 60-100 км; ниже, как предполагают, находится мантия до глубины 960 км и ядро. На поверхности имеются также кратеры метеоритного или вулканического происхождения диаметром до 200 км с горкой в центре и цирки диаметром до 250 км и высотой до 5 км без таких горок.

Между орбитами Марса и Юпитера находится пояс астероидов или малых планет. Он отделяет внутренние планеты от внешних. Открыто около 2000 наиболее крупных астероидов; предполагается, что их общее число более 100 тысяч. Наиболее крупными являются Церера (767 км), Паллада (489 км), Веста (386 км). Наименьшие астероиды, открытые к настоящему времени, имеют диаметр менее 1 км. Астероиды имеют железо - каменный состав и форму угловатых глыб; они движутся в том же направлении, что и планеты, по круговым орбитам, лежащим в плоскости эклиптики. Это дало основания некоторым ученым предположить, что пояс астероидов – это обломки еще одной планеты Солнечной системы – Фаэтона, которая разрушилась в результате космической катастрофы.

При своем движении астероиды сталкиваются и образуются их обломки, которые сходят с орбиты. Они отклоняются в сторону Солнца и при пересечении с орбитами внутренних планет они могут падать на них в виде метеоритов. Метеориты – это минеральные агрегаты космического происхождения, залетающие в атмосферу Земли. Мелкие метеориты называют метеоры; они сгорают в атмосфере. Более крупные при ударе о поверхность образуют воронки в форме кратера. Самым крупным является кратер Метеор в штате Аризона в США диаметром 1,6 км и глубиной 150 м.

По составу метеориты делят на железные (сидериты), каменные (эвкриты) и железо – каменные (хондриты). Сидериты примерно на 95% состоят из железа, содержат примеси никеля и кобальта, по составу соответствуют ядру Земли. Эвкриты состоят из силикатов с примесью никелистого железа, близки по составу к некоторым породам земной коры. Хондриты близки к среднему составу Земли; они наиболее часто встречаются - примерно 93%.

На Землю в год выпадает около 16 тыс. тонн метеоритного вещества; масса метеоритов от нескольких граммов до сотен тонн. Наиболее крупные из обнаруженных – это Гоба в Африке массой 59 тонн, Кейп-Йорк в Гренландии – 33 тонны.

Кометы (в переводе означает «косматая звезда») – это космические тела вытянутой формы, состав которых близок к составу планет- гигантов, т.е. это твердый газ с минеральными включениями. Под действием солнечного тепла из их ядра выделяется разреженный газ, который образует оболочку и хвост кометы. При этом хвост кометы под действием солнечного ветра всегда направлен от Солнца; длина этого хвоста может достигать миллиардов км.

Кометы – не горячие тела; их свечение обусловлено отражением солнечного излучения. Они движутся по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, подходят близко к Солнцу, а затем удаляются за пределы орбиты Плутона. Поскольку кометы пересекают орбиты планет, то возможны их столкновения с планетами. Предполагается, например, что Тунгусский метеорит, упавший в Сибири в 1908 году, был небольшой кометой массой около 5 млн тонн, которая столкнулась с Землей.