Ганжара геология и ландшафтоведение

ÁÁÊ 26.3

Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений

Ганжара Н.Ф., Байбеков Р.Ф., Бойко О.С., Колтыхов Д.С., АрешинА.В.Геология и ландшафтоведение. М.: Т-во научн. изданий КМК. 2007. 380 с. + 56 с. вкл.

Описаны главные минералы и горные породы, эндогенные и экзогенные процессы, основные этапы геологической истории Земли. Изложены вопросы строения естественных и природно-антропогенных ландшафтов, их динамики, систематики и устойчивости. Описаны факторы и законы ландшафтной дифференциации, генезис и функционирование. Приведены сведения о геохимии и биогеохимии ландшафтов.

Рецензенты:

Зав. кафедрой геологии и гидрогеологии Московского государственного университета природоустройства, д.техн.н., проф. Д.А. Манукьян.

Проф. кафедры почвоведения Российского государственного аграрного университета — МСХА им. К.А. Тимирязева, д.б.н. В.Д. Наумов.

Под редакцией доктора биологических наук, профессора Н.Ф. Ганжары.

Фото минералов и пород О.С. Бойко, А.В. Арешина.

4

ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ

Глава 1. Строение Земли

Форма планеты

Одним из главных факторов в создании формы Земли является ее вращение. В настоящее время считают, что воображаемую форму Земли представляет трехосный эллипсоид вращения, несколько сплющенный у полюсов. Ýкваториальный радиус Земли равен 6379 км, а полярный 6357 км. Эксцентриситет (степень сжатия) эллипсоида 1/300.

Полный оборот вокруг Солнца Земля делает за 24 часа (23 часа 56 минуты 4 секунды).

Совокупность неровностей земной поверхности называется рельефом. Самая высокая гора Эверест (Джомолунгма) — 8848 м выше уровня океана, самая глубокая впадина — Марианская — 11034 м ниже уровня океана. Таким образом, перепады рельефа на поверхности Земли составляют около 20 км, что по сравнению с радиусом планеты (около 6300км) составляет ничтожную величину. Гораздо более существенным фактом является неравномерность распределения вещества с разной плотностью в недрах Земли.

Экваториальное сечение Земли представляет собой эллипс. Разность его полуосей составляет около 200 м. Кроме того, полярные полуоси северного и южного полушарий не одинаковы. Южная полуось — на 100–200 м короче северной полуоси, поэтому полярное сжатие южного полушария больше чем северного.

В результате неравномерного распределения вещества в недрах, геометрический центр Земли не совпадает с центром ее массы. Механическим следствием этого должны являться «биения», что приводит к непрерывному смещению самой оси вращения внутри тела Земли — ее прецессии. Земная ось, совершая движение, описывает конус, характеризуя перемещение полюсов планеты в пространстве (нутация). Нутация полюсов оказывает огромное воздействие на распределение масс воздуха и их изменения по сезонам.

Хотя представление о форме Земли как о трехосном эллипсоиде вращения для решения многих задач является верным, в действительности поверхность Земли оказывается более сложной. Наиболее близка к ней фигура геоида (буквальный перевод термина — «землеподобный»).

14

Геоид — некоторая воображаемая, замкнутая геометрическая поверхность, по отношению к которой сила тяжести повсеместно направлена перпендикулярно. Она совпадает с невозмущенной поверхностью мирового океана и продолжается, погружаясь под материки, как бы сглаживая их рельеф.

Форма и размеры Земли были вычислены геодезистом А.А. Изотовым в 1940 г. на основании геодезических работ, проводившихся

под руководством математика профессора Ф.Н. Красовского. Поэтому, вычисленная фигура Земли получила название эллипсоида Красовского. Позднее ее параметры были уточнены с помощью

космических аппаратов.

Таблица 1.1. Основные параметры эллипсоида Красовского и основные характеристики Земли

Лабораторными исследованиями было установлено, что плотность горных пород, выходящих на поверхность Земли не превышает 2,7 – 3 г/ñì3. Из этого следует, что в ее недрах должны находится горные породы, чья плотность должна значительно превышать среднюю плотность Земли.

Внешние геосферы

Атмосфера — газообразная оболочка Земли. Она имеет слоистое строение — в ней выделяют три основных слоя: нижний —

тропосфера, средний — стратосфера и верхний — ионосфера. Тропосфера. Толщина ее составляет от 6 км на полюсах до

18 км на экваторе, в среднем — около 12 км. Она содержит 80% всей массы атмосферы и все водяные пары. Содержание кислорода О2 = 21%, азота N2 = 78%, углекислого газа СО2 = 0,03% и аргона 0,93%.

15

На каждые 100 м высоты в тропосфере фиксируется понижение температуры на 0,6 °С. В результате температура у верхней границы

тропосферы — (–45...–55 °С) у полюсов и (–70...–80 °С) у экватора. Стратосфера имеет верхнюю границу на высоте 80–90 км.

Масса ее составляет 5% массы атмосферы, температура (–80...–90 °С). На высоте 80–120 км расположен озоновый слой, который защищает биосферу от губительного действия ультрафиолетового излуче-

ния Солнца.

Ионосфера. Верхняя граница ионосферы не установлена, так как она постепенно переходит в межпланетное пространство, заполненное межпланетным магнитным полем и потоками космических заряженных частиц. Здесь воздух сильно ионизирован. Часто наблюдаются полярные сияния в результате схода электронных и протонных лавин, поступающих от Солнца. Верхняя граница поляр-

ных сияний 100–120 км.

Гидросфера — водная оболочка Земли, верхняя граница которой определяется поверхностью водоемов. Гидросфера включает все известные нам формы природных вод в жидком, твердом и парообразном состоянии. Эти формы постоянно переходят друг в друга и взаимодействуют с другими геосферами.

Общая масса воды гидросферы составляет около 1644·1015 т (или 0,2% от массы планеты). Она в 275 раз превышает массу атмосферы. Около 94% массы гидросферы составляют соленые воды мирового океана. Из оставшихся 6% массы гидросферы, четвертая часть приходится на ледники. Подземные воды составляют 1,68% общего объема гидросферы. Их объем оценивается примерно в 200 км3. Остальные 4% — пресные воды суши (вода рек, озер и болот).

Верхняя граница гидросферы совпадает с поверхностью ледников, снежников, уровнем воды в Океане и в водоемах на континентах. Вопрос о положении нижней границы гидросферы однозначно еще не решен. Обычно за нижнюю границу гидросферы принимается нижняя граница существования подземных вод (в жидкой фазе). Она определяется давлением и температурой недр, так как при температуре около 1000 °С происходит диссипация (распад) молекул воды.

Любые воды гидросферы Земли в той или иной степени минерализованы и могут рассматриваться как природные раство-

ры. В отличие от атмосферы в гидросфере четко проявлена горизонтальная неоднородность (зональность). Воды суши в основ-

ном пресные, а океанов и морей — соленые. Воды океана постоянны

16

по химическому составу и содержат в среднем 35 г солей в 1 л (3,5%).

Под влиянием солнечной радиации воды гидросферы Земли находятся в постоянном движении — в непрерывном кругооборо-

òå. Вода в виде паров атмосферной влаги, атмосферных осадков и речного стока, в виде течений в океанах перемещается на большие расстояния. Находясь в атмосфере, она максимально насыщается свободным кислородом и затем расходует его, соприкасаясь с биосферой и верхними слоями земной коры. В процессе круговорота в единую систему связываются все воды гидросферы, а также осуществляется тесная связь природных вод с атмосферой, земной

корой и живым веществом планеты.

Биосфера — оболочка Земли, состав, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов. Главные особенности биосферы — исключительно быстрый круговорот вещества, широкое распространение веществ в коллоидном состоянии и в виде высокомолекулярных соединений.

Термин «биосфера» впервые применил Э. Зюсс (1875), считавший ее тонкой пленкой жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющей «лик Земли». Однако заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому, так как именно он развил представление о живом веществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания. Большое влияние на В.И. Вернадского оказали работы В.В. Докучаева о почве как о естественноисторическом теле.

Основы учения о биосфере, изложенные В.И. Вернадским в 1926 г. в книге «Биосфера», впоследствии стали идеологией и основой уче- ния об окружающей среде — «экологии».

Биосфера имеет строго определенные границы. Эти границы определяются физическими и химическими условиями существования жизни. По современным представлениям биосфера занимает нижнюю часть атмосферы, верхние слои литосферы, поверхность суши и всю гидросферу. В то же время геометрические границы биосферы достаточно условны. Обычно считают, что верхняя граница биосферы находится на высоте 22–24 км от поверхности Земли, где образуется озоновый экран.

Нижняя граница биосферы проходит в литосфере на глубине 3–4 км, а в гидросфере — по дну Мирового океана.

Болееширокоераспространениеживыхорганизмовограниченорядом факторов. Так, проникновению вверх препятствует космическое

17

излучение, а проникновению вглубь — высокая температура земных недр.

Масса внешних оболочек Земли составляет меньше 0,001% массы планеты, однако их значение в геологической истории Земли чрезвычайно велико. Атмосфера, гидросфера и биосфера обладают высокой динамичностью, поэтому они являются мощными геологическими факторами развития земной поверхности и преобразования горных пород. Благодаря их работе создаются озерные, речные, элювиальные, делювиальные, ледниковые, пролювиальные, эоловые, торфяные и другие отложения, слагающие верхнюю часть земной коры.

Внутреннее строение Земли

Представления о внутренней неоднородности строения Земли и ее концентрически-зональном строении основаны на результатах комплексных геофизических исследований.

Главным методом исследования недр является сейсмический метод. Он базируется на измерении скорости прохождения механических колебаний разных типов через вещество Земли. Геофизи- ческие исследования дополнены термодинамическими расчетами, результатами физического моделирования и экспериментов по гравитационной дифференциации вещества.

Полученные данные свидетельствуют о наличии в недрах Земли многочисленных субгоризонтальных границ. На этих границах происходит изменение скоростей и направлений распространения физических волн (электромагнитных, сейсмических и др.) при их распространении вглубь планеты.

Эти границы интерпретируются как разделы отдельных оболо- чек — «геосфер», которые отличается друг от друга по химическому составу и агрегатному состоянию вещества в них. На границах разделов происходитсмена химического состава и агрегатного со-

стояния вещества.

В строении внутренних сфер Земли различают: земную кору,

верхнюю мантию, переходную зону, нижнюю мантию, внешнее и внутреннее ядро. Некоторые параметры и свойства внут-

ренних сфер Земли приведены на рисунке 1.1.

Земная кора — самая верхняя и тонкая каменная оболочка Земли (35–80 км на континентах и 6–15 км под дном океана, в среднем около 30 км). Средняя плотность вещества в ней составляет около 2,8 г/см3.

18