Ганжара Геология и ландшафтоведение

заложил научные основы геологии, но и дал толчок к развитию геологии в России. В 1805 г. было организовано Московское общество испытателей природы, в 1817г. в Петербурге — Минералогическое общество, в 1845 г. — Русское географическое общество, в 1865 г. — Московское общество любителей естествознания, антропологии и этнографии, которые сыграли огромную роль в развитии географи- ческих и геологических исследований в России. В первой половине XIX в. минерологом Н.И. Кокшаровым была составлена первая схематическая геологическая карта северной половины, а геологом Г.П. Гельмерсеном — всей Европейской части России. Основы минералогии были сформулированы академиком В.М. Свергеным.

Дальнейшее развитие геологии связано с именем академика, А.П. Карпинского (1847–1936), И.В. Мушкетова (1850–1902), В.А. Обручева (1863–1956), Е.С. Федорова (1853–1919), А.П. Павлова (1854–1929), В.И. Вернадского (1863–1945), И.М. Губкина (1871– 1939), А.Е. Ферсмана (1883–1945) и др. ученых.

А.П. Карпинский — основатель русской геологической школы, его называют отцом российской геологии. Он является автором легенды геологической карты утвержденной Всемирным геологическим конгрессом в 1881 г. С 1916 по 1936 гг. А.П. Карпинский был президентом академии наук СССР.

Всемирно известный минеролог и кристаллограф Е.С. Федоров разработал методы кристаллооптических исследований.

В.И. Вернадский, ученик В.В. Докучаева, минеролог занимался систематикой минералов, химией земной коры, основательного направления в геологии — геохимии.

А.Е. Ферсман, ученик В.И. Вернадского, сооснователь современной геохимии, вплотную подошел к изучению геохимии ландшафтов.

И.М. Губкин обобщил работы по геологии нефти, которые позволили дать прогноз месторождений нефти.

Основателем ландшафтоведения, также как и многих разделов и научных основ физической географии, в том числе почвоведения, является геолог по специальности В.В. Докучаев (1846–1903). В 1899 году вышла в свет его работа «К учению о зонах природы», которая положила начало обособлению ландшафтоведения как самостоятельной научной дисциплины. В этой работе впервые был сформулирован географический закон зональности. В это же время, в небольшой, но замечательной по глубине научного предвидения работе «Место и роль современного почвоведения в науке и жизни», В.В. Докучаев, предсказал развитие новой науки. Он пи-

10

сал: «в последнее время все более и более формируется и обособляется одна из интереснейших дисциплин в области современного естествознания, именно о тех многосложных и многообразных соотношениях и взаимодействиях, а равно и о законах, управляющих вековыми изменениями их, которые существуют между так называемыми живой и мертвой природой, между а) поверхностными горными породами, б) пластикой земли, в) почвами, г) растительными и ж) животными организмами (в том числе и даже главным образом низшими) и человеком, гордым венцом творения», можно с уверенностью отнести к ландшафтоведению.

Следует отметить, что известные теоретические положения В.В. Докучаева о природных зонах, почве «как зеркале ландшафта», о факторах почвообразования были неразрывно связаны с на- учным обоснованием использования природных ресурсов. Уже в то время В.В. Докучаевым были намечены пути развития земледелия России в соответствии с типами местной природы. Он настаивал на необходимости соблюдения «норм, определяющих соотношение площади пашни, лугов, леса и вод».

Большой вклад внес В.В. Докучаев в развитие учебного процесса в сельскохозяйственных вузах. Будучи директором Новоалександрийского института сельского хозяйства и лесоводства, он открывает первую в мире кафедру генетического почвоведения. В большом объеме читается курс геологии.

Научные положения В.В. Докучаева развили его ученики: Н.Н. Краснов (1862–1914), Г.И. Танфильев (1857–1928), Г.Н. Высоцкий (1865–1940), Н.Н. Сибирцев (1860–1900), В.И. Вернадский, (1863–1945), К.Д. Глинка (1867–1927) и последователи Л.С. Берг (1876–1950). Б.Б. Полынов (1877–1952) и др.

В 1930 г. выходит книга Л.С. Берга с изложением основ учения о ландшафтах, в 1938 г. Л.Г. Раменский развивает учение о типах земель, а позже в 1940-х гг., разрабатываются В.Н. Сукачевым учение о биогеоценозах и Б.Б. Полыновым основы геохимии ландшафтов.

Дальнейшее развитие ландшафтоведения связано с введением учения о ландшафтах в учебные планы государственных университетов, зарождением и развитием научных школ в ведущих университетах и институтах Академии наук СССР. В 1950-е и 1960-е гг. практическиодновременноформируютсянаучныешколы,получившие широкое признание: на Географическом факультете МГУ (М.А. Глазовская, К.К. Марков, Н.А. Гвоздецкий, Н.А. Солнцев и др.); на Био- лого-почвенном факультете МГУ (В.А. Ковда, В.В. Добровольский);

11

âСанкт-Петербургском университете (А.Г. Исаченко, М.М. Ермолаев); в Воронежском (Ф.Н. Мильков): в Институте географии АН СССР (И.П. Герасимов, Д.Л. Арманд), в Почвенном институте (Н.И. Базелевич, Е.Н. Иванова); в Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии АН СССР

(А.И. Перельман).

Âмногочисленных работах этих школ были сформулированы основные положения о ландшафтах и ландшафтной оболочке

âцелом, под которой понимается приземный слой географической оболочки земли представляющий зону контакта и активного взаимодействия литосферы, атмосфе-

ры, гидросферы и биосферы. Изучена морфологическая структура ландшафта, вещественный состав природных компонентов, геохимические и биохимические процессы, иерархия природных геосистем, главные закономерности пространственной дифференциации, динамика геосистем, их устойчивость к деградации.

Параллельно развивалось учение о природно-антропогенных лан-

дшафтах, и проблемах их оптимизации.

Методы исследований. Геология и физическая география, в

том числе ландшафтоведение имеют общие основополагающие методы исследований. Главным из них является сравнительноисторический метод, в основу которого положен, сформулиро-

ванный М.В. Ломоносовым, принцип актуализма. Сущность метода заключается в том, что на основании наблюдений над современными процессами можно судить о ходе тех же процессов в далеком геологическом прошлом. Существенный вклад в развитие

этого метода внес Н.М. Страхов.

Много ценной информации получено применением ñравнитель- но-географического метода, разработанного В.В. Докучаевым.

Сущность метода заключается в выявлении коррелятивных связей между строением, составом и свойствами почв — с одной стороны, и факторами почвообразования — с другой. Установление таких связей позволило В.В. Докучаеву разработать теоретические основы современного почвоведения и ландшафтоведения. Он открыл целый ряд общих закономерностей генезиса и географии почв, в частности, учение о факторах почвообразования, о зональности ландшафтов и вертикальной поясности и др. Открытие закономерных связей между типом почвы и биоклиматическими условиями позволило В.В. Докучаеву в конце XIX вдедуктивным методом., составить первую почвенную карту северного полушария.

12

Разновидности сравнительно-географического метода — ñðàâ- нительно-геоморфологический è сравнительно-литологичес- êèé, основаны на установлении связей между почвенными разностями, рельефом местности и почвообразующими породами, широко используются в настоящее время при крупномасштабном картографировании почв и ландшафтов.

Одним из основных методов познания в геологии является метод полевых наблюдений, основанный на изучении состава, воз-

раста, характера залегания горных пород и последовательности их напластования по ископаемым остаткам животных и растений, которые сохранились в породах с момента их образования. Этот метод позволяет изучать породы в естественных обнажениях, сква-

жинах и разрезах до глубины 1–20 км.

Геофизические методы основаны на изучении сейсмических волн, гравитационных аномалий магнитного и теплового полей Зем-

ли. Они позволяют судить о внутреннем строении и составе Земли. Геохимические методы позволяют изучать химический со-

став различных сфер Земли, миграцию химических элементов и

соединений, возраст пород и минералов.

Методы смежных наук: математические, картографические и др. применяются как в геологии, так и в физической географии. В свою очередь они используют методы химии и физики, картографии и топографии, а также аэрокосмические методы с применением аэро- и космических снимков.

13

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