Лекция 1

Лекция 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИИ

1.1. Геология как наука о Земле

Геология – обширный раздел естествознания, объединяющий множество связанных между собой научных дисциплин. Название ее образовано от слияния двух древнегреческих слов: «γῆ (Гея) – Земля + λόγος (логос) - учение», т.е. буквально обозначает «знание о Земле».

Впервые слово «геология» как науку о закономерностях и правилах земного бытия употребил епископ Р.Де Бьюри (в книге «Philobiblon» - «Любовь к книгам» в 1473 году) в качестве противопоставления слову «теология» - науке о духовной жизни. В современном понимании термин «геология» впервые использовал норвежский учёный Миккель Педерсон Эсхолт (М.П. Эшольт, Mikkel Pedersøn Escholt, 1600 - 1699) в своей книге «Geologica Norvegica» (1657). В XVII – XIX вв. использовались два термина: 1) «геология» - для чисто теоретической науки, изучающей происхождение Земли, ее кору и внутреннее строение; 2) «геогнозия» (или «геогностика») – для науки о минералах, рудах и горных породах, т.е. обозначающий практические области геологии. Например, В.В. Докучаев в 1883 году получил учёную степень доктора минералогии и геогнозии.

Земля представляет собой весьма сложное материальное тело, имеющее свою длительную историю, свое настоящее и будущее. Как небесное тело, она является частицей космоса, планетой Солнечной системы, на которую распространяются все космические законы (например, в виде всемирного тяготения, солнечной радиации и др.). Внешние космические силы имеют непосредственное отношение (прямое или косвенное) к многообразным процессам, происходящим на Земле, ее строению и составу. Они в значительной мере определяют климат, вызывают приливные течения, поддерживают жизнь и др. Вместе с тем, на Земле происходят чисто земные процессы, свойственные в каждый данный момент только ей, неизвестные на других планетах и определяющие ее индивидуальность. Космические и «земные процессы» тесно связаны между собой и в совокупности определяют Землю такой, какой мы видим ее, с горами и морями, лесами и пустынями, с бурно кипящей жизнью.

Земля состоит из ряда геосфер, отличающихся по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам. Под геосферами в широком смысле понимают оболочки (сплошные или прерывистые), выделяемые по совокупности каких-либо характерных признаков и процессов, например, географическая оболочка, биосфера, криосфера, магнитосфера и т.д. В геологии под геосферами более узко принято считать концентрические оболочки Земли, выделяемые в ее строении: атмосфера, гидросфера и так называемая «твёрдая Земля». В «твёрдой» Земле различают земную кору, мантию, ядро. В приповерхностной части Земли выделяют: биосферу – область жизни, охватывающую гидросферу, атмосферу и частично литосферу; ноосферу – область, на которую влияет человеческий разум, сферу научного познания и техносферу – сферу практической деятельности человека, вооруженного техникой.

Но не все геосферы исследуются в геологии. Внешние оболочки – атмосфера и гидросфера – традиционно изучаются географическими науками. А все глубинные оболочки, особенно земная кора, являются целиком предметом самой геологии. Разделение между географическими и геологическими науками не очень четкое, даже в какой-то мере, условное. Предметом географии традиционно является поверхность нашей планеты, область взаимодействия трех внешних геосфер: атмосферы, гидросферы и земной коры, т.е. географическая оболочка. Сфера геологического знания шире, так как в геологических науках изучается не только поверхность Земли, но и вся она в целом.

Геологический подход к изучению природных процессов, протекающих на поверхности земной коры, заключается в том, что геолог рассматривает эти процессы не сами по себе (как это практикуется в географическом подходе), а в контексте более широкого круга процессов и явлений в планетарном масштабе. Такой подход закладывает основу для всеобъемлющего, целостного синтеза всех наших знаний о природе и месте, занимаемом в ней человеком. Именно геологический подход к изучению природы привёл науку к пониманию того, что природа едина, а человечество является ее неотъемлемой частью. Развитие этого направления научной мысли привело к становлению новой области научного знания – экологии и геоэкологии.

Геология – сложная, многоотраслевая наука, состоящая из многих частных геологических наук. Последние различаются исследуемыми объектами (Земля в целом, литосфера, геологические формации, горные породы, минералы), процессами (тектогенез, магматизм, метаморфизм, литогенез, рудообразование и др.) и методами изучения (геологические, физические, химические и др.). В целом науки геологического цикла объединяются в несколько больших групп, каждая из которых включает ряд специальных дисциплин:

науки, изучающие вещественный состав Земли, - кристаллография, минералогия, петрография, литология;

науки о строении Земли – структурная геология, тектоника, региональная геология;

науки, изучающие историю Земли, - палеонтология, историческая геология, палеогеография, стратиграфия;

науки о геологических процессах, происходящих на поверхности Земли и в литосфере, - динамическая геология, вулканология, сейсмология, геотектоника, геология моря и др.;

науки прикладного характера об использовании недр Земли – учение о рудных и нерудных полезных ископаемых, геология нефти и газа, геология твердых горючих полезных ископаемых, металлогения, экономика минерального сырья геологоразведочное дело, шахтная и рудничная геология, инженерная геология гидрогеология и др.

Научная и практическая цель геологических наук состоит в познании геологического строения и развития Земли в целом; восстановлении истории различных геологических процессов, раскрытие закономерностей геологических явлений и разработка теории эволюции планеты; перспективная оценка и прогноз выявления рудных районов, нефтегазоносных и угольных бассейнов, месторождений полезных ископаемых, включая подземные воды; разработка научных методов их поисков и разведки, обоснование комплексного использования природных минеральных ресурсов; участие в решении проблем охраны природной среды и ее стабильности; предвидение катастрофических явлений; содействие прогрессу материалистического мировоззрения¹ .

Таким образом, современная геология – это обширная область естествознания (т.е. наук о природе), занимающаяся изучением внутреннего строения Земли, условий формирования, строения и состава земной коры, слагающих ее минералов и горных пород, руд и других полезных ископаемых; истории развития жизни на Земле; закономерностей формирования и размещения месторождений полезных ископаемых. В последнее время к такому традиционному предмету геологии добавляется ещё и изучение других планетных тел геологическими методами.

При геологических исследованиях изучаются главным образом верхние горизонты земной коры непосредственно в естественных обнажениях (выходах на поверхность Земли горных пород из-под наносов) и в обнажениях искусственных – горных выработках (закопушках, канавах, шурфах, карьерах, буровых скважинах и др.). Для изучения глубинных частей земного шара применяют геофизические и геохимические методы.

Объектами геологических исследований являются:

- природные тела, слагающие верхние горизонты земной коры: горные породы, и их совокупности (стратиграфические подразделения, формации, тала полезных ископаемых и др.), минералы, руды и другие полезные ископаемые (в частности их строение и состав), вымершие организмы;

- расположение природных тел в земной коре, определяющее геологическое строение или структуру последней;

- различные геологические процессы, как внешние (экзогенные), так и внутренние (эндогенные), в результате которых природные тела появились и появляются, изменяются и исчезают, а также формируется рельеф земной поверхности;

- причины и закономерности возникновения и развития геологических процессов, а также закономерности развития Земли и жизни на ней в целом.

Специфической особенностью геологических объектов и процессов являются их исключительная длительность (порой в миллионы и миллиарды лет) и огромные масштабы, распространяющиеся вплоть на целые континенты. Судить о геологических процессах можно лишь по их результатам, проявляющимся в образовании различных горных пород, геологических структур, разных типов рельефа земной поверхности и т.д., определяющим строение и состав земной коры.

Предмет геологических наук – планета Земля – чрезвычайно сложен и многообразен. При его изучении используется широкий круг методов, большая часть из которых применяется и в остальных естественных науках. Но в методологии геологических исследований имеются существенные специфические аспекты, обусловленные несколькими причинами:

сложной многоуровневой структурой объекта исследования;

малыми скоростями большинства геологических процессов, в результате чего многие из них растягиваются на тысячи, миллионы и даже миллиарды лет;

недоступностью для непосредственного изучения процессов, происходящих на больших глубинах, а также протекавших в отдаленном прошлом.

В геологических исследованиях условно можно выделить три основных направления. Первое направление – описательная геология – служит для описания минералов, горных пород и их типов; изучения состава, формы, размеров, взаимоотношений и последовательности залегания геологических тел. Второе направление – динамическая геология – заключается в изучении геологических процессов и их эволюции. Геологические процессы изучаются как в естественных условиях, так и экспериментально. Сущность третьего направления – историко-геологическая реконструкция – заключается в восстановлении картины геологического прошлого Земли. Задачи этого направления сводятся к изучению распространения и последовательности образования геологических напластований и других геологических тел, а также к установлению последовательности различных геологических процессов и событий (например, метаморфизма, образования и разрушения залежей полезных ископаемых, трансгрессий и регрессий моря, смены эпох оледенения эпохами межледниковий и т.д.). Все три направления геологических исследований неразрывно связаны друг с другом, поэтому исследование каждого геологического объекта производится комплексно.

В методологии геологических наук важное значение придается ряду методических принципов – принципам комплексности, системности и историзма, которые вытекают из специфики предмета геологии.

Принцип комплексности означает необходимость разностороннего, и вместе с тем целостного, изучения геологических объектов с точки зрения различных научных дисциплин и максимально широким кругом методов. Принцип системности заключается в изучении геологических объектов как сложных многокомпонентных систем, нередко имеющих несколько уровней организации. При системном подходе изучается каждый компонент системы в отдельности, исследуются все взаимосвязи между компонентами – а далее, на основе синтеза этих данных, реконструируется функционирование системы в целом. Принцип историзма заключается в том, что, во-первых, любой геологический процесс исследуется и реконструируется как направленно протекающий во времени, а во-вторых, восстанавливается вся последовательность геологических процессов в истории планеты – и на этой основе познаются наиболее фундаментальные закономерности ее развития.

Основные методологические затруднения при становлении геологической науки вызвал вопрос о научном познании геологического прошлого. При анализе историко-геологических данных принимается во внимание принцип последовательности напластования слоистых осадочных толщ, которые рассматриваются как страницы «каменной летописи» Земли; учитывается необратимая эволюция органического мира, запечатлевшаяся в окаменевших остатках растительных и животных организмов, которые сохранились в слоях осадочных горных пород (палеонтологический метод). Методы определения относительного возраста горных пород основанный на изучении включенных в них остатков ископаемых организмов позволил разработать общую для планеты геохронологическую шкалу, разделить массы горных пород на последовательно сменяющиеся группы, системы, отделы и ярусы, отвечающие по времени образования эрам, периодам, эпохам и векам (геохронологический и стратиграфический методы). Методы определения абсолютного или радиометрического возраста возраст геологических тел, основанные на законе постоянства скоростей радиоактивного распада; имеют особенное значение для пород, лишенных органических остатков, особенно докембрийского возраста.

В геологии особенно широко используется метод актуализма, согласно которому в сходных условиях геологические процессы идут одинаково; поэтому, наблюдая современные процессы, можно с определенной долей вероятности судить о том, как шли аналогичные процессы в далеком прошлом. Современные геологические процессы можно наблюдать в природе (например, деятельность ветра, рек и др.) или создавать искусственно (подвергая, например, образцы горных пород действию высокой температуры и давлению и др.). Таким путем часто удается установить физико-географические и физико-химические условия, в которых отлагались древние слои, а для метаморфических горных пород и примерную глубину, на которой произошло изменение первоначальной породы (метаморфизм). Вследствие того, что географическая и геологическая обстановка в жизни Земли необратимо изменялась, то чем древнее изучаемые толщи, тем ограниченнее применение метода актуализма.

Геологические методы исследований основаны главным образом на прямых полевых наблюдениях. Исследование определенной территории начинается с изучения и сопоставления горных пород, наблюдаемых на поверхности Земли в различных естественных обнажениях, а также в искусственных выработках (шурфах, карьерах, шахтах, канавах и др.). Горные породы изучаются как в их природном залегании, так и путем отбора образцов, подвергаемых затем лабораторному исследованию.

Обязательным элементом полевых работ является геологическая съемка, сопровождаемая составлением геологической карты и геологических профилей. На карте изображается распространение горных пород, указывается их генезис и возраст, а по мере надобности также состав пород и характер залегания. Геологические профили отражают взаимное расположение слоев горных пород по вертикали на мысленно проведенных разрезах. Геологические карты и профили служат одним из основных документов, на основании которых делаются эмпирические обобщения и выводы, обосновываются поиски и разведка полезных ископаемых, оцениваются условия при возведении инженерных сооружений. Для уточнения данных геологической съёмки прибегают к бурению скважин, которые позволяют извлечь на поверхность горные породы, залегающие на достаточной глубине.

Методы непосредственного изучения недр не дают возможности познать строение Земли глубже, чем на несколько километров от ее поверхности (Кольская сверхглубокая скважина пробурена на глубину 12 262 м). Поэтому для изучения земной коры, а тем более нижележащих геосфер, геология не обходится без помощи косвенных методов, особенно геофизических и геохимических. Очень часто применяется комплекс геологических, геофизических, геохимических и дистанционных методов.

1.2. Основные разделы геологии: минералогия, петрография, литология, геохимия, динамическая геология, стратиграфия, палеонтология, инженерная геология, космическая геология

Геологические науки – это комплекс наук о земле, изучающих состав, строение, происхождение, развитие Земли и слагающих ее геосфер, в первую очередь земную кору, процессы, происходящие в ней, закономерности образования и размещения месторождений полезных ископаемых.

Изучением вещественного состава литосферы занимается комплекс геологических наук, объединяющихся часто под названием геохимического цикла: кристаллография и кристаллохимия, минералогия, петрография, учение о полезных ископаемых, геохимия.

Кристаллография – наука о кристаллах и кристаллическом веществе, изучает формы, геометрические законы построения пространственных решеток кристаллических тел, физические свойства и химическое строение в связи с их структурой. Кристаллохимия исследует связи между элементарным составом, характером химического взаимодействия и пространственным расположением атомов, ионов, молекул в кристаллах. К задачам, решаемым кристаллографией, следует отнести:

Изучение кристаллической структуры, строения природных и синтетических кристаллов.

Изучение оптических, физико-химических свойств кристаллов, их химические связи, полиморфные превращения, изоморфные замещения, условия зарождения и рост.

Изучение теоретических основ для синтеза кристаллов с заранее заданными свойствами, производства синтетических кристаллов.

Расшифровка структур сложных органических соединений (белков, витаминов, вирусов).

Оценка свойств материалов и целенаправленное их изменение на основе знания законов кристаллографии: например, изменение свойств металлов и сплавов с помощью малых добавок (легирование сплавов).

Создание новых материалов, например, полупроводников, пиро- и пьезокристаллов, ферромагнитных полупроводников (ферритов).

Промышленное производство специальных монокристаллов и синтетических драгоценных камней.

Исследование дефектов кристаллов, в т.ч. вызванных облучением.

Индустрия «малого кристалла» (порошковая металлургия, взрывные методы прессования порошков, промышленность нитевидных кристаллов и т.д.).

Продуктами природных процессов химического и физического характера, получившими химическую индивидуализацию в виде простых тел, соединений или смесей в геологии называют минералами. Наука, о минералах, изучающая состав, свойства, морфологию, особенности структуры, процессы образования и изменения минералов, закономерности их совместного нахождения в природе, а также условия и методы их искусственного получения и практического использования называется минералогия. Современная минералогия решает задачи:

Разработка научной классификации минералов, выявление связей между их составом, строением, свойствами и условиями образования и нахождения.

Создание научных основ для поисков и оценки месторождений полезных ископаемых, совершенствование технологии его переработки, вовлечение новых видов минерального сырья в промышленное использование

Разработка методов искусственного выращивания и облагораживания кристаллов ценных минералов.

В земной коре естественные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов, образуют самостоятельные тела, которые называются горными породами. Петрография и литология – изучают закономерности минерального состава и строения рыхлых и твердых горных пород (первая – кристаллических, вторая – осадочных), слагающих земную кору, формы их залегания, их геологическое и географическое распространение. С этими дисциплинами тесно связаны близкие к ним науки, предметом которых является происхождение горных пород. Это петрология, которая занимается вопросами происхождения кристаллических горных пород, и седиментология, изучающая закономерности накопления осадков и их преобразования в осадочные горные породы. К числу задач, решаемых этими науками, относятся:

Проведение работы по созданию классификации и номенклатуры горных пород по различным признакам (исследование новых пород, космических объектов, метеоритов).

Детальное изучение минерального состава, текстур и структур, химического состава горных пород с целью использования их в промышленности, разработки схем обогащения месторождений полезных ископаемых.

Изучение физико-химических свойств горных пород с целью использования их в строительном деле.

Учение о полезных ископаемых - исследует промышленное минеральное сырье: рудное (из которого извлекаются металлы) и нерудное (добываемое для получения других видов минеральной продукции – строительных материалов, горючих ископаемых и др.).

Геохимия изучает распространенность, миграцию и сочетание химических элементов в земной коре, их поведение при различных термодинамических и физико-химических процессах. Дисциплина занимает пограничное положение между геологическими и химическими науками.

Следующим направлением геологической науки является динамическая геология, изучающая разнообразные геологические процессы, формы рельефа земной поверхности, взаимоотношения различных по генезису горных пород, характер их залегания и деформаций. Известно, что в ходе геологического развития происходили многократные изменения состава, состояния вещества, облика поверхности Земли и строения земной коры. Эти преобразования связаны с различными геологическими процессами и их взаимодействием. Среди них выделяются две группы: 1) эндогенные (греч. «эндро» - внутри), или внутренние, связанные с тепловым воздействием Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, с гравитационной энергией и ее неравномерным распределением; 2) экзогенные (греч. «экзос» - снаружи, внешний), или внешние, вызывающие существенные изменения в поверхностной и приповерхностной частях земной коры. Эти изменения связаны с лучистой энергией Солнца, силой тяжести, непрерывным перемещением водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной коры, с жизнедеятельностью организмов и другими факторами. Все экзогенные процессы тесно связаны с эндогенными, что отражает сложность и единство сил, действующих внутри Земли и на ее поверхности.

В область динамической геологии входит геотектоника (греч. «тектос» — строитель, структура, строение) – наука, изучающая структуру земной коры и литосферы и их эволюцию во времени и пространстве. Она решает задачи:

Изучение строения земной коры, распределение в пространстве структурных форм в пределах разных регионов, континентов и океанов (региональная геотектоника).

Исследование истории формирования современной структуры земной коры, основных этапов ее развития (историческая геотектоника).

Изучение происхождения основных типов структурных форм континентов и океанов, факторов, определяющих движения, деформации и общее развитие земной коры (генетическая геотектоника).

Установление связей размещения различных типов месторождений полезных ископаемых с определенными типами структур земной коры (прикладная тектоника).

Изучение тектонических условий возникновения землетрясений (сейсмотектоника).

Частные ветви геотектоники составляют: структурная геология, занимающаяся формами залегания и взаимоотношения горнопородных тел в земной коре; тектонофизика, изучающая физические основы деформации горных пород; региональная геотектоника, предметом изучения которой служит структура и ее развитие в пределах отдельных крупных регионов земной коры. Важными разделами динамической геологии являются сейсмология (греч. «сейсмос» - сотрясение) – наука о землетрясениях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами.

История геологического развития земной коры и Земли в целом является предметом изучения исторической геологии, в состав которой входит стратиграфия (греч. «стратум» — слой), занимающаяся последовательностью формирования толщ горных пород и расчленением их на различные подразделения, а также палеогеография (греч. «паляйос — древний), изучающая физико-географические обрисовки из поверхности Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры. Расчленение толщ горных пород и установление относительного геологического возраста слоев невозможны без изучения ископаемых органических остатков, которым занимается палеонтология, тесно связанная как с биологией, так и с геологией. Следует подчеркнуть, что важной геологической задачей является изучение геологического строения и развития определенных участков земной коры, именуемых регионами и обладающих какими-то общими чертами структуры и эволюции. Этим занимается обычно региональная геология, которая практически использует все перечисленные ветви геологической науки, а последние, взаимодействуя между собой, дополняют друг друга, что демонстрирует их тесную связь и неразрывность. При региональных исследованиях широко используются дистанционные методы, когда наблюдения осуществляются с вертолетов, самолетов и с искусственных спутников Земли. Четвертичная геология занимается изучением самых молодых, формирующихся в настоящее время горных пород.

Косвенные методы познания, в основном глубинного строения земной коры и Земли в целом, широко используются геофизикой — наукой, основанной на физических методах исследования. Благодаря различным физическим полям, применяемым в подобных исследованиях, выделяются магнитометрические, гравиметрические, электрометрические, сейсмометрические и ряд других методов изучения геологической структуры. Геофизика тесно связана с физикой, математикой и геологией.

Одна из важнейших задач геологии – прогнозирование залежей минерального сырья, составляющего основу экономической мощи государства. Учение о полезных ископаемых - исследует промышленное минеральное сырье: рудное (из которого извлекаются металлы) и нерудное (добываемое для получения других видов минеральной продукции – строительных материалов, горючих ископаемых и др.).

Не менее важным полезным ископаемым в наши дни является вода, особенно подземная, происхождением, условиями залегания, составом и закономерностями движений которой занимается наука гидрогеология (греч. «гидер» — вода), связанная как с химией, так и с физикой и, конечно, с геологией.

Важное значение имеет инженерная геология - наука, исследующая земную кору в качестве среды жизни и разнообразной деятельности человека, занимающаяся изучением геологических условий строительства инженерных сооружений. Возникнув как прикладная ветвь геологии, она в наши дни решает важные проблемы, связанные с воздействием человека на литосферу и окружающую среду, такие как: 1) исследование современной морфологии и закономерностей формирования инженерно-геологических условий; 2) прогнозирование их изменений в процессе инженерно-хозяйственной деятельности; 3) инженерно-геологическое обоснование защитных мероприятий, обеспечивающих рациональное освоение территорий, недр и охрану окружающей среды.