ПОЧВА лесники ответы / Vopros_1-3

6

Вопрос 1-3

Геология (в переводе с греческого означает Ge – Земля, logos – учение, т.е. наука о Земле) наука, изучающая историю, строение и состав твёрдой земной коры и мантии, и процессы, происходящие в земной коре и на поверхности Земли. Наиболее доступной непосредственному изучению является только земная кора или литосфера (litos – камень; sphera – шар).

Геология как самостоятельная наука:

- выясняет последовательность, в которой отлагались пласты земной коры;

- устанавливает их возраст;

- определяет состав горных пород и условия их образования;

- изучает, какие изменения происходят с горными породами на протяжении истории Земли;

- какие животные и растения населяли нашу планету в минувшие эпохи;

- восстанавливает климаты и ландшафты прошлого;

- изучает возникновение и перемещение континентов и морей;

- открывает залежи полезных ископаемых;

- устанавливает процессы их образования;

- рекомендует методы открытия новых месторождений;

- обнаруживает подземные воды;

- исследует морское дно, вулканы и древние оледенения и т.д.

В настоящее время перед науками геологического цикла поставлены следующие задачи:

1) осмыслить процессы, приводящие к образованию многих видов почв, горных пород, полезных ископаемых;

2) повысить точность прогнозов стихийных бедствий – землетрясений, пыльных бурь, ураганов, снежных лавин;

3) разработать научные методы предотвращения негативных явлений – подтопление, опустынивание и засоление земель, загрязнение ландшафтов, эрозии;

4) участвовать в разработке программы экологической безопасности страны с использованием геоинформационных систем.

Для изучения строения и состава Земли в геологии используются различные методы исследований: прямые – непосредственные (визуальный осмотр, анализ проб образцов пород, газов, вод) и косвенные, основанные на применении довольно сложных приборов. Огромную роль в изучении строения Земли играет космическая информация (спутниковые наблюдения, наблюдения специальными самолётами, вертолётами). Для изучения поверхности Земли, дна океана, планет Солнечной системы широко применяют методы дистанционного зондирования (аэрокосмосъёмка).

Прямые методы в геологии основаны на исследовании горных пород в естественных выходах на поверхность. Это обнажения в долинах рек, искусственные горные выработки (скважины, карьеры, шахты, рудники, буровые скважины).

Косвенные методы применяют для изучения внутренних, глубоких частей Земли, в первую очередь – это геофизические методы, основанные на изучении скорости распространения сейсмических волн.

Поскольку методы моделирования и эксперимента очень трудно применимы, в геологии наиболее распространён метод актуализма, основанный на том, что путём изучения настоящего понимают сущность прошлого. Наблюдение и изучение современных физических, химических и геологических процессов позволяет судить о процессах и физико-географических условиях прошлого. Однако, переносить механически современные условия на прошлое, не учитывая эволюции Земли нельзя, так как климат, состав атмосферы, солёность морей, органический мир постоянно изменялись.

Материалом для восстановления последовательности развития земной коры и жизни на ней от древнейшего состояния до современного служат:

1) ископаемые остатки различных животных и растительных организмов, сохранившиеся в породах в виде окаменелостей;

2) горные породы и условия их взаиморасположения по глубине и площади;

3) геологические процессы, протекающие на поверхности и в глубоких недрах платформ и геосинклиналей.

Определение возраста слоёв горных пород по их залеганию относительно друг друга проводится стратиграфическим методом. В серии ненарушенных осадочных горных пород, залегающих пластами, слоями с небольшим уклоном, всякий вышележащий пласт, слой будет моложе нижележащего.

В условиях совместного залегания магматических и осадочных пород в одних и тех же обнажениях относительный возраст первых можно определить по характеру контакта и взаимоотношениям этих пород друг с другом. Если магматические породы внедряются в горизонтально залегающие осадочные, содержащие ископаемые остатки фауны и флоры, то интрузия произошла после отложения осадочных пород с органическими остатками, и, соответственно, магматические породы более молодые. Если интрузии покрываются морскими осадочными толщами, то такие свиты отложений образовались позже и являются более молодыми.

В геологическом обнажении серий разновозрастных магматических пород любая жила секущая гранитный батолит всегда более молодая, чем пересекаемый ею массив.

На основе изучения осадочных толщ геологи и биологи установили, что остатки определённых форм животных и растительных организмов приурочены только к определённым слоям и отсутствуют в других. Изучение различных остатков организмов в пластах осадочных пород позволяет определить их относительный возраст. Метод определения возраста горных пород по остаткам животных и растительных организмов называется палеонтологическим.

Для определения абсолютного возраста горных пород и минералов используют методику, основанную на скорости отложений осадков. Суть методики заключается в том, что по средней мощности осадочного чехла земной коры, накопившегося за всю историю Земли, и средней скорости накопления современных осадков в дельтах рек ориентировочно определили возраст толщ осадочных пород. Было прослежено, что в дельтах рек слой осадков толщиной 1мм откладывается в течение 3…10 лет, а на дне океанов скорость накопления осадков – 0,1-0,01мм в год. Для накопления осадочного чехла Земли, не испытавшего размыва, мощностью 100 км требуется от 1 до 100 млн. лет.

Для определения возраста ленточных глин используют геохронологический метод (метод Де-Геера). Он основан на подсчёте скорости отложения годичных лент в ленточных глинах озёрно-ледникового происхождения или в озёрных илах. Он более точен, но применим только на территориях, испытавших материковое оледенение.

Бурение глубоких и сверхглубоких скважин (4-6 км…12км) на суше и на море, большое распространение применения сейсмических методов в сочетании со старым методом актуализма позволили геологам обобщить научные исследования и перейти от качественной расшифровки явлений и процессов к количественным определениям свойств вещества планеты.

Применение рентгеноскопического метода спектрального анализа позволяет провести исследование состава и свойств минералов и горных пород. С помощью микроскопического метода с использованием электронных микроскопов изучают структуру, сложение и строение минералов и горных пород.

Изотопный метод позволяет определить возраст образующихся пород.

Применение геофизических методов (магнитометрия, гравиметрия, элекрометрия, сейсмометрия, радиометрия) позволяет изучить явления магнетизма, массу Земли, её инерцию, а информация о взрывах позволяет судить о внутреннем строении Земли.

Метод геологической съёмки позволяет изучать минералы, их ассоциации, распространение.

Метод распределения сил тяжести на поверхности Земли позволяет познать состав глубин.

Освоение космоса позволило резко расширить сферу исследований Земли ввысь – изучение космического пространства; вглубь – изучение процессов, протекающих в глубоких слоях земной коры и верхней мантии; вширь – вовлечение в геологическое построение областей морского дна – и особенно во времени – изучение ранних периодов истории развития Земли.

Исследования конца ХХ века:

- освоение космоса – космология, космохимия, физика, солнечная энергетика, биология (строение клетки, белка, гена и т.д.);

- исследование верхних слоёв атмосферы и дна Мирового океана;

- по геохимии изотопов – уточнён состав почв земной коры, метеоритов, ближних планет, разрабатываются новые методы определения абсолютного возраста геологических формаций – руд, и почв;

- методы безотходных технологий при использовании минерального сырья.

Геология – обобщающая дисциплина естественно-исторического цикла. В результате успешного развития геологии, совершенствования методов геологического исследования и огромного накопления сведений о Земле из неё выделились самостоятельные науки:

историческая геология – изучает изменение земной коры во времени и пространстве и устанавливает связь развития органического мира с развитием всей земной коры;

минералогия – изучает физико-химические свойства минералов и процессы, связанные с их образованием в земной коре;

петрография – наука, рассматривающая минеральный состав и строение рыхлых и твёрдых горных пород, естественных закономерностей скопления минералов, слагающих кору, формы их залегания, происхождение и распространение;

динамическая геология – рассматривает геологические процессы (вулканизм, землетрясения, деятельность морей, рек) и методы восстановления в историческом прошлом Земли;

гидрогеология – наука о подземных водах, их происхождении, истории, составе и режиме, распределении в земной коре и их химической и механической деятельности;

геохимия – изучает химический состав коры, законы распределения и перемещения химических элементов и их изотопов, влияние на них различных термодинамических и физико-химических условий;

почвоведение – рассматривает самые поверхностные слои земной коры, обладающие плодородием – почвы;

палеонтология – изучает животный и растительный мир, существовавший на Земле в течение прошедших геологических периодов и сохранившийся в виде ископаемых остатков;

геология четвертичного периода – изучает историю развития Земли в четвертичный период, когда образовались самые молодые и поверхностные отложения, служащие основой для сельскохозяйственной и инженерной деятельности человека;

геоморфология – изучает происхождение, распространение и закономерности образования земной поверхности (рельеф);

геотектоника – наука о движениях и деформациях коры и взаимоотношениях горных пород в процессе развития Земли и её внешней оболочки – коры;

инженерная геология – наука, изучающая грунты и геологические и инженерно-геологические процессы, влияющие на условия строительства и эксплуатацию сооружений;

геофизика – новая отрасль геологии, применяющая физические методы для изучения земного шара в целом, а также земной коры, гидросферы и атмосферы. Геофизические методы используются при поиске полезных ископаемых, прогнозе погоды, при изучении землетрясений и магматизма, выяснении вопросов происхождения Земли и Вселенной, в ракетной технике.

металлогения – отрасль геологии, изучающая закономерности образования, распространения и изменения месторождений рудных полезных ископаемых в коре;

геохронология – изучает возраст геологических образований;

палеография и палеоклиматология – занимается реконструкцией древних географических обстановок;

математическая геология – использует математические методы в геологии;

астрогеология или планетарная геология – изучает геологическую эволюцию Земли как небесного тела и выясняет геологическое строение других планет Солнечной системы.

Планетная система, к которой принадлежит Земля, состоит из центрального тела - Солнца, вокруг которого движутся девять больших планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) с 26 спутниками, свыше 1000 малых планет (астероидов), некоторые из которых имеют диаметр лишь несколько десятков километров, и около 100 периодических комет.

Все планеты Солнечной системы можно подразделить на две группы, резко различающиеся по своим физико-химическим свойствам: 1) близкие к Солнцу – земного типа – Венера, Земля и Марс. Их характерные особенности – небольшой размер, сравнительно медленное вращение и большая плотность; 2) внешние, удалённые от Солнца - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Их характерные особенности: очень большие размер и масса (масса Юпитера в 318 раз больше массы Земли), быстрое вращение вокруг оси (период обращения Юпитера 9ч 50мин) и малая плотность.

На всех планетах земной группы и крупных спутниках Юпитера обнаружены вулканические структуры и кратеры. Поверхность Юпитера и Сатурна, находящихся в более ранней стадии эволюции, чем Земля, имеет газово-жидкое состояние.

Таблица 1. Характеристика небесных тел Солнечной системы

На поверхности планет и крупных спутников ранней стадии эволюции (Венера) и более поздней (Луна) по сравнению с Землёй присутствуют базальты.

Планета Земля имеет некоторые следующие параметры:

- средний радиус Земли – 6371 км, в плоскости экватора – 6378 км;

- от центра Земли до полюса – 6357 км;

- поверхность Земли – 510 млн. км², из которых 71% занимает океан;

- объём земного шара – 1×10¹² км³;

- вес Земли – 6×10²¹ тонн;

- внутренний состав планеты – 35% Fe, 30% O₂, 15% SiO₂, 12% Mg;

- время существования – 4,6 млрд. лет.

Проблема происхождения Земли интересовала человечество ещё в глубокой древности, но первая научная гипотеза о происхождении Солнечной системы принадлежала философу И. Канту (1724-1804гг.). И. Кант показал, что Земля и вся Солнечная система имеют своё развитие, свою историю. Схемы, отражающие различные гипотезы происхождения Земли, представлены на рис.1 и 2.

Гипотезы происхождения Солнечной системы (М. Дж. Брэдшоу, 1977):

Рис. 1. сгущение и сжатие вещества во вращающемся газопылевом облаке дисковидной формы с образованием центрального ядра (Солнца) и периферических сгустков вещества (планет);

Рис. 2. прохождение вблизи Солнца тяжелой звезды, вызвавшей выброс сгустка вещества, который впоследствии распался на планеты;

С — солнце; П — планета; Тз-— тяжелая звезда

Гипотеза Канта. В основу его взглядов положены реальные физические силы – притяжение и отталкивание. Солнечная система образовалась из первичной пылеобразной материи, находившейся в хаотическом состоянии. По закону всемирного тяготения эти разнообразные по размеру частицы пришли в движение. Получились разнообразные звёздные сгущения, которые, в свою очередь, начали притягивать более мелкие. Таким образом, образовались отдельные крупные сгустки, которые и представляли собой обособленные звёзды.

Гипотеза Лапласа. П.С. Лаплас (1749-1827гг.) независимо от И. Канта также высказал гипотезу о происхождении Солнечной системы из первичного хаоса. За прообраз Солнечной системы он принимал раскалённую сильноразреженную газовую туманность. Эта туманность обладала изначальным вращением, во время которого она сплющивалась так, что её полярный диаметр стал в полтора раза короче экваториального, и она постепенно превращалась в эллипсоид. По мере охлаждения, сжимания и сплющивания газовой туманности под влиянием центробежной силы наступал момент отрыва частиц её внешней экваториальной части по кольцу («отрыв колец»). Вследствие неоднородности колец в каждом из них образовался свой центр сгущения (уплотнения) частиц, которые продолжали вращаться вокруг оси. При малейшем нарушении равновесия кольца разрывались, вещество их свёртывалось в планеты, а из центральной наиболее плотной туманности образовалось Солнце. Вновь возникшие небесные тела благодаря силе вращения, в свою очередь, от себя выделили кольца, из которых образовались их спутники, в т.ч. Луна – спутник Земли.

Согласно теории Канта-Лапласа из газообразной материи, или туманности, или определённых «частиц» образовались планеты солнечной системы, и в частности Земля. И хотя, накопленные в астрономии, многие факты не вполне согласуются с этой гипотезой (Солнце и планеты, имеющие спутников, вращаются вокруг своей оси медленнее, чем следовало по гипотезе Лапласа, и даже в обратную сторону, и что Солнце в миллионы раз старше Земли), тем не менее, основная мысль этой гипотезы правильна: наша планета Земля и Солнечная система возникли в результате единого закономерного процесса развития материи в мировом пространстве.

Рис. 3. Образование планетной системы по гипотезе Лапласа:

А — вращение газовой туманности; Б — сплющивание газовой туманности вследствие увеличения скорости вращения и образование чечевицеобразной формы;

В – обрыв газообразного кольца

Гипотеза Шмидта. В основу теории положено образование планет из твёрдого метеоритного вещества путём сгущения первоначально разреженного пылевого облака в результате неупругого соударения твёрдых частиц под действием сил тяготения. Согласно гипотезе, Солнце «старше» других планет Солнечной системы. Земля и другие планеты образовались из межзвёздной метеоритной пыли, захваченной Солнцем. При этом допускалось, что рой пылевой материи обладал значительным моментом количества движения и перешёл затем в орбитальный рой. Гипотеза объясняет два сложнейших вопроса: распределение момента количества движения в Солнечной системе и закон планетных расстояний. О. Ю. Шмидт полагал, что поверхность Земли не была в раскалённом состоянии и с момента своего возникновения получала тепло от Солнца и частично в результате ударов метеоритов, и систематическое охлаждение её с момента возникновения не допускается.

В гипотезе Шмидта имеются некоторые слабые положения: 1) гипотеза мало касается вопросов эволюции Солнца и других звёзд; 2) многие учёные полагают, что первоначальное облако межзвёздной материи, вероятнее всего, было не метеоритным, а газовым; захват материи Солнцем невозможен; 3) имеются мнения, что и метеориты образовались в результате распада какой-то планеты, а не наоборот (планеты образовались из метеоритов); 4) в осадочных породах древних геологических эпох не встречаются ископаемые

метеориты.

Рис. 4. Происхождение планет по гипотезе Шмидта

Гипотеза В.Г. Фесенкова. Идеи о происхождении планет и Солнечной системы, выдвинутые советским учёным, были более реальны. По его мнению, поскольку возраст Солнца близок к астрономическому возрасту Земли, допустимо считать, что Солнце и окружающие его планеты образовались в едином процессе эволюции сгустка газово-пылевой туманности. Внутренние части уплотнения, имевшие значительно большую массу и обладавшие быстрым вращением, послужили материалом для образования Солнца.

Вследствие быстрого вращения в экваториальной плоскости его произошло отделение вещества, продолжавшегося вращаться в том же направлении. Первоначальная неравномерность распределения плотности в экваториальном облаке возрастала вследствие продолжавшихся выбросов материи из центрального сгущения. В результате в участках с большой плотностью возникли сгущения, приведшие к образованию планет и их спутников. Земля возникла сразу во всей массе, а не «собиралась» из отдельных частиц.

К сожалению, гипотеза Фесенкова не в состоянии объяснить, почему около 90% массы Солнца состоит из лёгких элементов – водорода и гелия, а на Земле их ничтожно мало.

Рис.5. Образование Земли по гипотезе Фесенкова

Современная гипотеза. Лик Земли постоянно меняется с момента образования планеты 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности. Известно, что космическая «пустота» всё-таки содержит 1 атом Н₂ в 1 см³ при t 170^оС. В газовых облаках плотность атомов составляет десятки тысяч на см³ при t 10000^оС. Подобное облако подверглось влиянию взрыва сверхновой звезды, после чего оно стало сжиматься, уплотняться (~ 98,7% массы вещества сосредоточено в центре) и межзвёздный газ превратился в шар. Когда температура достигла многих миллионов градусов, началась термоядерная реакция и зажглось Солнце. Из остальной массы межзвёздной пыли и газа (~ 1,3%), благодаря вращению и силе тяжести на эллиптических орбитах возникли сгустки вещества – зародыши планет – и образовались 9 планет, причём на Юпитере сосредоточено более 99% этой массы.

По мнению учёных, процесс слипания частиц (процесс аккрекции) космической пыли и газа во всё крупные кусочки (планетозимы) протекал стремительно и к рубежу 4,6 млрд. лет наша Земля уже сформировалась как планета, обладавшая такой же формой и размерами, как в настоящее время.

Существуют и другие теории возникновения Земли. Многочисленные усилия исследователей разных стран и собранный огромный эмпирический материал по непосредственным исследованиям материала планет и метеоритов позволили обосновать построение естественной теории происхождения Земли на основании того, что возникновение Земли было результатом сложных явлений в исходном веществе, охвативших ядерные, а впоследствии и химические процессы. Основой этой теории происхождения Земли являются следующие положения:

- происхождение Солнечной системы связано с происхождением химических элементов: вещество Земли вместе с веществом Солнца и других планет в далеком прошлом находилось в условиях ядерного синтеза;

- на последнем этапе ядерного синтеза образовались тяжелые химические элементы, включая уран и трансурановые элементы, о чём свидетельствуют следы вымерших радиоактивных изотопов, обнаруженные в древнем материале Луны и метеоритов (эти следы в виде трэков осколочного деления и ксеноновых изотопных аномалий можно рассматривать как прямые отголоски некогда мощных космических процессов созидания атомных ядер в обстановке нейтронного захвата);

- Земля и планеты возникли из того же вещества, что и Солнце (исходный материал для построения планет был первоначально представлен разобщенными ионизированными атомами; это был в основном звездный газ, из которого при охлаждении возникли молекулы - жидкие капли, твердые тела — частицы).

- конденсация солнечного газа в зависимости от гелиоцентрического расстояния привела к фракционированию химических элементов и дала химически различные продукты, что отразилось на составе планет и метеоритов (ближайшие к Солнцу планеты получили повышенную долю тугоплавкой высокотемпературной фракции по сравнению с планетами более отдаленными);

- Земля возникла преимущественно за счёт тугоплавкой фракции солнечного вещества, что отразилось на составе ядра и силикатной мантии; процесс аккумуляции нашей планеты происходил под влиянием различных факторов, при этом металлическое железо и близкие к нему элементу имели явное преимущество перед другими веществами объединяться первыми в компактные массы;

- основные предпосылки появления жизни на Земле были созданы в конце остывания первичной газовой туманности; на последнем этапе остывания в результате каталитических реакций биофильных элементов образовались многочисленные органические соединения, обусловившие возможность появления генетического кода и саморазвивающихся молекулярных систем. Возникновение Земли и жизни представляло собой единый взаимосвязанный процесс — результат химической эволюции вещества Солнечной системы.

Краткий очерк глобальной эволюции Земли. Происхождение планет Солнечной системы и их эволюция активно изучалось в XX веке в фундаментальных работах О.Ю. Шмидта, В.С. Сафронова, X. Альвена и Г. Аррениуса, А.В. Витязева, А.Гингвуда, В.Е. Хаина, О.Г. Сорохтина, С.А. Уманова, Л.М. Наймарки, В. Эльзассера, Н.А. Божко, А. Смита, Дж. Юрайдена и др. Согласно современным космологическим представлениям, заложенным О.Ю. Шмидтом, Земля и Луна, равно как и другие планеты Солнечной системы, образовались за счет аккреции (слипания и дальнейшего роста) твердых частиц газопылевого протопланетного облака. На первом этапе рост Земли шел в ускоряющемся режиме аккреции, но по мере исчерпания запасов твердого вещества в околоземном рое планетезималей протопланетного облака этот рост постепенно замедлился. Процесс аккреции Земли сопровождался выделением колоссального количества гравитационной энергии, примерно 23,3 х 10³⁸ эрг. Такое количество энергии способно было не только расплавить вещество, но даже растворить его, но большая часть этой энергии выделялась в приповерхностной части Протоземли и терялась в виде теплового излучения. На то, чтобы Земля сформировалась на 99 % от ее современной массы, потребовалось 100 млн. лет.

На первом этапе молодая Земля сразу же после образования была относительно холодным телом и температура ее недр не превышала температуры плавления земного вещества, в силу того, что при формировании планеты происходил не только нагрев за счет падающих планетезималей, но и остывание за счет теплопотерь в окружающее пространство. Кроме того, Земля имела однородный состав. Дальнейшая эволюция Земли обусловлена ее составом, теплозапасом и историей взаимодействия с Луной. Влияние состава сказывается, прежде всего, через энергию распада радиоактивных элементов и гравитационную дифференциацию земного вещества.

До формирования планетной системы звезда Солнце представляла собой практически классический красный гигант. Звезды этого типа в результате внутренних ядерных реакций водородного горения формируют более тяжелые химические элементы с выделением огромного количества энергии и возникновением сильного светового давления с поверхности на газообразную атмосферу. В результате комбинационного воздействия этого давления и огромного притяжения атмосфера звезды испытывала попеременное сжатие и расширение. Этот процесс в условиях динамического увеличения массы газовой оболочки продолжался до тех пор, пока в результате резонанса внешняя газовая оболочка, оторвавшись от Солнца, не превратилась в планетарную туманность.

Под воздействием силового магнитного поля звезды ионизированное вещество планетарной туманности подверглось электромагнитной сепарации слагающих его химических элементов. Постепенная потеря тепловой энергии и электрических зарядов газов привело их к слипанию. При этом под воздействием магнитного поля звезды обеспечивалась эффективная передача момента вращения к образовавшимся в результате аккреции планетезималям, которые послужили началом формирования всех планет солнечной системы. При потере заряда ионизированными химическими элементами последние превращались в молекулы, реагировавшими друг с другом, образуя простейшие химические соединения: гидриды, карбиды, оксиды, цианиды, сульфиды и хлориды железа и др.

Процесс постепенного уплотнения, разогревания и дальнейшей дифференциации вещества в образовавшихся планетах происходил с захватом частиц из окружающего пространства. В центре формирующейся протопланеты концентрировались металлы за счет гравитационного разделения вещества. Вокруг этой зоны собирались карбиды железа и никеля, сернистое железо и оксид железа. Таким образом образовалось внешнее жидкое ядро, которое в своей оболочке содержало гидриды и оксиды кремния и алюминия, воду, метан, водород, оксиды магния, калия, натрия, алюминия, кальция и другие соединения. При этом происходила зонная плавка образовавшейся оболочки и сокращение поверхности и уменьшение объема планеты. Следующими этапами было формирование мантии, протокоры и выплавление астеносферы. Протокора дробилась за счет упомянутого выше сокращения объема и поверхности. За счет этого на поверхность изливались базальты, которые после остывания вновь погружались в глубинную часть мантии и подвергались следующей переплавке; затем часть базальтовой коры постепенно трансформировалась в гранитную.