большой, что уже проявилось в формировании более глубоководного Мирового океана. Океанская кора подверглась гидратации и этот процесс сопровождался усилением поглошения углекислого газа с образованием карбонатов. Атмосфера продолжала оставаться обедненной кислородом за счет продолжавшегося связыва­ ния его выделявшимся железом. Этот процесс завершился только к началу фане­ розоя, и с этого времени земная атмосфера стала активно насышаться кислоро­ дом, постепенно приближаясь к ее современному составу.

В этой новой ситуации произошла резкая активизация жизненных форм, об­

мен вешеств которых был построен на реакциях обратного окисления органиче­

ских вешеств, синтезируемых растениями. Так появились организмы царства жи­ вотных, но это уже к концу кембрийского периода, в фанерозое, и это привело к возникновению всех типов скелетных и бесскелетных животных, сказавшихся на

многих геологических процессах в поверхностной зоне Земли в последуюшие гео­

логические эпохи. Геологическая эволюция фанерозоя изучена гораздо подробнее, чем другие эпохи, и можно коротко описать ее следуюшим образом. В это наибо­ лее близкое нам время, как было выявлено, происходили трансгрессии и регрес­ сии океана, глобальные изменения климата, в частности, чередование леднико­ вых и практически безледниковых периодов, кстати, первым, как предполагается, на Земле было Гуронское оледенение в протерозое.

Процессы трансгрессий и регрессий океана при мошном развитии жизнен­ ных форм, активная эродируютая деятельность ледников и эрозионная деятель­ ность ледниковых вод привели к значительной переработке пород, слагавших по­

верхностную зону земной коры, накоплению терригеиного материала на

океанском дне, седиментационным процессам накопления органогенного и хемо­

генного материала в водных бассейнах.

южное полушарие бьшо континентальным или океаническим. Климат также не­

однократно менялся, находясь в тесной связи с эпохами оледенений и межледни­

ковий. Активно от палеозоя до кайнозоя (и в нем) происходили изменения глу­ бин, температуры и состава вод Мирового океана; развитие жизненных форм

привело к выходу их из водной среды и постепенному освоению суши, а также

эволюции жизненных форм вплоть до известных. На основании анализа геологи­

ческой истории фанерозоя следует вывод, что все главные рубежи (разделение

геохронологической шкалы на эры, периоды и эпохи) в значительной степени обусловлены столкновениями и расколами материков в процессе глобального пе­ ремешения <<ансамбля» литосферных плит.

ФОРМА ЗЕМЛИ

Форма Земли обычно именуется земным шаром. Установлено,

что масса Земли равна 5976 · 1021 кг, объем 1,083 · 1012 км3 . Сред­ ний радиус 6371,2 км, средняя плотность 5,518 кгjм3 , среднее ускорение силы тяжести 9,81 м/с2 • Форма Земли близка к трех­

осному эллипсоиду вращения с полярным сжатием: у современ­

ной Земли полярный радиус 6356,78 км, а экваториальный 6378,16 км. Длина земного меридиана составляет 40008,548 км, длина экватора 40075,704 км. Полярное сжатие (или <<сплюсну­ тосТЪ>>) обусловлена вращением Земли вокруг полярной оси и ве­ личина этого сжатия связана со скоростью вращения Земли. Иногда форму Земли именуют сфероидом, но для Земли есть и

13

собственное наименование формы, а именно геоид. Дело в том,

что земная поверхность изменчива и значительна по высоте; есть

высочайшие горные системы более чем в 8000 м (например, гора Эверест - 8842 м) и глубокие океанические впадины более чем в 11 000 м (Марианская впадина- 11 022 м). Геоид вне континен­

тов совпадает с невозмушенной поверхностью Мирового океана,

на континентах поверхность геоида рассчитана по гравиметриче­

ским исследованиям и с помощью наблюдений из космоса. Земля обладает сложноорганизованным магнитным полем,

которое можно описать как поле, создаваемое намагниченным

шаром или магнитным диполем.

Поверхность земного шара на 70,8% (361,1 млн км2) занята поверхностными водами (океанами, морями, озерами, водохрани­

лищами, реками и т. д.). Суша составляет 29,2% (148,9 млн км2).

СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

В общем виде, как установлено современными геофизически­

ми исследованиями на основании, в частности, оценок скоростей

распространения сейсмических волн, изучения плотности земного вещества, массы Земли, результатов космических экспериментов

по определению распределения воздушного и водного пространств

и другими данными, Земля сложена как бы несколькими концент­ рическими оболочками: внешнимиатмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера (область распространения живого вещества, по В.И. Вернадскому) и внутренними, которые называют собственно геосферами (ядро, мантия и литосфера) (рис. 1).

Непосредственному наблюдению доступны атмосфера, гидро­ сфера, биосфера и самая верхняя часть земной коры. С помо­ щью буровых скважин человеку удается изучать глубины в основном до 8 км. Проходка сверхглубоких скважин осушествля­

ется в научных целях в нашей стране, США и Канаде (в России

на Кольской сверхглубокой скважине достигнута глубина более 12 км, что позволило отобрать образцы горных пород для непо­ средственного прямого изучения). Основной целью сверхглубоко­ го бурения является достижение глубинных слоев земной ко­ рыграниц <<гранитного>> и <<базальтового» слоев или верхних границ мантии. Строение более глубоких недр Земли изучается геофизическими методами, из которых наибольшее значение имеют сейсмические и гравиметрические. Изучение вещества, поднятого с границ мантии, должно внести ясность в проблему

строения Земли. Особый интерес представляет мантия, так как

14

По Гольдшмидту

Оз

б

Рис. 1. Схематическое изображение строения Земли (а) и земной коры (б):

А -ядро; В, С- мантия; J)- земная кора; Е- атмосфера (по М. Васичу):1- покровные от­ ложения; 2- rранитоподобный слой; 3- базальтовый слой; 4- верхняя мантия; 5- мантия

земная кора со всеми полезными ископаемыми образовалась в

конечном счете из ее вещества.

Атмосфера по распределенной в ней температуре снизу вверх

подразделяется на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термасфе­

РУ и экзосферу. Тропосфера составляет около 80 % всей массы ат­ мосферы и достигает высоты 16-18 км в экваториальной части и

15

8-10 км в полярных областях. Стратосфера простирается до вы­ соты 55 км и имеет у верхней граниuы слой озона. Далее идут до высоты 80 км мезосфера, до 800-1000 км термасфера и выше

располагается экзосфера (сфера рассеивания), составляющая не

более 0,5% массы земной атмосферы. В состав атмосферы вхо­ дят азот (78,1 %), кислород (21,3 %), аргон (1,28 %), углекислота (0,04 %) и другие газы и почти весь водяной пар. Содержание

озона (03) равно 3,1 · 1015 г, а кислорода (02) 1,192 · 1021 г. С уда­

лением от поверхности Земли температура атмосферы резко по­

доточиваются тепловые движения воздуха. У поверхности Земли наиболее высокая температура была отмечена в Ливии (+58 ОС в

Стратосфера - следующий над тропосферой слой. Присутст­ вие озона в данном атмосферном слое обусловливает повышение температуры в нем до +50 ОС, но на высоте 8-90 км температура снова понижается до -60...-90 ОС.

Среднее давление воздуха на уровне моря равно 1,0132 бар (760

мм рт. ст.), а плотность 1,3 · 103 г/см. В атмосфере и ее облачном

покрове поглощается 18 % излучения Солнuа. В результате радиа­ uионного баланса системы «Земля-атмосфера>> средняя темпера­ тура на поверхности Земли положительная (+15 ОС), хотя ее коле­ бания в разных климатических зонах могут достигать 150 °С.

IИдросфераводная оболочка, которая играет большую роль в геологических проuессах Земли. В ее состав входят все воды Земли (океаны, моря, реки, озера, материковые льды и т. д.). Гидросфера

не образует сплошного слоя и покрывает земную поверхность на

70,8 %. Средняя мощность ее около 3,8 км, наибольшаясвыше 11 км (11 022 м- Марианекая впадина в Тихом океане).

Гидросфера Земли значительно моложе самой планеты. На

первых этапах своего существования поверхность Земли была полностью безводной, да и в атмосфере водяного пара практиче­

ски не было. Образование гидросферы обусловлено пропессами отделения воды из вещества мантии. Гидросфера в настоящее

время составляет неразрывное единство с литосферой, атмосфе­

рой и биосферой. Именно для последней - биосферы - весьма

важное значение имеют уникальные свойства воды как химиче­

ского соединения, например, изменения в объеме при переходе

воды из одного фазового состояния в другое (при замерзании,

16

при испарении); высокая растворяющая способность по отноше­

нию почти ко всем соединениям на Земле.

Именно наличие воды по своей сути обеспечивает существо­

вание жизни на Земле в известной нам форме. Из воды, как

простого соединения, и углекислоты растения способны под воз­ действием солнечной энергии и в присутствии хлорофилла обра­ зовывать сложные органические соединения, что собственно и является проuессом фотосинтеза. Вода на Земле распределена неравномерно, большая ее часть сосредоточена на поверхности. По отношению же к объему земного шара общий объем гидро­ сферы не превышает 0,13 %. Основную часть гидросферы состав­

ляет Мировой океан (94 %), площадь которого 361059 км2 , а об­

•'Активному водообмену и использованию могут быть подвергнуты всего лишь 4000 тыс. км3 подземных вод, расположенных на небольших глубинах.

Температура воды в океане меняется не только в зависимости

от широты местности (близость к полюсам или экватору), но и

от глубины океана. Наибольшей изменчивостью температур отли­ чается поверхностный слой до глубины 150 м. Самая высокая

температура воды в верхнем слое отмечена в Персидеком заливе

(+35,6 ОС), а наиболее низкая- в Северном Ледовитом океане

(-2,8 ОС).

Химический состав гидросферы весьма разнообразен: от весь­

ма пресных до очень соленых вод, типа рассолов.

Более 98 % всех водных ресурсов Земли составляют соленые

воды океанов, морей и некоторых озер, а также минерализован-

17

ные подземные воды. Общий объем пресной воды на Земле равен

28,25 млн км3 , что составляет всего лишь около 2 % общего объе­

ма гидросферы, при этом наибольшая часть пресных вод сосредо­

точена в материковых льдах Антарктиды, Гренландии, полярных

островов и высокогорных областей. Это вода в настоящее время

малодоступна для практического использования человеком.

В Мировом океане содержится 1,4 · 102 диоксида углерода

(СО2), что почти в 60 раз больше, чем в атмосфере; кислорода в

океане растворено 8 · 1018 г или почти в 150 раз меньше, чем в ат­ мосфере. Ежегодно реки сносят в океаны около 2,53 · 1016 г терри­ геиного материала с суши, из них почти 2,25 · 1016 г приходится на

взвесь, остальное - растворимые и органические вещества.

Соленость (средняя) морской воды равна 3,5% (35 г/л). В

морской воде кроме хлоридов, сульфатов и карбонатов содержат­ ся также йод, фтор, фосфор, рубидий, цезий, золото и другие

элементы. В воде растворено 0,48 · 1023 г солей.

Глубоководные исследования, проведеиные в последние годы,

позволили установить наличие горизонтальных и вертикальных

течений, существование форм жизни во всей толще воды. Орга­

нический мир моря разделяется на бентос, планктон, нектон и

др. К бентосу относятся организмы, обитающие на грунте и в

грунте морских и континентальных водоемов. Планктон - сово­

купность организмов, населяющих толщу воды, не способных противостоять переносу течением. Нектонактивно плавающие, например рыбы, и другие морские животные.

В настоящее время серьезным становится вопрос о дефиците пресной воды, что является одной из составляющих развивающе­ гося глобального экологического кризиса. Дело в том, что пре­ сная вода необходима не только для утилитарных НУЖд человека (питья, приготовления пищи, умывания и т. п.), но и для боль­

шинства промытленных процессов, не говоря уже о том, что

только пресная вода пригодна для сельскохозяйственного произ­

водства - агротехники и животноводства, так как подавляющее

большинство растений и животных сосредоточено на суше и для

осуществления своей жизнедеятельности они используют исклю­

чительно пресную воду. Рост населения Земли (уже сейчас на планете более 6 млрд человек) и связанное с этим активное раз­

витие промышленности и сельскохозяйственного производства

привели к тому, что ежегодно человеком потребляется 3,5 тыс.

ния, составляет 4,2 км3 , это всего лишь 0,3% объема гидросфе­

ры. В России достаточно большие запасы пресной воды (около 150 тыс. рек, 200 тыс. озер, множество водохранилищ и прудов,

18

значительные объемы подземных вод), однако распределение

этих запасов по территории страны далеко неравномерно.

Гидросфера играет важную роль в проявлении многих геоло­

гических процессов, особенно в поверхностной зоне земной ко­

ры. С одной стороны, под воздействием гидросферы происходит

интенсивное разрушение горных пород и их перемещение, пере­

отложение, с другойгидросфера выступает как мощный сози­ дательный фактор, являясь по существу бассейном для накопле­

ния в ее пределах значительных толщ осадков разного состава.

Биосфера находится в постоянном взаимодействии с литосфе­

рой, гидросферой и атмосферой, что существенно сказывается на

составе и строении литосферы.

В целом под биосферой в настоящее время понимают область

распространения живого вещества (живые организмы известных

науке форм); это сложноорганизованная оболочка, связанная био­ химическими (и геохимическими) циклами миграции вещества,

энергии и информации. Академик В. И. Вернадский в понятие

биосферы включает все структуры Земли, генетически связанные с

живым веществом; прошлой или современной деятельностью жи­

вых организмов. Большая часть геологической истории Земли свя­

зана с деятельностью живых организмов, особенно в поверхност­ ной части земной коры, например, это весьма мощные осадочные

толщи органогенных горных пород - известняков, диатомитов и

др. Область распространения биосферы ограничивается в атмосфе­ ре озоновым слоем (примерно 18-50 км над поверхностью плане­

ты), выше которого известные на Земле формы жизни невозмож­ ны без специальных средств защиты, как это осуществляется при космических полетах за пределы атмосферы и на другие планеты.

В недра Земли до последнего времени биосфера распространялась

до глубины Марианекой впадины в 11 022 м, однако при бурении Кольской сверхглубокой скважины достигнута глубина более 12 км, а это означает, что на данную глубину осуществлено про­

никновение живого вещества.

Внутреннее строение Земли, по современным представлени­ ям, состоит из ядра, мантии и литосферы. Границы между ними

достаточно условны, вследствие взаимопроникновения как по

площади, так и по глубине (см. рис. 1).

Земlfое ядро состоит из внешнего (жидкого) и внутреннего (твердого) ядра. Радиус внутреннего ядра (так называемый слой G) примерно равен 1200-1250 км, переходный слой (F) между внутренним и внешним ядром имеет мощность около 300-400 км, а радиус внешнего ядра равен 3450-3500 км (соответственно глубина 2870-2920 км). Плотность вещества во внешнем ядре с

глубиной возрастает с 9,5 до 12,3 гjсм3 • В центральной части

19

внутреннего ядра плотность вещества достигает почти 14 гjсм3• Все это показывает, что масса земного ядра составляет до 32 %

всей массы Земли, в то время как объем примерно 16% объема Земли. Современные специалисты считают, что земное ядро поч­ ти на 90 % представляет собой железо с примесью кислорода, се­

ры, углерода и водорода, причем внутреннее ядро имеет, по со­

временным представлениям, железо-никелевый состав, что

полностью отвечает составу ряда исследованных метеоритов.

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку меж­ ду ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8% общей массы Земли (О.Г. Сорохтин, 1994). Геофизически­

ми исследованиями установлено, что мантия, в свою очередь,

может быть подразделена (см. рис. 1) на верхнюю мантию (слой Д до глубины 400 км), переходный слой Голицына (слой С на глуби­ не от 400 до 1000 км) и нижнюю мантию (слой В с nодошвой на глубине примерно 2900 км). Под океанами в верхней мантии вы­

деляется слой, в котором мантийное вещество находится в час­

тично расплавленном состоянии. Весьма важным · элементом в

строении мантии является зона, подстилающая подошву лито­

сферы. Физически она представляет собой поверхность перехода

сверху вниз от охлажденных жестких пород к частично расплав­

ленному мантийному веществу, находящемуел в пластическом со­

стоянии и составляющему астеносферу.

По современным представлениям, мантия имеет ультраоснов­ ной состав (пиролита, как смеси 75% перидотита и 25% толери­

тового базальта или лерцолита), в связи с чем ее часто называют

перидотитовой, или <<каменной>>, оболочкой. Содержание радиоак­

тивных элементов в мантии весьма низко. Так, в среднем 10-8 % U; 10-7 % Th, I0-6 % 40К. Мантия в настоящее время оценивается

как источник сейсмических и вулканических явлений, гораобра­

зовательных процессов, а также зона реализации маrматизма.

Земная кора представляет собой верхний слой Земли, который

имеет нижнюю границу, или подошву, по сейсмическим данным, по

слою Мохоровичича, где отмечено скачкообразное увеличение ско­ ростей распространения упругих (сейсмических) волн до 8,2 кмjс.

Для инженера-геолога земная кора является основным объек­ том исследований, именно на ее поверхности и в ее недрах возво­

дятся инженерные сооружения, т. е. осуществляется строительная

деятельность. В частности, для решения многих практических за­

дач важным является выяснение процессов формирования повер­ хности земной коры, истории этого формирования.

В целом поверхность земной коры формируется под воздейст­

вием направленных противоположно друг другу процессов:

20

• эндогенных, включающих в себя тектонические и магматиче­

ские процессы, которые ведут к вертикальным перемещениям в

земной кореподнятиям и опусканиям, т. е. создают <<Неровно­

сти>> рельефа;

• экзогенных, вызывающих денудацию (выполаживание, вы­

равнивание) рельефа за счет выветривания, эрозии различных ви­

дов и гравитационных сил;

• седиментационных (осадконакопление), как <<выполняющих>>

осадками все созданные при эндогенезе неровности.

В настоящее время выделяются два типа земной коры: <<база­

льтовая•> океаническая и <<гранитная•> континентальная.

Океаническая кора достатоgно проста по составу и представ­

ляет собой некое трехслойное формирование. Верхний слой,

мощность которого колеблется от 0,5 км в срединной части оке­ ана до 15 км у глубоководных дельт рек и материковых склонов,

где накапливается практически весь терригенный материал, в то

время как в друrих зонах океана осадочный материал представ­

лен карбонатными осадками и бескарбонатными красными глу­

боководными глинами. Второй слой сложен подушечными лава­

ми базальтов океанического типа, подстилаемый долеритоными дайками того же состава; общая мощность этого слоя составляет

1,5-2 км. Третий слой в верхней части разреза представлен сло­

ем габбро, который вблизи от срединных океанических хребтов подстилается серпентинитами; общая мощность третьего слоя ле­ жит в пределах от 4,7 до 5 км.

Средняя плотность океанической коры (без осадков) равна

2,9 г/см3 , ее масса- 6,4 · 1024 г, объем осадков- 323 млн км3 .

Океаническая кора образуется в рифтовых зонах срединно-океа­ нических хребтов за счет происходящего под ними выделения

базальтовых расплавов из астеносфернога слоя Земли и излияния толеритоных базальтов на океанское дно. Установлено, что еже­

годно из астеносферы поступает 12 км3 базальтов. Все эти гран­

диозные тектоно-магматические процессы сопровождаются повы­

шенной сейсмичностью и не имеют себе равных на континентах.

Континентальная кора резко отличается от океанической по мощности, строению и составу. Ее мощность меняется от 20-25 км под островными дугами и участками с переходным ти­ пом коры до 80 км под молодыми складчатыми поясами Земли, например под Андами или Альпийско-Гималайским поясом. Мощность континентальной коры под древними платформами составляет в среднем 40 км. Континентальная кора сложена тре­

мя слоями, верхний из которых осадочный, а два нижних пред­

ставлены кристаллическими породами. Осадочный слой сложен

глинистыми осадками и карбонатами мелководных морских бас-

21

сейнов и имеет весьма различную мощность от О на древних щи­

тах до 15 км в краевых прогибах платформ. Под осадочным сло­ ем залегают докембрийские <<гранитные» породы, зачастую преобразованные процессами регионального метаморфизма. Да­

лее залегает базальтовый слой. Отличием океанической коры ot континентальной является наличие в последней гранитного слоя.

Далее океаническая и континентальная кора подстилаются поро­

дами верхней мантии.

Земная кора имеет алюмосиликатный состав, представленный, главным образом, легкоплавкими соединениями. Из химических

элементов преобладающими являются кислород (43,13 %), крем­

род- 46,8; кремний- 27,3; алюминий- 8,7; железо- 5,1; каль­ ций- 3,6; натрий- 2,6; калий- 2,6; магний- 2,1; другие- 1,2.

Как показывают последние данные, состав океанической ко­

ры настолько постоянен, что его можно считать одной из глоба­ льных констант, так же как состав атмосферного воздуха или

среднюю соленость морской воды. Это является свидетельством единства механизма ее образования.

Важным обстоятельством, отличающим земную кору от дру­

гих внутренних геосфер, является наличие в ней повышенного

содержания долгоживущих радиоактивных изотопов урана 232 U, тория 237Th, калия 40К, причем их наибольшая концентрация от­

мечена для <<гранитного» слоя континентальной коры, в океани­

ческой же коре радиоактивных элементов ничтожно мало.

22

Океан

Континентальная

литосфера

Океаническая литосфера

Магматические

интрузии

Р и с. 2. Схемаrnческий разрез зоны пододвигания океанической литосферы

под континентальную

Литосфераэто оболочка Земли, объедиюiющая земную кору

и часть веQхней мантии. ХаQа:I<ТеQным пQизнакРм литосферы явля­

ется то, что в нее входят породы в твердом кристаллическом со­

стоянии и она обладает жесткостью и прочностью. Вниз по раз­

резу от поверхности Земли наблюдается рост температуры.

Расположенная под литосферой пластичн~ оболочка ман­

тии - астеносфера, в которой при высоких температурах вещество

частично расплавлено, и вследствие этого в отJiичие от литосферы астеносфера не обладает прочностью и может ]1Ластично деформи­

роваться, вплоть до способности течь даже под действием очень

малых избыточных давлений (рис. 2, 3). В свете современных

представлений, согласно теории тектоники литосферных плит,

установлено, что литосферные плиты, которые слагают внешнюю

оболочку Земли, образуются за счет остыванИЯ и полной кристал­

23