Учебник

1.4 МЕТОДЫ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

При проведении геологических исследований применяют различные специфические методы. Среди них можно выделить три главных типа региональных методов: прямые, косвенные и дистанционные. Последние могут быть прямыми и косвенными.

Прямые методы – это такие методы, при которых производится непосредственное исследование вещества, структуры или процесса. Для применения прямых методов необходимо иметь доступ к веществу, его надо видеть, чтобы иметь возможность изучать. Такая возможность предоставляется в естественных обнажениях горных пород: в обрывах береговых уступов рек и морей, в горных районах, в различных искусственных обнажениях, сделанных человеком: горных выработках (канавах, шурфах, шахтах, карьерах и т. д.), по керну буровых скважин (керн – это столбик горной породы, выбуренный буровым инструментом и поднятый на поверхность земли). Некоторые из перечисленных случаев показаны на рис. 3, 4. Ценность прямых методов заключается именно в возможности иметь доступ к наблюдаемому предмету. Недостаток этих методов заключается в их незначительной глубинности. Самая глубокая скважина, пробуренная на Кольском полуострове (Кольская сверхглубокая), – 12500 м от поверхности земли.

Косвенные методы – это методы, которыми геологическое строение изучается по физическим свойствам горных пород, породы не обязательно видеть. Эти свойства измеряются специальными приборами, устанавливаемыми на поверхности земли. К ним относятся такие свойства, как: магнитная восприимчивость горных пород, их плотность, скорость прохождения через них упругих сейсмических волн, радиоактивность, электрическое сопротивление, электрическая проводимость и др. Косвенными методами являются все геофизические методы исследований: магниторазведка, гравиразведка, электроразведка, сейсморазведка и др. Они позволяют производить глубинное изучение геологического строения Земли, однако результат геофизических исследований требует заверки его прямыми методами.

Дистанционные методы применяются для изучения геологического строения Земли с дистанции, с некоторого расстояния от поверхности Земли. Такую возможность предоставляют различные летательные аппараты: вертолеты, самолеты, искусственные спутники Земли. Они могут быть прямыми и косвенными. Для осуществления прямых дистанционных методов на борту летательного аппарата располагается геолог-наблюдатель или ус-

22

3. У тяжёлых звёзд, с массой более 2,0 масс Солнца, в результате мощнейшего сжатия плотность в центре звезды может достигать бесконечности. Такое состояние называется коллапсом и заключается в том, что от этих звёзд не могут отрываться никакие частицы, даже световые. Эти звёзды поглощают всё и называются «чёрными дырами».

В Солнечной системе всего 9 планет, которые делятся на две группы:

1– внутренние: Меркурий, Венера, Земля и Марс;

2– внешние: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Планеты земной группы обладают большой скоростью вращения вокруг осей, небольшими размерами и массой. Все они вращаются в направлении вращения Солнца, за исключением Венеры (вращается в обратном направлении). Средняя плотность вещества этих планет близка и составляет 3,95-5,52 г/см3, что может говорить о сходстве их внутреннего строения. Такую же примерно плотность имеет вещество Плутона – около 4,0 г/см3.

Планеты внешней группы отличаются большими размерами и массой по сравнению с земными, более короткими периодами вращения вокруг осей. Только Плутон по всем характеристикам более близок к планетам земной группы. Все эти планеты также вращаются в одном направлении с Солнцем, за исключением Урана, вращающегося в обратном направлении.

Земля является третьей планетой Солнечной системы. Она имеет сложную форму – геоид, вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Период обращения её вокруг Солнца составляет 365 или 364 земных суток, скорость вращения по орбите – 29,76 км/сек. Масса нашей планеты составляет 5976 х 1021 кг, её радиус по экватору – 6378,160 км, а средняя плотность вещества планеты составляет 5,52 г/см3.

Врезультате постоянного вращения вокруг своей оси и вокруг Солнца Земля изменяет своё положение в пространстве, что играет исключительно важную роль в формировании её внешних оболочек (атмосферы, гидросферы, биосферы). Это же определяет распределение температур и интенсивность многих геологических процессов на поверхности Земли.

Существуют многочисленные, весьма противоречивые гипотезы о происхождении Земли и Солнечной системы, которые условно можно объединить в две группы: гипотезы «горячего» и «холодного» происхождения.

В1745 году французский учёный Бюффон высказал первую гипотезу происхождения Земли. Он предполагал, что она образовалась в результате остывания одного из многочисленных сгустков вещества, отделившегося от Солнца при его столкновении с кометой. Эта гипотеза стала основой для ряда других гипотез так называемого «горячего» происхождения.

11

За ней последовали небулярная гипотеза И. Канта и П. Лапласа (1755-1796 гг.). Согласно этой гипотезе, Солнечная система образовалась из раскалённой туманности, которая в результате вращения сначала превратилась в гигантский диск, от которого в процессе вращения отделялись газовые кольца. Остывание их и привело к образованию планет Солнечной системы. Это подтверждается общностью вещества Солнца и планет, их тесной взаимосвязью. Подобную же гипотезу высказал и советский учёный В. Г. Фесенков. Он выдвинул также корпускулярную гипотезу излучения звёзд, объяснил многие особенности строения Солнечной системы.

Вторая группа гипотез происхождения Земли называется гипотезами «холодного» происхождения. Основоположником её является советский учёный О. Ю. Шмидт, считавший, что планеты Солнечной системы образовались в результате «слипания» твёрдых частиц разных размеров, вращавшихся вокруг Солнца. По его представлениям, хотя бы часть газово-пылевого вещества была захвачена Солнцем из межзвёздных туманностей, поэтому источники вещества Солнца и планет различны. В результате вращения уплотнённое вещество постепенно разогревается притермоядерныхреакциях, происходящихвнедрахпланет.

Внутреннее строение Земли. Земля состоит из трёх основных концентри- чески-зональных оболочек, которые называют геосферами: земной коры, мантии и ядра. Каждая из геосфер состоит из более мелких концентров (рис. 6).

Рис. 6. Внутреннее строение Земли. Основные геосферы: А – земная кора; B, C, DI, DII – мантия; E, F, G – ядро

12

при интерпретации магнитометрических данных изучается их магнитная восприимчивость. Полученные материалы используются в качестве эталонов при интерпретации геофизических материалов. Подобным же образом действуют и при интерпретации гравиметрических материалов, используя лабораторные исследования плотностных характеристик горных пород; при интерпретации электроразведочных материалов опираются на предварительное изучение электрических свойств (электрического сопротивления и проводимости горных пород) и т. д.

Изучение электрического поля производится с помощью специальных приборов, которые называются потенциометрами. Наука, изучающая электрическое поле, называется электроразведкой. Основана она на том, что разные горные породы обладают различными способностями проводить электрический ток или сопротивляться его прохождению. Отсюда и два наиболее распространённых электроразведочных метода исследований: электропроводимости и сопротивлений. Исследования проводятся зондированием изучаемого разреза специальными приборами. Сравнение полученных с помощью приборов данных с эталонными измерениями для различных типов горных пород позволяет высказывать предположения о геологическом строении данного участка с последующим контролем прямыми геологическими методами, чаще всего бурением скважин.

Таким образом, физические поля Земли отражают особенности геологического строения изучаемых участков земной коры через проявление определённых физических свойств пород, слагающих этот участок.

Сами горные породы залегают на разных глубинах, в связи с чем изучить их непосредственно не представляется возможным. Поэтому приходится прибегать к косвенным методам: не имея доступа к горной породе, только по её физическим свойствам (плотности, электрическому сопротивлению, электропроводимости, скорости прохождения упругих сейсмических волн, магнитной восприимчивости и др.) имеется возможность достаточно уверенно судить о составе и условиях залегания горных пород, а это даёт возможность решать вопросы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых с использованием геофизических методов, особенно на больших глубинах. Следует иметь в виду, что косвенные – геофизические – методы требуют заверки прямыми методами: проходкой горных выработок – шурфов, шахт или бурением скважин. Ценность косвенных методов заключается в их глубинности и возможности уверенно планировать проведение поисково-разведочных работ.

21

переходный характер: с материковой стороны она несёт черты континентальной коры, в которую постепенно и переходит; со стороны океана характер земной коры – океанический с постепенными или относительно быстрыми переходами к океаническому типу.

Средняя плотность вещества земной коры по слоям заметно изменяется: от 2,4-2,5 г/см3 в осадочном слое до 2,8-3,3 г/см3 в «базальтовом» при среднем значении плотности пород земной коры 2,8 г/см3.

По химическому составу в земной коре преобладают кремний и алюминий, поэтому раньше её называли сиаллической оболочкой Земли.

Мантия Земли составляет основную часть планеты по массе и объему. Она распространяется до глубины 2885 км, заканчиваясь поверхностью Вихер- та-Гутенберга. Внутри мантии по скоростям прохождения упругих сейсмических волн, особенностям их преломления и отражения выделяется несколько отражающих поверхностей на глубинах 400, 900 и 2700 км.

В строении мантии выделяют две главные зоны: верхнюю и нижнюю. Верхняя мантия распространена до глубины 900 км. Она состоит из двух чётко разделяющихся слоёв: верхний распространён до глубины 400 км, его верхняя часть называется субстратом, который вместе с земной корой образует литосферу Земли. Нижнюю часть верхнего слоя, по имени открывшего её сейсмолога БГутенберга, назвали слоем Гутенберга. В нём резко уменьшается скорость распространения упругих сейсмических волн в связи с повышенной текучестью вещества. Он является «волноводом», по которому сейсмоволны продолжительное время идут вдоль слоя. Плотность вещества в слое Гутенберга достигает 3,5 г/см3, а скорость упругих сейсмических волн не превышает 8 км/сек. Этот слой называют также астеносферой, в которой зарождаются глубокофокусные землетрясения огромной разрушительнойсилыирасполагаютсяочагимощныхвулканическихизвержений.

Нижний слой верхней мантии называется слоем Голицына. В нём происходит резкое нарастание плотности вещества до 4,5 г/см3, а скорость продольных сейсмоволн – до 11,3 км/сек.

Нижняя мантия распространена до глубины 2885 км, в ней плотность вещества увеличивается до 5,6 г/см3, а скорость распространения упругих сейсмических волн – до 13,6 км/сек. Здесь нарастает давление и происходит переход к плотнейшим упаковкам всех существующих там соединений.

Ядро Земли имеет, по косвенным данным, железоникелевый состав, близкий составу железных метеоритов, сложенных на 90% железом и на 10% никелем. Все остальные элементы составляют около 1%. Плотность вещества метеоритов и, предположительно, вещества ядра Земли достигает 9 г/см3.

14

Гравитационное поле Земли обусловлено геологическим строением и разной плотностью горных пород, слагающих земную кору и более глубинные зоны. Изучением величин, характеризующих гравитационное поле, их использованием для определения фигуры Земли, общего внутреннего строения и других проблемных вопросов занимается наука, которая называется гравиметрией.

Гравитационное поле задаётся полем силы тяжести, которое является результирующей двух основных сил: силы притяжения (тяготения) Земли и центробежной силы, вызванной её суточным вращением. Центробежная сила уменьшает силу тяжести от полюсов к экватору – на экваторе она на 0,5% меньше, чем на полюсах.

Величина силы тяжести зависит от фигуры и распределения плотности внутри Земли. Сила тяжести определяется специальными приборами, которые называются гравиметрами. Измерения силы тяжести могут производиться на поверхности Земли стационарно или с движущихся объектов: лодок, самолётов, вертолётов, машин, кораблей с непрерывной записью измерений ускорения силы тяжести по пути следования движущегося объекта.

Гравитационное поле Земли имеет очень сложный характер, что объясняется неоднородным строением планеты по плотности (разный состав и условия залегания горных пород) и неправильной формой самой Земли. Для решения практических задач гравитационное поле рассматривают состоящим из двух частей: нормального поля, изменяющегося с широтой, и аномального поля, сложного по распределению, обусловленного неоднородностями плотности пород в верхних слоях земной коры.

Разность между наблюденной силой тяжести и нормальной, рассчитан-

ной по формуле распределения нормальной силы тяжести, называется аномали-

ей силы тяжести.

На основании гравиметрических измерений составляются карты гравиметрического поля в изолиниях силы тяжести, то есть линиях равной силы тяжести. С помощью этих карт изучается распределение плотностных неоднородностей в теле планеты на разных глубинах, что отражает основные черты геологического строения того или иного участка земной коры.

Магнитное поле Земли. Источниками магнитного поля являются намагниченныетела, проводникистокомидвижущиесяэлектрическизаряженные тела.

Магнетизм планеты обусловлен действием постоянных источников, расположенных в недрах Земли. Эти источники испытывают медленные вековые изменения. Магнетизм обусловлен также переменными источниками, расположенными как в магнитосфере Земли, так и в ионосфере.

19

гическими телами сейсмические волны могут отражаться и преломляться (рис. 7.). При сейсмологических исследованиях регистрируются все волны: прямые, отражённые и преломлённые, которые несут наиболее полную информацию о внутреннем геологическом строении геосфер Земли (рис. 6).

Рис. 7. Принцип-схема работы метода отражённых волн (МОВ)

В – источник излучения; 1 – сейсмоприёмник; 2 – направление отражённых волн; 3 – отражающая поверхность; 4 – горные породы нижнего комплекса

На всей планете развёрнута сеть сейсмостанций, которые постоянно регистрируют упругие сейсмические волны. Особое значение эти наблюдения имеют для сейсмоопасных и сейсмоактивных районов.

На использовании законов распространения упругих сейсмических волн в недрах Земли основаны сейсмометрический и сейсмологический методы исследования внутреннего строения планеты. Разница между ними в том, что сейсмологический метод основан на изучении распространения естественных упругих сейсмических волн, образующихся в результате землетрясений, а сейсмометрический метод использует искусственные сейсмические волны, образованные в результате искусственных взрывов зарядов в стволах буровых скважин. Суть же того и другого заключается в изучении особенностей прохождения упругих сейсмических волн через разные зоны или геосферы планеты. Это даёт возможность предположительно говорить об определённых условиях залегания и составе горных пород на разных глубинах в недрах Земли. Сейсмические методы весьма разнообразны, вот некоторые из них: МОВ – метод отражённых волн; МПВ КМПВ – метод преломлённых волн; МНРП – метод направленного регулируемого приёма и т. д. Для изучения малых и средних глубин применяется метод ВЧС – высокочастотной сейсморазведки, а для глубинных зон планеты – метод ГСЗ – глубинного сейсмического зондирования.

18

В строении ядра условно выделяют три концентрические зоны: внешнее ядро, переходный слой и внутреннее ядро. Большинство учёных считает, что внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии, а внутреннее – в твёрдом.

Химический состав и возраст Земли. На основании изучения химического состава всех известных на Земле горных пород, внутреннего строения Земли и теоретических расчётов учёными получены разные варианты среднего химического состава вещества нашей планеты. Среднее содержание химического элемента в веществе Земли называется его кларком. Кларки могут быть весовыми или атомными. Первые рассчитываются в весовых количествах – весовые % или г/т, вторые – в % от числа атомов. Расчёты средних содержаний химических элементов в земной коре впервые были выполнены американским учёным Ф. Кларком (1889 г.), а позже уточнялись А. Е. Ферсманом, А. П. Виноградовым, С. Р. Тэйлором и другими. Наиболее распространены в земной коре O2, Fe, Si, Mg, Ni, Al, Ca и S, составляющие в сумме до 99% вещества Земли, остальные элементы составляют всего около 1%. По данным А. П. Виноградова (1962 г.), в земной коре содержание некоторых химических элементов составляет (в г/т): O2 – 470000, Si – 295000, Al – 80500, Fe – 46500, Ca – 33000, Na – 25000, K – 5000, Mg – 18700, Ti – 4500, Cu – 47, Co – 18 и т. д.

Радиологическими методами возраст разных горных пород определяется в миллионах и миллиардах лет. Возраст планеты устанавливается по возрасту самых её древних горных пород, а также по возрасту вещества метеоритов. Древнейшие земные горные породы имеют возраст 3,5-4,0 млрд лет, возраст вещества метеоритов – 4,5 млрд лет.

На основании радиологических определений в настоящее время возраст Земли принимается равным в пределах 4,5-5,5 млрд лет.

1.3.1 Физические поля Земли и геофизические методы изучения её геологического строения

Земля находится в постоянном движении и взаимодействии с другими космическими телами, образуя различные наружные и внутренние физические поля, такие как: тепловое, магнитное, поле силы тяжести и некоторые другие. Характер распространения и строения этих полей позволяет косвенно судить об особенностях геологического строения тех или иных приповерхностных или глубинных участков планеты.

Тепловое поле Земли возникло из поверхностных и внутренних источников тепла. Главным поверхностным источником его является Солнце, посылающее на каждый квадратный сантиметр поверхности в год около 170 ккал, из них до 60 ккал поглощается атмосферой. Остальное тепло посту-

15

пает в литосферу и гидросферу, являясь причиной многих экзогенных геологических процессов (ветер, выветривание и т. д.). Незначительную роль в поверхностном тепловом поле играет тепло приливного течения.

Глубинные источники тепла играют заметно меньшую роль, количество такого тепла во много раз меньше, хотя роль глубинного тепла в эндогенных геологических процессах чрезвычайно велика.

Считается, что существует два основных источника внутреннего тепла: радиационное – за счёт радиоактивного распада химических элементов в недрах Земли и за счёт сепарации вещества земного ядра.

Радиоактивный распад даёт основную часть эндогенного тепла. Основными источниками разогрева недр планеты являются уран, торий и радиоактивный изотоп калия. Радиоактивные элементы связаны чаще с гранитами и осадочными горными породами земной коры.

Внедрах Земли существует зона постоянных температур – зона с температурой, равной среднегодовой температуре этой области. Выше температура целиком зависит от климатической и сезонной температуры для этого участка планеты. Ниже зоны постоянных температур она постепенно повышается за счёт внутренних источников тепла. Но повышение температуры с глубиной в разных районах планеты происходит по-разному, в зависимости от особенностей геологического строения участка, различной теплопроводности горных пород, а также и от различного количества тепла, поступающего из недр.

Всреднем для Земли рассчитаны скорости увеличения температуры с погружением в недра – это геотермические градиенты. В верхней части земной коры средний геотермический градиент составляет 3,0˚С на каждые 100 м, то есть через каждые 33 м температура повышается на 1˚. Каждый конкретный участок земной коры характеризуется своим местным градиентом, который зависит от геологическогостроенияиблизостиилиудалённостиотнегомагматическихочагов.

Так как радиоактивные элементы связаны с кислыми и осадочными горными породами, а их количество с глубиной уменьшается, а нижняя часть земной коры сложена веществом основного состава («базальтовым» слоем), то ниже 10-15 км прирост температуры замедляется.

Считается, что в нижних слоях земной коры на континентах нижним пределом температур является 600-800˚С, а в океанах – всего 150-200˚С. Верхний предел определяется температурой плавления минерала оливина, который содержится в составе верхней мантии. Эта температура составляет 1950˚С – онато и принята за верхний предел температуры твёрдого вещества Земли, так как при более высоких температурах любое вещество в недрах будет расплавлено.

16

Температура на границе мантии и земного ядра рассчитана теоретически и составляет предположительно от 1000˚С до 5000˚С. Вещество ядра Земли имеет температуру, также полученную путём теоретических расчётов и составляющую 3600-6000˚С. Тепловое поле Земли играет огромную роль в геологических процессах, происходящих как на поверхности, так и в недрах планеты. С солнечной энергией непосредственно связаны процессы выветривания любого типа, деятельность ледников, возникновение и работа ветра и др. Внутреннее тепло вызывает метаморфические и магматические процессы, является их главной действующей силой.

Температура оказывает большое влияние на формирование целого ряда месторождений полезных ископаемых. Например, при формировании месторождений нефти и газа температура определяет фазовый состав образующихся скоплений углеводородов. Данные о пластовых температурах могут использоваться при прогнозе и проведении поисковых работ на месторождениях углеводородов. Температурными режимами определяется и формирование в разных условиях рудных минералов, среди которых по этому признаку выделяют вы- соко- , средне- и низкотемпературные минеральные ассоциации.

Волновое поле упругих сейсмических волн. Сейсмические волны являются одним из главных источников информации о внутреннем строении Земли. Изучением закономерностей распространения этих волн, изучением землетрясений, регистрацией сейсмических волн и обработкой всех материалов по ним занимается наука, которая называется сейсмологией.

Упругие сейсмические волны возникают в очаге землетрясения и распространяются со скоростью, зависящей от состава и внутреннего строения горных пород, а также от условий их залегания. Распространение этих волн происходит по всем направлениям путём упругих перемещений частиц среды. Различают два типа сейсмических волн: продольные и поперечные. Продольные волны перемещают частицы в направлении распространения волн, а поперечные – в направлении, перпендикулярном к их направлению перемещения. Скорость распространения продольных волн значительно больше, чем скорость распространения поперечных.

В связи с неоднородностью и сложностью геологического строения литосферы, наличием многочисленных литологических границ между слоями и телами горных пород упругие сейсмические волны не могут распространяться прямолинейно, направление их перемещения постоянно искривляется. При этом распространение этих волн подчиняется законам распространения оптических волн, то есть на границах между разными по составу или строению геоло-

17

а поэтому способствуют сглаживанию резких колебаний температуры на поверхности планеты и увлажнению отдельных районов. Эта часть гидросферы является важнейшим источником различных минеральных ресурсов: нефти и газа, фосфоритов, железных и марганцевых руд, россыпных скоплений золота, олова и редких металлов, других полезных ископаемых. В морях и океанах накапливается огромная масса различных по составу осадков: обломочных, приносимых реками; хемогенных и органогенных. Все это показывает, насколько важно геологам понимать процессы, связанные с деятельностью морей и океанов, а, следовательно, насколько важно их изучать.

Наиболее крупным океаном на Земле является Тихий океан, который занимает площадь около 180 млн км2, составляющую 50% площади Мирового океана. В Тихом океане расположена самая глубоководная впадина (желоб) – Мариинская, имеющая максимальную глубину 11022 м. Средняя глубина этого океана составляет почти 4000 м.

Самое крупное море на Земле – Коралловое море – расположено в Тихом океане и имеет площадь 4791 тыс км2, а максимальную глубину 9140 м. Одно из самых крупных северных морей – Баренцево море – занимает площадь 1405 тыс км2 с наибольшей глубиной всего 600 м.

Границы океанов обозначаются береговыми линиями, разделяющими сушу и море.

Очень большую роль в геологической деятельности играет характер рельефа дна Мирового океана. Он весьма сложный, но в зависимости от положения отдельных его участков относительно суши и глубины принято выделять следующие зоны в направлении от берега к океану: материковый шельф, материковый склон, океаническое ложе и глубоководные впадины. Иногда нижнюю часть материкового склона выделяют как самостоятельную зону рельефа дна – материковое подножие. Название более мелководных зон – материковые – подчёркивает, что земная кора под этими зонами имеет материковый (континентальный) характер в отличие от океанического ложа и глубоководных впадин, под которыми земная кора принадлежит к океаническому типу.

Материковый шельф – это прибрежный участок моря или океана (рис. 15), имеющий пологую поверхность, слабо наклонённую в сторону океана.

Глубина зоны шельфа изменяется в широких пределах: от 80-90 до 500 м, составляя в среднем около 200 м. В зоне шельфа накапливается большое количество обломочного материала, приносимого реками и образующегося в результате разрушительной работы моря в береговой зоне. Этот материал вместе с хемогенными осадками выравнивает первичные неровности рельефа мелко-

64

Встроении атмосферы наблюдаются некоторые интересные закономерности: она состоит из нескольких оболочек, различающихся специфическими физическими параметрами (температурой и давлением) и их динамикой. Эти оболочки образуют концентрически-зональное тело. Нижняя часть атмосферы называется тропосферой, протягивающейся на высоту от 8-10 км на полюсах Земли и до 16-18 км на экваторе. По мере удаления от поверхности Земли температура в тропосфере понижается до –40 –90˚С, а давление – до 100300 мбар. Колебания температуры в тропосфере зависят от климатической зоны

исезона года. Максимальные колебания отмечены в полярных областях, минимальные – в зоне экватора. Атмосферой поглощается 45% тепловой солнечной энергии. Способность поглощать и аккумулировать тепловую энергию Солнца называется парниковым эффектом и определяется содержанием углекислого газа и водяных паров.

Вверхнем слое тропосферы температура стабилизируется, и он называ-

ется тропопаузой.

Над тропосферой располагается следующая концентрическая оболочка, называемая стратосферой. Стратосфера простирается до высоты 55 км. В отличие от тропосферы температура в этой сфере с удалением от поверхности Земли повышается, достигая в верхней части 0˚С, а иногда и выше. Повышение температуры в стратосфере происходит на 1-2˚С через каждый километр высоты. Именно в стратосфере расположен озоновый слой с максимальным содержанием озона на высоте 25 км. Верхний слой стратосферы характеризуется постоянной температурой около 0˚ С и называется, по аналогии с тропосферной зоной постоянных температур, стратопаузой.

Еще выше располагается мезосфера – до высоты 80-85 км. От стратосферы она отличается тем, что температура в ней с удалением от Земли снова последовательно понижается до –60 –80˚С и верхняя ее зона – мезопауза – характеризуется также постоянными температурами. Одной из примечательных особенностей мезосферы является такое интересное атмосферное явление, как полярное сияние, вызываемое высоким содержанием в ней ионов газов.

Над мезосферой находится предпоследняя зона атмосферы, простирающаяся до высоты 800 км, называемая термосферой, сменяющейся экзосферой, высота распространения которой достигает 2000 км. В составе экзосферы преобладают ионы легких газов: водорода и гелия, а также элементарные частицы. Она является переходным слоем от атмосферы к межпланетному пространству. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет 2000 км.

33

Состояние атмосферы изучается по трем важнейшим факторам: температуре воздуха, содержанию водяных паров (давление), а также характеру и направлению перемещения воздушных масс (ветер).

Температура воздуха в атмосфере очень изменчива. Общепризнанным северным полюсом холода является метеостанция Оймякон в Якутии с отмеченным минимумом температуры воздуха –67,7˚С. Близкие температуры отмечены на севере Канады, в Гренландии, на Аляске. Южным полюсом холодного воздуха является станция «Восток» в Антарктиде с минимальной температурой воздуха –88,3˚С.

Выявлены на планете и самые горячие точки. Они расположены в США, в пустыне Мехаве, где воздух прогревается до +56,7˚С, и в Ливийской пустыне – до +57,8˚С. Надо иметь в виду, что приведенные температуры воздуха характеризуют только нижние слои атмосферы. Непосредственно на поверхности Земли температура выше также в тропической зоне и ниже в полярных областях. Так, в Туркмении температура песка составляет +77˚С при температуре воздуха всего +45˚С. В Заполярье при температуре воздуха –67,7˚С температура снега достигает –69,9˚С.

Для природных геологических процессов часто большое значение имеют не сами температуры, а их колебания, диапазон которых достигает на земле 160˚С. Но в большинстве районов этот интервал не превышает 40-50˚С. Например, в Республике Коми колебания температуры воздуха весьма значительны: при минимальной –45˚С максимальная достигает +35˚С, составляя амплитуду температур до 80˚С.

При характеристике природных процессов, происходящих на поверхности Земли, обычно оперируют среднесуточными, среднемесячными и среднегодовыми температурами. Значительные различия в среднегодовых температурах связаны с положением района относительно экватора, что объясняется в значительной мере отражательной способностью поверхности Земли, т. е. горных пород, слагающих эту поверхность. Эта способность зависит от рельефа поверхности планеты, наличия или отсутствия снежного покрова, продолжительности существования этого покрова, степени запыленности атмосферы и некоторых других причин.

Вторым важнейшим фактором интенсивности геологических процессов является влажность – содержание водяных паров в атмосфере. Влажность тесно связана с температурой воздуха – повышение температуры воздуха приводит к уменьшению влажности, а понижение – к ее увеличению. При 100%- ной влажности происходит конденсация водяных паров и образование облач-

34

Цокольные террасы являются продуктом и эрозионной, и аккумулятивной деятельности реки. Сначала река вырабатывает себе русло в коренных породах, и они занимают нижнюю часть цокольной террасы; а затем она отлагает сверху собственные аллювиальные отложения, которые слагают верхнюю часть разреза цокольной террасы.

Геологическая деятельность рек приводит в результате дифференциации обломков по размерам и удельным весам минералов к образованию россыпных месторождений аллюви-

ального типа, так как само полезное ископаемое – минерал – накапливается в результате деятельности реки в аллювии. Принцип формирования аллювиальной россыпи и механизм её образования заключается в разрушении рекой исходной горной породы, содержащей в небольших количествах полезный минерал (золото, платину, алмазы, минералы титана и проч.), переносе более лёгких частиц (мелких и с малым удельным весом) и за счёт этого в относительном накопления более тяжёлых (по размерам и удельному весу) минералов до концентраций, представляющих практический (промышленный) интерес. Среди таких месторождений различают перемещённые – переотложенные или остаточные – оставшиеся, накопившиеся на месте разрушения исходной горной породы. В последнем случае россыпь называется элювиальной.

2.2.2 Океаны и моря

Океаны представляют собой непрерывную водную оболочку Земли, окружающую материки и острова. Моря являются частью Мирового океана, в разной степени отделёнными от открытого океана сушей или поднятиями дна. Вместе с морями океаны составляют 94% гидросферы и занимают около 71% земной поверхности.

Моря и океаны находятся в постоянном взаимодействии с атмосферой и литосферой. Они являются аккумуляторами солнечного тепла и влаги на Земле,

63

базиса эрозии и возрастание скорости течения, а также повышение одного из участков речной долины или изменение климата с увеличением количества осадков и массы воды в реке.

Рис. 13. Сложные меандры и старицы в долине р. Печорской Пижмы (слева) и р. Сысолы (справа), 2006 г. (фото автора)

Каждое омоложение речной долины вызывает новый цикл эрозии с врезанием реки в ранее образованные пойменные отложения, не размытые участки которых образуют надпойменные террасы. Речные террасы являются фрагментарными образованиями, оставшимися от размыва древней поймы. В их теле различают площадку террасы, уступ, бровку и тыловой шов. Площадка террасы представляет собой выровненную поверхность, полого наклонённую к руслу реки. Уступ террасы – это поверхность склона, круто обрывающаяся к руслу. Бровка – линия, разделяющая площадку террасы от её уступа, а тыловой шов – линия, по которой соприкасаются площадка более низкой террасы с уступом более высокой (смежной) террасы.

Количество речных террас соответствует количеству полных циклов эрозии, пережитых речной долиной. При образовании новых молодых террас древние террасы оказываются расположенными выше молодых. Террасы в речных долинах нумеруют снизу вверх – от более молодых к более древним.

Различают три типа речных террас: аккумулятивные, эрозионные и цокольные. Аккумулятивные террасы (рис. 14) образуются в результате аккумулятивной накопительной работы реки, поэтому они сложены аллювиальными отложениями, что очень хорошо видно по уступу террасы. Террасы эрозионные образуются как результат эрозионной, т. е. разрушительной работы реки, поэтому такие террасы сложены «коренными» породами – другими словами, не аллювиальными, практически почти всегда докайнозойскими.

62

ности. При этом огромную роль играет атмосферная пыль, выступающая в этом случае в качестве ядер конденсации. Количество выпадающих осадков также очень неравномерно распределено в разных районах планеты в разное время. Оно зависит от географического положения района, особенностей рельефа (равнина или горная область), влажности воздуха, скорости, направления ветра и других причин.

Минимальное количество осадков выпадает на Земле в Чили – 0,8 мм/год, а максимальное – на Гавайских островах – 11684 мм/год. Количество осадков весьма неравномерно распределяется и в течение года. Так, в Западной Африке, например, они выпадают только в сезон дождей, когда дожди идут практически ежесуточно и полностью прекращаются в сухой сезон, продолжающийся в течение полугода. В полярных районах Северного полушария основная часть осадков выпадает в зимний сезон в виде снега. Характер осадков, частота их выпадения и количество являются чрезвычайно важными для таких экзогенных геологических процессов, как выветривание, образование и таяние ледников, образование и деятельность рек и т. д.

Третий важный фактор, определяющий характер экзогенных геологических процессов – это перемещение масс воздуха в связи с неравномерной плотностью атмосферы, находящейся в тесной зависимости от вращения Земли и неравномерности ее прогревания Солнцем, а также от рельефа поверхности Земли.

Таким образом, на интенсивность и направленность геологических экзогенных процессов прямое влияние оказывают температура и влажность воздуха, его перемещение над поверхностью Земли. Состояние этих трех факторов в определенной местности в данный момент и определяет погоду. Погода характеризуется большой изменчивостью в течение суток или даже дня или ночи: дождливая погода может быстро смениться солнечной. Изменение погоды во времени для определенных участков земной поверхности создает климат – закономерную последовательность метеорологических процессов, определяемую географическими условиями участка и выражающую многолетний режим погоды. Климат конкретного района является всегда постоянной характеристикой, являющейся выражением закономерности смены погодных условий. В связи с этим климат является одним их важнейших условий и факторов, которые обусловливают характер и основные закономерности направленности экзогенных геологических процессов. Различают четыре основных климатических пояса нашей планеты: арктический и антарктический, умеренный, тропический и экваториальный. Для каждого их этих поясов выделяют по четыре типа климата:

35

континентальный, океанический, западных побережий и восточных побережий. По соотношению температур воздуха, влажности атмосферы в тропическом и экваториальном поясах различают аридный – засушливый климат – и гумидный – влажный климат.

2.1.1 Выветривание

Выветривание представляет собой совокупность процессов изменения и разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли под действием физических, химических и органических агентов. Результатом выветривания является кора выветривания – комплекс горных пород, возникших в верхней части литосферы в результате преобразования в континентальных условиях магматических, осадочных и метаморфических горных пород под влиянием атмосферных процессов.

Различают два основных типа выветривания: физическое (механическое)

ихимическое. Некоторые исследователи выделяют в качестве самостоятельного типа органическое выветривание. Мы рассматриваем его непременной составной частью физического и химического выветривания. Например, рост корней деревьев разрушает горные породы, в которых они произрастают, механически, раздвигая трещины в этих породах, поэтому в этом случае растения выступают в качестве действующей силы механического (физического) разрушения. В другом случае, когда те же растения вместе с соками втягивают через корневую систему некоторые химические элементы в зоне выветривания, они способствуют химическому разрушению горных пород и являются действующей силой химического разрушения этих пород. И в том, и в другом случае разрушение пород растениями является только частью общего разрушительного процесса при выветривании, а самостоятельная их роль не так существенна.

Физическое выветривание – это разрушение горных пород, вызванное колебаниями температур и связанными с ними процессами. Горные породы сложены из минералов, имеющих разную окраску, в связи с чем каждый минерал подвергаются воздействию солнечной энергии по-своему. Более темноцветные минералы (роговые обманки, биотит, пироксены и др.) нагреваются значительно сильнее, а более светлые (кварц, полевые шпаты и др.) – слабее. Соответственно они при нагревании по-разному расширяются, а при остывании по-разному же сжимаются в объеме. Многократные периодические расширения

исжатия приводят сначала к образованию микротрещин на границе минералов, по трещинам спайности и другим направлениям, а позже порода полностью превращается в обломки разных размеров (рис. 8).

36

Отложения, образованные в результате деятельности реки, называются

аллювиальными или аллювием (рис. 12).

Накапливаются они в речных долинах. Отложение материала происходит одновременно с разрушением и переносом, но на разных стадиях развития речной долины преобладает один из видов геологической работы реки.

В развитии речной долины выделяют три стадии, для каждой из которых характерны определённые особенности. Эти стадии называются юностью, зрелостью и старостью.

Встадию юности профиль реки ещё не выработан, и русло только закладывается. Река течёт по неровностям рельефа, уклон реки обычно крутой, а скорость течения очень большая. В эту стадию очень интенсивна глубинная эрозия при слабой или полностью отсутствующей боковой. Образуется V-образная долина прямолинейного направления. Такой период переживают горные реки. Главная сила реки направлена на разрушение дна и перенос продуктов разрушения, аккумуляция практически отсутствует.

По мере выработки профиля равновесия река переходит в стадию зрелости. Наступает она при приближении рельефа дна к продольному профилю равновесия. Углубление дна происходит только в верхнем течении, а в среднем и нижнем работает боковая эрозия, вследствие чего долина реки расширяется с подмывом береговых участков и приобретает U-образную форму. На отдельных участках, кроме верховьев, начинают образовываться излучины – сказывается вращение Земли вокруг своей оси. Такие излучины реки называются меандрами. Скорость течения в нижней части речной долины заметно уменьшается.

Встадии старости в среднем и нижнем течении реки усиливаются процессы боковой эрозии, приводящие к отложению осадков механическим способом, усложняются и увеличиваются многочисленные меандры вплоть до образования стариц (рис. 13). В это время образуется пойма реки – зона, заливаемая

впаводок и возвышающаяся над руслом в меженный период.

Три названные стадии образуют полный цикл речной эрозии, который может повторяться и сменяться новым эрозионным циклом, начиная со стадии юности. Причинами наступления нового цикла эрозии может быть понижение

61