Часть 1. Основы геологии

1. Объекты изучения, методы и науки геологического цикла

На оглавление

Геология (греч, "гео" - Земля, "логос" - учение) изучает строе­ние, состав, происхождение и развитие Земли. Основной задачей является изучение наружной каменной оболочки планеты - земной коры и взаимо­действующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли. Объектами изучения геологии являются минералы, горные породы, ис­копаемые органические остатки и геологические процессы. Минералами на­зывают природные химические соединения, однородные по составу и строе­ние, образовавшиеся в результате естественных физико-химических про­цессов. Горные породы - это природные устойчивые ассоциация минералов, сформировавшиеся в результате определенных геологических процессов и образующие в земной коре самостоятельные геологические тела. По проис­хождению выделяют три типа горных пород: магматические, или извержен­ные, возникшие при остывании магмы (огненно-жидкого силикатного расп­лава); осадочные, образовавшиеся при механической, химической или био­химической переработке вещества земной коры в поверхностных условиях; метаморфические, которые формируются в процессе преобразования любых первичных пород в кедрах Земли под действием высоких температур, дав­ления и химически активных веществ. Ископаемые органические остатки позволяют определить возраст и условия образования горных пород, в ко­торых они обнаруживаются.

Процессы, меняющие состав, строение земной коры и рельеф земной поверхности, называются геологическими. По источнику энергии, месту и условиям протекания геологические процессы разделяются на экзогенные (т.е. извне рожденные) и эндогенные (т.е. внутри рожденные). Экзогенные геологические процессы протекают под воздействием солнечной энер­гии на поверхности Земли. Они выражаются в изменении (выветривании) горных пород, разрушении и переносе продуктов разрушения водными и воздушными массами, осаждении и накоплении продуктов разрушения. Эндогенные геологические процессы развиваются благодаря внутренней энер­гии Земли. К ним относятся тектонические процессы, объединяющие мед­ленные (вековые) колебательные движения земной коры, быстро протека­ющие дислокационные: магматизм - образование в недрах Земли огнен­но-жидких расплавов, их движение и остывание; метаморфизм - процесс перерождения горных пород на больших глубинах под действием высоких температур, давлений и химически активных веществ.

В геологии применяются прямые, косвенные, экспериментальные и математические методы. Основным методом исследования земной коры является геологическая съемка, цель которой — изучение геологиче­ского строения, полезных ископаемых, составление геологиче­ской карты определенного масштаба. По способу проведения теологическая съемка делится на наземную и дистанционную. В процессе наземной геологической съемки оценка состава и строения земной коры производится путем изуче­ния естественных обнажений (обрывы рек, оврагов, склоны гор), искус­ственных горных выработок (канавы, шурфы, карьеры, шахты) и буровых скважин (наиболее глубокой является Кольская скважина - более 12 км). Максимальная глубина, достигнутая горными выработками, около 4 км.

Визуальные исследования обычно дополняются геофизическими и геохими­ческими наблюдениями и измерениями.

Дистанционная геологическая съемка (зондирование) со­стоит в изучении строения поверхности и глубинных частей Земли с летательных аппаратов (самолетов, спутников, стан­ций), находящихся в атмосфере или космическом пространстве. Названные способы геологической съемки в настоящее время тесно взаимосвязаны. При наземных исследованиях практиче­ски всегда используются материалы аэро- и космической фото­съемки. Дешифрирование материалов, полученных с помощью дистанционных методов геологической съемки, производится с использованием наземных (контрольных) наблюдений.

Геологическую съемку ведут планомерно, без пропусков отдельных участков с тем, чтобы в конечном итоге увязать дан­ные по отдельным районам и получить представление о геоло­гическом строении всей территории и крупных регионов. Обяза­тельное условие геологической съемки — ее кондиционность или надежность, которая определяется соответствием деталь­ности картируемых особенностей геологического строения масштабу съемки. По содержанию работ современная геологи­ческая съемка является комплексной.

Детальность геологосъемочных работ определяется задан­ным масштабом картирования. Съемки бывают: мелкомасштабные съемки (1:1000000—1:500000); среднемасштабные съемки (1:20 ООО— 1:100 ООО); крупномасштабные съемки (1:50 ООО—1:25 ООО).

Чем крупнее масштаб съемки, тем больше деталей геологического строения она выявляет, тем полнее и надежнее будут полученные результаты. Последующее увеличение масштаба уже готовой карты не может повысить степень детальности изображения геологического строения рай­она, заданную масштабом съемки. По методам проведения геологическая съемка делится на маршрутную, площадную и инструментальную.

Маршрутная съемка, удовлетворяющая требованиям мел­комасштабных карт, ведется по направлениям, расположенным преимущественно в крест простирания пород или складчатых комплексов. Кроме того, маршруты обязательно охватывают точки наилучшей обнаженности. Полученные данные распро­страняются на расположенную между маршрутными ходами площадь.

Площадная съемка, проводимая при картировании в мас­штабе 1:200 000—1:25 000, осуществляется на основе равно­мерной сети точек наблюдения, которыми являются естествен­ные и искусственные (картировочное бурение) обнажения. Ши­роко используются аэрофотоснимки, ведутся геофизические и геохимические работы.

Инструментальная съемка применяется при детальном картировании (масштаб 1:25 000 и крупнее). Точки распола­гают по равномерной сети, положение геологических границ и объектов наносится на топографическую основу инстру­ментально.

В последнее время при региональных исследованиях широ­кое развитие получили методы глубинного и объемного геоло­гического картирования. Они предназначены для изучения геологического строения глубокозалегающих горизонтов и структур. При картировании используются материалы наземных наблюдений, данные бурения, изучения горных выработок, а также геофизические и геохимические результаты.

В процессе комплексной геологической съемки, наряду с картированием коренных пород, производится съемка четвер­тичных отложений, а также проводятся специальные съемки: структурная, геоморфологическая, гидрогеологическая, инже­нерно-геологическая, металлогеническая, геофизические и др.

К дистанционным методам геологических исследований Земли относятся аэро- и космические методы. Аэрометоды пред­ставляют собой комплекс методов изучения земной поверхности, выполняемых визуально, фотосъемкой, геофизическими и други­ми приборами. Аэровизуальные методы позволяют ускорить на­земные геологические работы, увязать в единое целое результаты, полученные при съемке соседних районов.

Аэрофотографические методы дают возможность опреде­лить форму, размеры и положение элементов природного ланд­шафта и на основе их взаимосвязи с геологическим строением территории проводить геологическое дешифрирование стерео­пар аэрофотоснимков с помощью стереоскопа. Геологическое дешифрирование основано на использовании прямых и косвен­ных признаков. Прямыми признаками, характеризующими осо­бенности геологических объектов и их элементов, являются: выраженность геологических структур в рельефе, геометриче­ская форма, размеры и тон (цвет) изображений. К косвенным признакам относятся геоморфологические показатели, характер растительности, цвет и степень увлажнения почв, водные источ­ники и др.

Наиболее широко при аэрофотосъемке используются черно- белые аэрофотоснимки, которые передают до 35 оттенков между черным и белым цветами. Получили развитие цветная и спектро- зональная аэрофотосъемки, проведение которых увеличивает эф­фективность геологического дешифрирования. Аэрофотосъемку производят обычно в масштабах 1:10 ООО, 1:20 ООО, 1:25 ООО, 1:35 ООО, 1:50 ООО, 1:100 ООО, 1:200 ООО, применяются также масштабы 1:15 ООО, 1:18 ООО и 1:70 ООО.

Аэрогеофизические методы (аэромагнитные, аэрорадио­метрические, аэрогравиразведочные) основаны на измерении естественных и искусственных физических полей приборами, установленными на самолетах и вертолетах. В качестве вспомо­гательных методов аэрофотосъемки используются радиолока­ционная и инфракрасная аэросъемки.

Космические методы открыли новый этап в геологическом изучении Земли. Они основаны на визуальных наблюдениях, фотографировании телевизионных изображений поверхности Земли из космоса, а также на регистрации приборами различных видов излучения — теплового, инфракрасного, сверхвысокочас­тотного радиоизлучения, ультрафиолетового и др. Летчик- космонавт Г.С. Титов впервые сфотографировал Землю из кос­моса 6 августа 1961 г.

Из космофотоснимков, отражающих различные ландшафт­ные условия земной коры, составляются фотопланы, а после их дешифрирования — региональные геологические карты, харак­теризующиеся высокой точностью. Фотографирование прово­дится на черно-белой, цветной или спектрозональной пленке. Масштаб изображения зависит от высоты съемки. В настоящее время имеется возможность получить любой масштаб, вплоть до 1:100 000 000.

Дешифрирование основано на контрастно-аналоговом принципе, использовании геолого-геофизической информации и вычислительной техники. Вначале проводится ландшафтное рай­онирование космофотоплана по фототону или цветовым оттенкам изображений. Затем на основе анализа взаимосвязи единичных компонентов ландшафта с элементами геологического строения получают космогеологическую (или тектоническую) карту терри­тории. Наиболее четко дешифрируются разломы, соляные купола и другие геологические структуры. Региональные и глобальные тектонические структуры устанавливаются на большой глубине.

Космические методы обеспечивают получение принципи­ально новой информации о разрывной и складчатой тектонике и глубинной структуре земной коры. С помощью космических изображений выявлены многие важные элементы структуры глубинных слоев земной коры и верхней мантии, которые обычно очень слабо проявлены в структуре приповерхностных слоев. В 1979 г. на основе интерпретации данных геологического дешифрирования космофотоснимков, полученных с автомати­ческих спутников типа «Метеор», была составлена космогеологическая карта линейных и кольцевых структур территории СССР в масштабе 1:5 000 000. Она явилась первым опытом не­посредственного космогеологического картирования страны в обзорном масштабе. Это позволило выделить основные типы линейных и кольцевых структур, выяснить их распределение в пространстве и создать основу для последующих тектонических и минерагенических построений, а также интерпретации регио­нальных геофизических материалов.

Среди наук геологического цикла выделяются дисциплины, изучающие вещественный состав земной коры, ее строение, геологические процессы и их историческую последовательность, а также прикладные науки. Вещество земной коры изучают следующие дисциплины. Геохимия - наука о распреде­лении и процессах миграции химических элементов в земной коре и в Зем­ле в целом. Кристаллография изучает внутреннее кристаллическое строе­ние минералов. Минералогия занимается изучением состава, условий обра­зования и закономерностей распространения минералов.

Изучению горных пород посвящены петрография (греч. "петрос" -камень) и литология (учение об осадочных горных породах).

Современное строение и происхождение рельефа земной поверхности изучает геоморфология; развитие и строение земной коры - геотектоника (греч. "тектоника" - строительство), формы залегания горных пород -структурная геология.

Общие закономерности и последовательность процессов формирования земной коры изучает историческая геология. Историю земной коры иссле­дует также стратиграфия (лат. "стратум" - слой), рассматривающая пос­ледовательность образования и заложения слоистых толщ горных пород, и палеонтология (греч. "палеос" - древний, "онтос" - существо), научаю­щая развитие органического мира прошлых геологических эпох.

Динамическая геология - наука о геологических процессах, включает в качестве разделов сейсмологию - науку о землетрясениях и вулканологию. Вопросами геологического строения и развития отдельных регионов земной коры занимается региональная геология.

К геологическим прикладным наукам относятся:

• учение о месторожде­ниях полезных ископаемых, их поиске и разведке;

• гидрогеология - наука о происхождении, составе, условиях залегания и движении подземных вод;

• инженерная геология - наука о геологических условиях возведения и экс­плуатации инженерных сооружений;

• горнопромышленная геология - изучает геологическое обеспечение горного производства при проектировании, строительстве, эксплуатации и ликвидации горных предприятий.

Науки геологического цикла играют большую роль в общенаучном и народнохозяйственном аспектах. От них зависит решение задач обеспече­ния минерально-сырьевыми ресурсами, в том числе водными, а также обос­нование строительства различных инженерных объектов. Особенно велико значение геологии для горной науки и промышленности. В связи со значи­тельным исчерпанием полезных ископаемых в приповерхностных частях зем­ной коры ведущей задачей становится детальное изучение более глубоких зон на основе глубинной комплексной геологической съемки, картирования и разведки. Актуальная проблема комплексного использования полезных ископаемых решается на основе глубокого изучения вещественного состава месторождений.

Внедрение новых методов добычи полезных ископаемых, к которым от­носятся подземное выщелачивание руд (урана, меди, золота), калийных и каменных солей, подземная выплавка серы и подземная газификация углей, добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов, невозможно без всестороннего геологического изучения разрабатываемых объектов.

Поскольку процесс добычи минерального сырья выступает как мощней­ший техногенный фактор воздействия на земную кору, сопоставимый с гео­логическими процессами, на первый план выдвигается наука о рациональном использовании недр.