Краткое содержание теоретической части разделов и тем дисциплины

ГЕОЛОГИЯ

Лекция .1. Земля, ее строение и состав.

Общие сведения Земля – третья от Солнца планета, диаметр ее 12,74 тыс. км, площадь – 510 млрд. км², объем – 1,083 млрд. км³, масса – 5,98^.10²⁴ кг, плотность – 5,52 г/см³. Первоначально считалось, что Земля имеет шарообразную форму, предположенную Пифагором. В ХVIIIв. И. Ньютон определил ее форму как эллипсоид вращения, сжатый у полюсов. Полярный радиус Земли равен 6356 км, экваториальный – 6377 км, разница составляет 21 км. Такой эллипсоид, правильнее называемый сфероидом, должен быть сложен однородным по плотности материалом, что для Земли является неверным. Земля имеет неравномерное распределение масс по плотности, что создает неодинаковый наклон вектора силы тяжести и соответственно неровную, подчиняющуюся этому вектору поверхность. Такую, очень сложную поверхность Земли называют геоидом.

Строение Земли. Земной шар состоит из оболочек, концентрически окружающих друг друга. Различают внешние и внутренние оболочки. К внешним относятся атмосфера, гидросфера и биосфера, к внутренним – земная кора, мантия и ядро (рис. 1.1.).

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, подразделяется на тропосферу (высота до 10-17 км), стратосферу (высота до 80-100 км) и ионосферу (выше 100 км). Атмосфера имеет в основном азотно-кислородный состав, другими ее, компонентами являются аргон и углекислый газ.

Г идросфера – водная оболочка Земли. Большая часть воды Земли сосредоточена в Мировом океане (86,5%). Верхняя граница гидросферы определяется уровнем поверхности океана, нижняя довольно неопределенная, соответствует в земной коре температурному уровню 375⁰, при котором вода находится в состоянии пара.

Биосфера – живая оболочка Земли представляет собой сферическое пространство, в котором существуют живые зоо- и фитоорганизмы.

Земная кора – верхняя каменная оболочка Земли, сложена магматическими, метаморфическими и осадочными породами. Земная кора – это наиболее активный слой Земли – сфера магматических и тектонических процессов, она имеет неоднородное как по вертикали, так и горизонтали строение. По мощности и составу выделяют два типа земной коры:

Рис. 1.1. Оболочки Земли

континентальную и океаническую. Континентальная кора характеризуется наибольшей мощностью и состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового, мощность ее составляет 30-70 км. Океаническая кора имеет также три слоя: осадочный, базальтовый и габбро-серпентинитовый, общая их мощность составляет 5-15 км.

Мантия – самая крупная оболочка Земли, делится на верхнюю и нижнюю. Верхняя отличается сейсмической неоднородностью, считается, что она сложена Fe-Mg силикатными минералами: оливином, пироксеном, гранатом, встречаемыми в ксенолитах кимберлитовых трубок. Нижняя мантия более однородная соответствует составу кварца. Раздел между земной корой и мантией определяется как граница Мохоровичача (Мохо), где Т =1000⁰, Р =1,3 ГПа.

Ядро – самая плотная оболочка Земли, разделяется на внутреннее и внешнее ядра. Полагают, что внешнее ядро находится в состоянии близком к жидкому, внутреннее – твердое. Считается, что все ядро имеет Fe-Ni состав, близкий к составу метеоритов. Раздел между мантией и ядром называется границей Вихерта - Гутенберга, где Т =3000⁰, Р =140 ГПа.

Физические поля Земли. Земля обладает тепловым, магнитным и гравитационным полями. Тепловое поле имеет сложное строение, оно разделяется на поверхностную и глубинную составляющие. Поверхностная составляющая образована излучением Солнца, Доля этого излучения, падающего на Землю, невелика и составляет 0,5 млрд часть лучистой энергии Солнца, из которой треть отражается атмосферой и поверхностью Земли. В недра Земли солнечное тепло проникает на незначительную глубину, измеряемую метрами. Глубинное тепловое поле связано с источниками ее внутренней энергии, основным из которых является радиоактивный распад элементов: урана, тория, радиоактивного изотопа калия. Наибольшее содержание этих элементов приходится на породы гранитного слоя земной коры, с глубиной количество их уменьшается. Граница, разделяющая поверхностную и глубинную тепловые зоны, носит название пояса постоянной температуры. Ниже пояса постоянной температуры идет прогрессивный разогрев недр земной коры, который зависит от восходящего теплового потока и теплопроводности пород. Скорость увеличения температуры измеряется значением геотермического градиента – повышение температуры в градусах на каждые 100 м глубины. Среднее значение геотермического градиента для верхней части земной коры составляет 3⁰ на 100 м, а в целом колеблется от 1 до 10⁰.

Магнитное поле Земли проявляется в атмосфере, на поверхности и в недрах Земли, интенсивность его невелика, не более 1 эрстеда. По форме силовых линий внешнее магнитное поле Земли близко к полю так называемого диполя – элементарного очень малого магнита, мысленно помещенного в центр Земли, но смещенного относительно геометрического центра планеты в восточное полушарие на 430 км. Ось этого диполя отклонена от оси вращения Земли на 11⁰26^/, в связи с чем, магнитные полюса не совпадают с географическими. Соответственно угол между магнитным и географическим меридианами называется склонением, которое бывает восточным и западным и по величине не более 20⁰. Определяют еще наклонение – это угол наклона магнитной стрелки к горизонту. Точки земной поверхности, где наклонение равно 90⁰, называют магнитными полюсами. Линия, на которой наклонение равно 0, называется магнитным экватором. Она не совпадает с географическим экватором.

Гравитационное поле или поле силы тяжести обусловлено массой Земли, измеряется сила тяжести в галлах. Среднее значение силы тяжести на поверхности Земли – 981 галл.

Вещественный состав Земли. Под вещественным составом понимается химический (химические элементы), минералогический (минералы) и петрографический (горные породы) состав земной коры.

Химический состав земной коры изучает наука геохимия. Для установления ее состава исследуют горные породы, выходящие на поверхность и взятые из горных выработок и керна скважин. Непосредственному наблюдению земная кора доступна на глубину до 10 км, а в складчатых областях исследуются породы, выведенные на поверхность с глубины 15-20 км. Впервые попытка определения химического состава земной коры была сделана 150 лет назад английским минералогом Филипсом. В ХIX в. этой проблемой начал заниматься американский исследователь Ф.В.Кларк, посвятивший ей 50 лет жизни. Путем обработки 6000 химических анализов магматических пород он вычислил содержания 50 главнейших химических элементов. Позднее данные, полученные Ф.В.Кларком, уточнялись и дополнялись многими учеными-геохимиками – В.М.Гольдшмидтом, А.Е.Ферсманом, В.И.Вернадским, А.П.Виноградовым и др. В знак признания особой роли американского исследователя средние содержания отдельных химических элементов в земной коре названы кларком. Кларки принято выражать в весовых или атомных процентах.

Минеральный состав земной коры выражен минералами. Наука, занимающаяся изучением минералов, называется минералогией. Минерал («минера» - рудный штуф, кусок руды) – природное химическое соединение, образующееся в земной коре в результате различных физико-химических процессов. Минералы являются составными частями горных пород и руд и отличаются друг от друга по химическому составу и физическим свойствам. В настоящее время известно около 6000 минералов, многие из которых редкие. Наиболее распространенными являются примерно 100-150 минералов.

Определение минералов требует знаний их химического состава (классификации), свойств и условий образования. Минералы классифицируются по химическому составу и кристаллической структуре. Определяются следующие классы минералов.

1. Самородные минералы; 5. Соли кислородных кислот:

2. Галогениды; - карбонаты,

3. Сернистые соединения: - сульфаты,

сульфиды и их аналоги, - фосфаты,

сульфосоли; - вольфраматы,

4. Оксиды: простые и гидрооксиды; - силикаты

Петрографический состав земной коры выражен горными породами. Наука, изучающая горные породы, называется петрографией. Горные породы слагают литосферу – каменную оболочку Земли, состоящую из земной коры и верхней части верхней мантии. К горным породам относятся также осадки современных рек, озер, морей и океанов. В зависимости от условий образования выделяют три типа горных пород: магматические, осадочные и метаморфические. Каждый из этих типов характеризуется определенным минеральным составом и строением. Под строением понимается структура и текстура породы. Структурой называется особенность горной породы, выраженная ее составными частями (зернами, кристаллами), их формой, размером и степенью кристалличности. Текстурой называется особенность горной породы, выраженная характером распределения составных частей (минеральных агрегатов), их ориентировкой и плотностью.