Ямальская воронка образовалась в результате извержения криовулкана. Виды воды в горных породах

Геология и цикл геологических наук

Геология – одна из фундаментальных естественных наук, изучающая строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует сложные явления и процессы, протекающие на ее поверхности и в недрах. Современная геология опирается на многовековой опыт познания Земли и разнообразные специальные методы исследования. В отличии от других наук о Земле, геология занимается исследованием ее недр. Основные задачи геологии состоят в изучении наружной каменной оболочки планеты – земной коры и взаимодействующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли (внешние – атмосфера, гидросфера, биосфера; внутренние – мантия и ядро).

Объектами непосредственного изучения геологии являются минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, геологические процессы.

Геология тесно связана с другими науками о Земле, например с астрономией, геодезией, географией, биологией. Геология опирается на такие фундаментальные науки как математика, физика, химия. Геология является синтетической наукой, хотя в то же время распадается на множество взаимосвязанных отраслей, научных дисциплин, изучающих Землю в разных аспектах и получающих сведения об отдельных геологических явлениях и процессах. Так, изучением состава литосферы занимаются: петрология, исследующая магматические и метаморфические породы, литология, изучающая осадочные горные породы, минералогия – наука, изучающая минералы как природные химические соединения и геохимия – наука о распределении и миграции химических элементов в недрах земли.

Геологические процессы, формирующие рельеф земной поверхности, изучает динамическая геология, частью которой являются геотектоника, сейсмология и вулканология.

Раздел геологии, занимающийся изучением истории развития земной коры и Земли в целом, включает стратиграфию, палеонтологию, региональную геологию и носит название «Историческая геология.

Есть в геологии науки, имеющие большое практическое значение. Такие, как о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология.

В последние десятилетия появились и приобретают все большее значение науки связанные с исследованием космоса (космическая геология), дна морей и океанов (морская геология).

Наряду с этим есть геологические науки, находящиеся на стыке с другими естественными науками: геофизика, биогеохимия, кристаллохимия, палеоботаника. К таковым относятся также геохимия и палеогеография. Наиболее близкая и разносторонняя связь геологии с географией. Для географических наук, таких как ландшафтоведение, климатология, гидрология, океанография, более всего важны геологические науки, изучающие процессы, влияющие на формирование рельефа земной поверхности и историю образования земной коры всей Земли.

Абсолютный и относительный возраст земли, геохронологическая шкала.

Возраст Земли как планеты по последним данным оценивается ~ 4,6 млрд. лет. Изучение метеоритов и лунных пород также подтверждает эту цифру. Однако самые древние породы Земли, доступные непосредственному изучению, имеют возраст около 3,8 млрд. лет. Поэтому весь более древний этап истории Земли носит название до геологической стадии. Объектом же геологического изучения является история Земли за последние 3,8 млрд. лет, которая выделяется в ее геологическую стадию.

Для выяснения закономерностей и условий образования г.п. необходимо знать последовательность их образования и возраст, т.е. установить их геологическую хронологию.

Различают относительный возраст г.п. (относительная геохронология) иабсолютный возраст г.п. (абсолютная геохронология).

Установлением возраста г.п. занимается наука стратиграфия (лат. Stratum - слой).

Абсолютный возраст горных пород и методы его определения.

Абсолютная геохронология устанавливает возраст г.п. в единицах времени. Определение абсолютного возраста необходимо для корреляции и сопоставления биостратиграфических подразделений различных участков Земли, а также установления возраста лищенных палеонтологических остатков фанерозойских и долембрийских пород.

К методам определения абсолютного возраста пород относятся методы ядерной (или изотопной геохронологии) и не радиологические методы

Методы ядерной геохронологии в наше время являются наиболее точными для определения абсолютного возраста г.п., в основе которых лежит явление самопроизвольного превращения радиоактивного изотопа одного элемента в стабильный изотоп другого. Суть методов состоит в определении соотношений между количеством радиоактивных элементов и количеством устойчивых продуктов их распада в горной породе. По скорости распада изотопа, которая для определенного радиоактивного изотопа есть величина постоянная, количеству радиоактивных и образовавшихся стабильных изотопов, рассчитывают время, прошедшее с начала образования минерала (соотв. И породы).

Разработано большое число радиоактивных методов определения абсолютного возраста: свинцовый, калиево-аргоновый, рубидиево-стронциевый, радиоуглеродный и др. (выше установленный возраст Земли 4,6 млрд. лет не установлен с применением свинцового метода).

Не радиологические методы уступают по точности ядерным.

Соляной метод был применен для определения возраста Мирового океана. Он основан на предположении, что воды океана были первоначально пресными, то, зная современное количество солей с континентов, можно определить время существования Мирового океана (~ 97 млн. лет).

Седиментационный метод основан на изучении осадочных пород в морях. Зная объем и мощность морских отложений в з.к. в отдельных системах и объем минерального вещества, ежегодно сносимого в моря с континентов можно вычислить продолжительность их наполнения.

Биологический метод базируется на представлении о сравнительно равномерном развитии орг. мира. Исходный параметр - продолжительность четвертичного периода 1,7 - 2 млн. лет.

Метод подсчета слоев ленточных глин, накапливающихся на периферии тающих ледников. Глинистые осадки откладываются зимой, а песчаные летом и весной, т.о. каждая пара таких слоев результат годичного накопления осадков (последний ледник на Балтийском море прекратил свое движение 12 тысяч лет назад).

Цвет минерала

Вопрос о природе цветовой окраски минералов очень сложен. Природа окрасок некоторых минералов еще не определена. В лучшем случае цвет минерала определяется спектральным составом отражаемого минералом светового излучения или обуславливается его внутренними свойствами, каким-либо химическим элементом, входящим в состав минерала, тонко рассеянными включениями других минералов, органического вещества и другими причинами. Красящий пигмент иногда бывает, распространен неравномерно, полосами, давая разноцветные рисунки (например, у агатов).

Цвет некоторых прозрачных минералов меняется в связи с отражением падающего на них света от внутренних поверхностей, трещин или включений. Это явления радужной окраски минералов халькопирита, пирита и иризации – голубые, синие переливы лабрадора.

Некоторые минералы многоцветны (полихромные) и имеют разную окраску по длине кристалла (турмалин, аметист, берилл, гипс, флюорит и др.).

Цвет минерала иногда может быть диагностическим признаком. Например, водные соли меди имеют зеленый или синий цвет. Характер цвета минералов определяется визуально обычно путем сравнения наблюдаемого цвета с общеизвестными понятиями: молочно-белый, светло-зеленый, вишнево-красный и т.п. этот признак не всегда характерен для минералов, так как цвета многих из них сильно варьируют.

Цвет черты

Более надежным диагностическим признаком, чем цвет минерала, является цвет его порошка, оставляемого при царапании испытуемым минералом матовой поверхности фарфоровой пластинки. В ряде случаев совпадает с цветом самого минерала, в других он совсем иной. Так, у киновари окраска минерала и порошка красные, а у латунно-желтого пирита черта зеленовато-черная. Черту дают мягкие и средней твердости минералы, а твердые лишь царапают пластинку и оставляют на ней борозды.

Прозрачность

По своей способности пропускать свет минералы делятся на несколько групп:

• прозрачные (горный хрусталь, каменная соль) – пропускающие свет, через них ясно видны предметы;
• полупрозрачные (халцедон, опал) – предметы, через них плохо видны предметы;
• просвечивающие только в очень тонких пластинках;
• непрозрачные – свет не пропускают даже в тонких пластинках (пирит, магнетит).

Блеск

Блеском называется способность минерала отражать свет. Строгого научного определения понятия блеск не существует. Различают минералы с металлическим блеском как у полированных минералов (пирит, галенит); с полуметаллическим (алмазным, стеклянным, матовым, жирным, восковым, перламутровым, с радужными переливами, шелковистым). Многие физические свойства являются важными диагностическими признаками при определении минералов.

Спайность

Явление спайности у минералов определяется сцеплением частиц внутри кристаллов и обусловлено свойствами их кристаллических решеток. Раскол минералов происходит легче всего параллельно наиболее плотным сеткам кристаллических решеток. Эти сетки наиболее часто и в наилучшем развитии проявляются и во внешнем ограничении кристалла.

Количество плоскостей спайности у разных минералов неодинаково, достигает шести, причем степень совершенства разных плоскостей может быть неодинаковой. Различают следующие виды спайности:

• весьма совершенную , когда минерал без особого усилия расщепляется на отдельные листочки или пластинки, обладающие гладкими блестящими поверхностями – плоскостями спайности (гипс).
• совершенную , обнаруживаемую при легком ударе по минералу, который рассыпается на кусочки, ограниченные только ровными блестящими плоскостями. Неровные поверхности не по плоскости спайности получаются очень редко (кальцит раскалывается на правильные ромбоэдры разной величины, каменная соль – на кубики, сфалерит – на ромбические додекаэдры).
• среднюю , которая выражается в том, что при ударе по минералу образуются изломы как по плоскостям спайности, так и по неровным поверхностям (полевые шпаты – ортоклаз, микроклин, лабрадор)
• несовершенную . Плоскости спайности в минерале обнаруживаются с трудом (апатит, оливин).
• весьма несовершенную . Плоскости спайности в минерале отсутствуют (кварц, пирит, магнетит). В то же время иногда кварц (горный хрусталь) встречается в хорошо ограненных кристаллах. Поэтому следует отличать естественные грани кристалла от плоскостей спайности, выявляющихся при изломе минерала. Плоскости могут быть параллельны граням и отличаться более «свежим» видом и более сильным блеском.

Излом

Характер поверхности, образующейся при разломе (расколе) минерала различный:

1. Ровный излом , если раскол минерала происходит по плоскостям спайности, как, например, у кристаллов слюды, гипса, кальцита.

2. Ступенчатый излом получается при наличии в минерале пересекающихся плоскостей спайности; он может наблюдаться у полевых шпатов, кальцита.

3. Неровный излом характеризуется отсутствием блестящих участков раскола по спайности, как, например, у кварца.

4. Зернистый излом наблюдается у минералов с зернисто-кристаллическим строением (магнетит,хромит).

5. Землистый излом характерен для мягких и сильно пористых минералов (лимонит, боксит).

6. Раковистый – с выпуклыми и вогнутыми участками как у раковин (апатит, опал).

7. Занозистый (игольчатый) – неровная поверхность с ориентированными в одном направлении занозами (селенит, хризотил-асбест, роговая обманка).

8. Крючковатый – на поверхности раскола возникают крючковатые неровности (самородная медь, золото, серебро). Этот вид излома характерен для ковких металлов.

Твердость

Твердость минералов – это степень сопротивляемости их наружной поверхности проникновению другого, более твердого минерала и зависит от типа кристаллической решетки и прочности связей атомов (ионов). Определяют твердость царапанием поверхности минерала ногтем, ножом, стеклом или минералами с известной твердостью из шкалы Мооса, в которую входят 10 минералов с постепенно возрастающей твердостью (в относительных единицах).

Относительность положения минералов по степени возрастания их твердости видна при сравнении: точные определения твердости алмаза (твердость по шкале равна 10) показали, что она более чем в 4000 раз выше, чем у талька (твердость – 1).

Шкала Мооса

Главная масса минералов имеет твердость от 2 до 6. Более твердые минералы – это безводные окислы и некоторые силикаты. При определении минерала в породе необходимо убедиться, что испытывается именно минерал, а не порода.

Удельный вес

Удельный вес изменяется от 0,9 до 23 г/см 3 . У большей части минералов он составляет 2 – 3,4 г/см 3 , рудные минералы и самородные металлы имеют наивысший удельный вес 5,5 – 23 г/см 3 . Точный удельный вес определяется в лабораторных условиях, а в обычной практике – «взвешиванием» образца на руке:

Легкие (с удельным весом до 2,5 г/см3) – сера, каменная соль, гипс и другие минералы;

Средние (2,6 – 4 г/см3) – кальцит, кварц, флюорит, топаз, бурый железняк и другие минералы;

С большим удельным весом (больше 4). Это барит (тяжелый шпат) – с удельным весом 4,3 – 4,7, сернистые руды свинца и меди – удельный вес 4,1 – 7,6 г/см 3 , самородные элементы – золото, платина, медь, железо и т.д. с удельным весом от 7 до 23 г/см 3 (осмистый иридий – 22,7 г/см 3 , платиновый иридий – 23 г/см 3).

Магнитность

Свойство минералов притягиваться магнитом или отклонять магнитную стрелку компаса является одним из диагностических признаков. Сильно магнитными минералами являются магнетит и пирротин.

Ковкость и хрупкость

Ковкими являются минералы, изменяющие свою форму при ударе молотком, но не рассыпающиеся (медь, золото, платина, серебро). Хрупкие – рассыпаются при ударе на мелкие кусочки.

Электропроводность

Электропроводность минералов – это способность минералов проводить электрический ток под действием электрического поля. В противном случае минералы относятся к диэлектрикам, т.е. не проводящим ток.

Горючесть и запах

Некоторые минералы загораются от спички и создают характерные запахи (сера – сернистого газа, янтарь – ароматический запах, озокерит – удушливый запах угарного газа). Запах сероводорода появляется при ударе по марказиту, пириту, при растирании кварца, флюорита, кальцита. При трении кусочков фосфорита друг о друга появляется запах жженой кости. Каолинит при смачивании приобретает запах печки.

Вкус

Вкусовые ощущения вызывают только хорошо растворимые в воде минералы (галит – соленый вкус, сильвин – горько соленый).

Шероховатость и жирность

Жирными, слегка мажущими являются тальк, каолинит, шероховатыми – боксит, мел.

Гигроскопичность

Это свойство минералов увлажняться, притягивая молекулы воды из окружающей среды, в том числе из воздуха (карналлит).

Некоторые минералы реагируют с кислотами. Для опознавания минералов, которые по химическому составу являются солями угольной кислоты, удобно пользоваться реакцией вскипания их со слабой (5 – 10%) соляной кислотой.

Факторы метаморфизма.

Изменение магматических и осадочных пород в твердом состоянии под воздействием эндогенных факторов и называется метаморфизмом.

Решающее влияние на метаморфизм горных пород оказывают давление, температура и флюиды.

Температура. Источниками тепла в земной коре являются распад радиоактивных элементов; магматические расплавы, которые, остывая, отдают тепло окружающим горным породам; нагретые глубинные флюиды; тектонические процессы и ряд других факторов. Геотермический градиент, т.е. количество градусов на 1 км глубины, меняется от места к месту на земном шаре и разница может составлять почти 100o С. В пределах устойчивых, жестких блоков земной коры, например на щитах древних платформ, геотермический градиент не превышает 6-10o С, в то время как в молодых растущих горных сооружениях может достигать почти 100o С. Температура резко ускоряет протекание химических реакций, способствует перекристаллизации вещества, сильно влияет на процессы минералообразования. Возрастание температуры приводит к обезвоживанию (дегидратации) минералов, формированию более высокотемпературных минеральных ассоциаций, лишенных воды, декарбонатизации известняков и т. д. Обычно метаморфические преобразования начинаются при Т выше 300o С, а прекращаются, когда Т достигает точки плавления развитых в данном месте горных пород.

Давление подразделяется на всестороннее (литостатическое), обусловленное массой вышележащих горных пород, и стрессовое, или одностороннее, связанное с тектоническими направленными движениями. Всестороннее литостатическое давление связано не только с глубиной, но также и с плотностью пород, и на глубине 10 км может превышать 200 мПа, а на глубине 30 км - 600-700 мПа. При геотермическом градиенте в 25 град/км плавление горных пород может начаться на глубине около 20 км. При высоких давлениях породы переходят в пластичное состояние- Одностороннее стрессовое давление лучше всего проявляется в верхней части земной коры складчатых зон и выражается в образовании определенных структурно-текстурных особенностей породы и специфических стресс-минералов, таких, как глаукофан, дистен и др. Стрессовое давление вызывает механические деформации горных пород, их дробление, рассланцевание, увеличение растворимости минералов в направлении давления. В подобные милонитизированные зоны проникают флюиды, под воздействием которых породы испытывают перекристаллизацию.

Флюиды, к которым относятся H2O, CO2, CO, CH4, H2, H2S, SO2 и другие переносят тепло, растворяют минералы горных пород, переносят химические элементы, активно участвуют в химических реакциях и играют роль катализаторов. Значение флюидов иллюстрируется тем, что в <сухих системах>, т. с. лишенных флюидов, даже при наличии высоких давлений и температур метаморфические изменения почти не происходят.

Осадочные горные породы.

Осадочные горные породы образовались на поверхности литосферы в результате накопления минеральных масс, полученных в процессе разрушения магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Процессы разрушения горных пород литосферы и накопления новых пород на поверхности земли идут повсеместно: в пустынях, где энергичную работу ведет ветер; вдоль морских и океанических берегов, где волны перемещают обломочный материал; на дне глубоких частей морей и океанов, где отмирающие организмы дают начало толщам осадочных пород. Условия образования накладывают существенный отпечаток на облик осадочных пород. В одних случаях они состоят из обломков ранее разрушенных горных пород, в других - из скопления органических остатков, в третьих - из кристаллических зерен, выпавших из раствора.

Осадочные породы в зависимости от происхождения резко отличаются друг от друга. Поэтому их принято подразделять на три группы:

Обломочное происхождение

Химическое происхождение

Органогенное происхождение

Осадочные породы представляют особый интерес для строителей, так как они служат основаниями и средой для различных сооружений и повсеместно доступны в качестве строительных материалов. Они имеют вторичное происхождение, поскольку исходным материалом для их формирования являются продукты разрушения ранее существовавших пород. Процесс образования осадочных пород протекает по схеме: физическое и химическое выветривание пород, механический и химический перенос, отложение и накопление продуктов их разрушения и, наконец, уплотнение и цементация рыхлого осадка с превращением его в породу. Общими свойствами осадочных пород являются одинаковые формы залегания в виде пластов, с которыми связаны их характерные текстурные признаки - слоистость и пористость. Последняя особенно важна, так как оказывает большое влияние на физико-механические свойства пород: прочность, плотность и среднюю плотность, водопоглощение, морозостойкость, механическую обработку и др.

Осадочные породы отличаются многообразием структур с широким варьированием формы, размеров частиц и их соотношения у различных представителей. Для них характерно значительное разнообразие минеральных компонентов, более простых по химическому составу и являющихся преимущественно осадочными новообразованиями, совпадающими по составу с некоторыми магматическими минералами. Среди породообразующих минералов встречаются осажденные из водных растворов карбонаты, сульфаты, водный кремнезем; вторичные (глинистые) продукты выветривания материнских пород - каолинит, монтмориллонит; слюдистые минералы, гидроксиды А1 и Fe; реликтовые минералы, сохранившиеся без изменения, - магматический кварц, полевые шпаты, а также обломки пород различного генезиса и остатки организмов. Некоторые представители осадочных пород растворяются в воде, например каменная соль, гипс, известняки.

Классификация грунтов.

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

Класс - по общему характеру структурных связей;

Группа - по характеру структурных связей (с учетом их прочности);

Подгруппа - по происхождению и условиям образования;

Тип - по вещественному составу;

Вид - по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств);

Разновидности - по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов.

Класс природных скальных грунтов - грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными) подразделяют на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности согласно таблице 1.

Класс природных дисперсных грунтов - грунты с водноколлоидными и механическими структурными связями подразделяют на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности

Класс природных мерзлых грунтов* - грунты с криогенными структурными связями подразделяют на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности

Класс техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грунтов - грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека, подразделяют на группы, подгруппы, типы и виды

Частные классификации по вещественному составу, свойствам и структуре скальных, дисперсных и мерзлых грунтов (разновидности) представлены в приложении Б.

По своему происхождению горные породы они подразделяются на:

Магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания магмы; они имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты;

Осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания горных пород с помощью воды и воздуха и образуют скальные и нескальные грунты;

Метаморфические, которые образовались в результате действия на метаморфические и осадочные породы высоких температур и больших давлений; они классифицируются как скальные грунты.

Верховода, характеристика.

Верховодкой называют временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Эта зона располагается на небольшой глубине от поверхности, над горизонтом грунтовых вод, где часть пор пород занята связанной водой, другая часть – воздухом.

Верховодка образуется над случайными водоупорами (или полуводоупорами), в роли, которых могут быть линзы глин и суглинков в песке, прослойки более плотных пород. При инфильтрации вода временно задерживается и образует своеобразный водоносный горизонт. Чаще всего это бывает связанно с периодом обильного снеготаяния, периодом дождей. В остальное время вода верховодки испаряется и просачивается в нижележащие грунтовые воды.

Другой особенностью верховодки является вохможность ее образования даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорных пропластков. Например, в толщу суглинков обильно поступает вода, но вследствие низкой водопроницаемости просачивание происходит замедленно и в верхней части толщи образуется верховодка. Через некоторое время эта вода рассасывается.

В целом для верховодки характерно: временный, чаще сезонный характер, небольшая площадь распространения, малая мощность и безнапорность. В легко водопроницаемых породах, например в песках, верховодка возникает сравнительно редко. Для нее наиболее типичны различные суглинки и лессовые породы.

Верховодка представляет значительную опасность для строительства. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооружений (подвалы котельные) она может вызвать их подтопление, если заранее не были предусмотрены меры дренирования или гидроизоляции. В последнее время в результате значительных утечек воды (водопровод, бассейны) отмечено появление горизонтов верховодок на территории промышленных объектов и новых жилых районов, расположенных в зоне расположения лессовых пород. Это представляет серьезную опасность, так как грунты оснований снижают свою устойчивость, затрудняется эксплуатация зданий и сооружений.

При инженерно-геологических изысканиях, проводимых в сухое время года, верховодка не всегда обнаруживается. Поэтому ее появление для строителей может быть неожиданным.

Воды зоны аэрации.

Как правило, зона аэрации имеет слои грунта различные по своей водопроницаемости. Поэтому, во время выпадения дождей, в зоне аэрации может образовываться временный водоносный горизонт, который называется верховодкой. Верховодка особенно характерна при зимней оттепели и весной, когда в грунте ещё сохраняется водонепроницаемый слой сезонной мерзлоты, а тающий на поверхности снег обеспечивает интенсивное насыщение почвы водой. Весенняя верховодка часто является причиной затопления подвалов зданий.

Наличие влаги в зоне аэрации объясняется тем, что все капиллярно-пористые системы, в частности которой и является зона аэрации сложенная песками обладает способностью всасывать влагу из воздуха, удерживать и накапливать ее в своих порах. После чего накопленная влага может "стекать" из зоны аэрации в водоносный горизонт, пополняя его запасы. Эта способность возрастает с уменьшением влажности грунта, понижением его температуры и увеличением содержания в нем солей. Благодаря процессам внутригрунтовой конденсации водяных паров даже в пустынях, где влажность воздуха минимальна, под барханами образуются линзы пресной воды.

Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде верховодк, грунтовых, артизеанских, трещинных и вод вечной мерзлоты. Верховодки- это временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Верховодки образуются над случайными водоупорами- линзы глин и суглинков, при инфильтрации вода задерживается и образует водоносные горизонты. Это связанно с периодом обильного снеготаяния, периодом дождей. Также это появляется вследствие низкой водопронинцаемости грунта.

Для обеспечения зоны аэрации, для дыхания корней, правильного разложения органического вещества в почве должен происходить газообмен, при котором весь объем воздух в корнеобитаемом слое будет обновляться не больше, чем за 8 суток. Для нормального роста и развития растений в почве одновременно должны содержаться в определенном соотношении воздух и вода. При недостатке воды корни растений не могут подать требуемое количество ее к листьям (почвенная засуха). В сухой почве много воздуха, вследвие чего активизируется деятельность аэробных бактерий, а это приводит к быстрому разложение органического вещества. При малом содержании воды в почве повышается концентрация почвенного раствора и растения не могут использовать его. При избытке воды, содержание воздуха уменьшается и ухудшается дыхание корней, замедляются процессы разложения органического вещества.

Таким образом, от количества воды в почве зависит степень обеспечения ею растений, содержания в почве воздуха, тепловой и питательный режим в почве, т.е. ее плодородие. Оптимальная влажность почвы для разных растений различна (табл.). чем в почве больше питательных веществ, тем выше оптимум влажности.

Плывуны и псевдоплывуны.

ПЛЫВУН (а. drift sand, floating sand, running sand, quicksand; н. Schwimmsand; ф. terrain соulant, sable aquifere; и. arena movediza, roca pastosa, fluidez de suelo) - насыщенные водой рыхлые слаболитифицированные, главным образом песчаные породы, способные растекаться и оплывать.

Различают истинный и ложный плывун. Истинный плывун состоит из тонкозернистых и пылеватых песков, а также грунтов, содержащих гидрофильные коллоиды, выполняющие роль смазки. Характерная особенность этих плывунов - большая подвижность и способность быстро переходить в плывунное состояние при незначительном механическом воздействии, особенно при сотрясении или вибрации. При малой влажности и высокой плотности плывун обладает значительной прочностью. При влажности выше некоторой критической плывуны могут течь как единое целое под действием незначительных напряжений. Истинный плывун при промерзании подвергается сильному пучению, слабо фильтрует воду, высыхая, приобретает связность. В отличие от высокодисперсных пластичных грунтов пластические свойства истинных плывунов являются временными и после снятия нагрузки постепенно исчезают. Ложные плывуны не содержат коллоидных частиц, и их плывунные свойства проявляются при значительных напорных градиентах. По мере увеличения плотности ложные плывуны часто теряют плывунные свойства.

Плывуны осложняют ведение горных работ при проходке горных выработок, строительстве котлованов, сооружений, тоннелей и др. В качестве защитных мероприятий при проходке в плывунах применяют специальные щиты, кессоны, опускные колодцы, замораживание, опережающую проходку и закрепление плывунов.

Виды воды в горных породах.

В зависимости от физического состояния, подвижности и характера связи с грунтом выделяют несколько видов воды в грунтах: химически и физически связанная, капиллярная, свободная, вода в твердом и парообразном состоянии.

Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов, например гипса, медного купороса. Вода из таких минералов может быть удалена в большинстве случаев лишь при нагревании до 300-400 С.

Физически связанная вода удерживается на поверхности минералов и частиц грунта молекулярными силами и может быть удалена из грунта только при температуре не менее 90-120 С. Этот вид воды подразделяют на гигроскопическую и пленочную.

Гигроскопическая вода образуется вследствие адсорбции частицами грунта молекул воды. На поверхности частиц гигроскопическая вода удерживается молекулярными и электрическими силами.

Пленочная вода образует пленку поверх гигроскопической воды, когда влажность грунта становится выше его максимальной гигроскопичности. Эта вода может передвигаться от одной частицы грунта к другой.

Капиллярная вода образуется в порах грунта после насыщения их пленочной водой, заполняет поры и тонкие трещины и перемещается в них под действием капиллярных сил Капиллярную воду в порах грунта подразделяют на капиллярно-подвешенную, образующуюся в верхней части почвенного слоя, питающуюся атмосферными осадками и не связанную с нижерасположенными грунтовыми водами; капиллярно-поднятую, располагающуюся в виде капиллярной зоны над уровнем грунтовых вод и тесно с ним связанную; капиллярно-разобщенную, находящуюся в остальной толще грунта. Капиллярная вода через поверхность почвы или листья растений испаряется, играет важную роль в насыщении почв водами, режиме грунтовых вод и питании растений.

Свободная вода – наиболее подвижный и важный компонент подземных вод. Эта вода в жидком виде находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и градиентов гидростатического давления.

Вода в твердом состоянии находится в грунте в виде кристаллов, прослоек и линз льда.

Вода в парообразном состоянии заполняет вместе с воздухом не занятые водой пустоты в грунтах.

Полевые испытания грунтов.

Полевые методы исследования грунтов используются при выполнении инженерно-геологических изысканий, для оценки прочностных и деформационных свойств грунтов, для получения гидрогеологических параметров, в условиях естественного залегания пород. Исследования проводятся на площадке (трассе) проектируемых или реконструируемых инженерных сооружений. Проведение работ требует наличия специальной техники и оборудования. Полевые методы исследования грунтов имеют различное предназначение и решают разнообразные задачи:

исследование физических, прочностных и деформационных свойств грунтов в условиях их естественного залегания;

получения информации о условиях залегания подземных вод, слоев пород, их генезисе;

получение гидрогеологических параметров и характеристик массива грунтов.

методами полевых исследований грунтов:

статическое зондирование;

испытание штампом;

испытание прессиометром;

испытание на срез целика грунтов;

опытно-фильтрационные работы.

Статическое зондирование относится к специальным методам получения инженерно-геологической информации. Современные возможности существенно расширили спектр информации, которую можно получить при применении этого полевого метода исследования грунтов. Значительно увеличилась глубина проведения испытания до 45 м (в зависимости от литологического состава массива).

Статическое зондирование, как метод полевых исследований грунтов, обладает широкими технологическими возможностями для выполнения пробоотбора образцов пород и подземных вод, а также специальных исследований грунтов в условиях естественного залегания.

Материалы, полученные при статическом зондировании, могут использоваться для решения следующих основных задач:

расчленение геологического разреза на отдельные слои (инженерно-геологические элементы), идентификация их по площади и по глубине;

типизация и классифицирование грунтов по составу, состоянию и свойствам;

исследование пространственной изменчивости свойств грунтов для выбора наиболее обоснованных расчётных моделей оснований;

определение показателей физико-механических свойств грунтов на основе как эмпирических интерпретационных формул, так и аналитических решений;

решение задач проектирования и расчёта оснований (например, определение расчётной нагрузки на сваю, расчётного сопротивления грунта, осадок сваи и свайного основания).

В 2014 году в центральном районе Ямальского полуострова был найден странный провал в земле: круглая воронка имела диаметр около 20 метров и глубину около 50 метров. Ее происхождение с тех пор оставалось загадкой. Группа ученых из МГУ, исследовав пробы многолетнемерзлых пород, установила, что эта воронка сформировалась благодаря явлению, ранее не наблюдавшемуся на Земле. Опубликованная на прошлой неделе в журнале Scientific Reports статья описывает ее формирование в терминах криовулканизма, тем самым не только предлагая новый механизм образования этих необычных кратеров, но и впервые описывая земной криовулкан.

Летом 2014 года в центральной части полуострова Ямал неподалеку от газового месторождения Бованенковское было найдено необычное геологическое образование: почти круглый кратер диаметром 20 метров и глубиной около 50 метров (рис. 1). Было выдвинуто множество гипотез о его происхождении, включая падение метеорита и миграцию биогенных газов из-за оттаивания вечной мерзлоты (см., например, M. Leibman et al., 2014. New permafrost feature-deep crater in central Yamal (West Siberia, Russia) as a response to local climate fluctuations , V. Olenchenko et al., 2015. Results of geophysical surveys of the area of «Yamal crater», the new geological structure), но все они имели свои недостатки. В принципе, образование кратероподобных структур в результате геокриологических процессов - явление редкое, но не экстраординарное (J. Mackay, 1979. Pingos of the Tuktoyaktuk Peninsula Area, Northwest Territories). К примеру, в 2017 году на Ямале было зарегистрировано формирование двух похожих кратеров, но значительно меньшего размера.

Ямальский кратер находится в зоне вечной мерзлоты со среднегодовыми температурами от −1°C до −5°C и объемной долей льда 30–65%, часто сконцентрированного в ледяных линзах . Благодаря современным технологиям даже удалось выяснить примерное время формирования структуры: до 2013 года, по данным космических снимков, на месте кратера находился крупный бугор пучения (см. картинку дня «Пинго или бугры пучения»), около 8 метров в высоту и 50–55 метров в диаметре.

По линии, пересекающей кратер, ученые пробурили несколько скважин и получили керны (цилиндрические столбики породы, вынимаемые из скважины) многолетнемерзлых пород (рис. 2). Одна из скважин, находившаяся в пяти метрах к северу от кратера, вскрыла крупную линзу льда на глубине 5,8 м. Несмотря на то, что глубина этой скважины была 17 м, до нижней границы линзы добраться не удалось. Из этой линзы и соседних скважин были отобраны пробы для дальнейшего изучения. Они состояли изо льда, гуминовых кислот и минеральных включений. Анализы показали, что ученые имеют дело с двумя разными типами вечной мерзлоты, содержащей древние морские отложения: первый тип почти не тронут термокарстом (процессом оттаивания и разрушения вечной мерзлоты), а второй, наоборот, интенсивно им переработан. Лед в пробах первого типа содержал малые количества металлов и органического углерода, а лед из проб второго типа содержал углеродные соединения органического происхождения до 3,5 г/литр и включения темно-коричневых растворов щелочного состава (pH 8–9,5). Другое различие наблюдалось между ледяной и осадочной составляющими проб: концентрация металлов была незначительной в древних осадках (за исключением SiO 2 , CaO, Na 2 O) и сравнительно высокой в ледяных пробах. Это может быть интерпретировано как результат длительного взаимодействия грунтовых и талых вод, что ведет к мысли, что на месте кратера когда-то существовало озеро с большой оттаявшей зоной под ним (таликом).

Главной особенностью изученных образцов является необычно высокая концентрация газов, достигающая в отдельных пробах 20 объемных процентов. В основном это CO 2 и N 2 . А вот метана - предполагаемого виновника образования кратера - оказалось мало (первые проценты). Это, а также результаты изотопного анализа, указывало, что источник газов не месторождение Бованенково, как считалось ранее. Преобладание среди углеводородов высших нормальных алканов (C 19 H 40 и соединения с бо льшим числом атомов углерода) показало, что они образовались в результате разложения растительных останков.

По результатам математического моделирования была установлена последовательность событий, предшествовавших формированию кратера. Сначала под долгоживущим термокарстовым озером (жидкая вода при положительной температуре) вечная мерзлота оттаивает (рис. 3, А), формируя талик размером примерно, как у современного сухого озера, в центре которого находится кратер. По оценкам геокриологов, формирование 60–70 метровой зоны протаивания занимает примерно 3000 лет. При высыхании озера оттаявшая зона начинает обратно замерзать от краев к центру (рис. 3, В). На финальных стадиях жизни озера его дно промерзает, формируя ледяную крышку над еще не до конца замерзшим таликом (рис. 3, С). Оставшаяся вода под давлением растущего льда начинает выжиматься наружу, формируя бугор пучения, существовавший последнюю сотню лет (рис. 3, D).

На основании содержания газов в изученных образцах предполагается, что растворенные газы составляли около 14 объемных процентов талика. При замерзании часть этих газов мигрировала в окружающие породы, избежав замерзания, а часть (в основном - хорошо растворимый в воде CO 2) осталась в талике, увеличивая давление и способствуя образованию бугра пучения. Из-за воды под промерзшей крышкой льда толщиной 6–8 метров давление в талике может достигать 5 бар, но для ее прорыва требуется около 10 бар. Это значение вполне достижимо, если учесть вклад газовой составляющей. В нижней же части талика давление доходит до 15 бар, что делает возможным образование клатратов CO 2 (сценарий, реализуемый если жидкость насыщена газом). Если бы газа было мало, то при разрушении пинго произошел бы только небольшой выброс воды, но никак не извержение и образование кратера.

Перед извержением в талике наблюдалась слоистая структура: талые почвы с большим количеством клатратов углекислого газа внизу, вода с растворенным газом в середине и преимущественно газ в верхней части (рис. 4, А). Извержение было спровоцировано формированием ледяных клиньев по трещинам в промерзшей шапке и состояло из трех стадий:
1) Пневматическая стадия (первые минуты): дегазация из верхней камеры талика, выброс струй углекислого газа (рис. 4, В). Разлет почвы на большие дистанции и повреждение растительности холодной газовой струей.
2) Гидравлическая стадия (несколько часов): излияние воды из кратера (рис. 4, С) - сброс давления вызвал вспенивание воды, насыщенной газом (эффект, сходный со струей шампанского после удаления пробки). Полное пробитие ледяной шапки и начало формирования вала вокруг кратера.
3) Фреатическая стадия (5–25 часов): разложение газовых гидратов в нижнем слое почвы и вынос её на поверхность с возникающей пеной (рис. 4, D). Так как разложение газовых гидратов - процесс достаточно медленный, то эта фаза является наиболее длительной частью извержения.

Такая реконструкция событий позволяет говорить о том, что образование ямальского кратера - полноценное явление, «Элементы», 07.02.2014 и Анализ гравитационного поля Энцелада тоже указывает на наличие на нем жидкой воды , «Элементы», 04.07.2014, а также статью J. S. Kargel, 1995. Cryovolcanism on the icy satellites). Следы прошлой криовулканической активности обильно встречаются во внешней области Солнечной системы. Серьезное изучение этих объектов началось в 1979–1989 годах, после пролетов зондов «Вояджеров» мимо ледяных лун газовых гигантов, однако их непосредственное исследование до настоящего момента было недоступно, так как ни одного криовулкана на Земле обнаружено не было. Теперь, похоже, ученые получают такую возможность.

Ранее предполагалось, что для криовулканизма обязателен источник тепла, расположенный под криовулканом. Отчасти, это верно, однако обсуждаемая работа показывает, что подобные процессы могут происходить не только за счет нагрева воды, но и за счет ее кристаллизации: кристаллизация льда в газонасыщенных системах приводит к скачкам давления и может, например, служить объяснением водяных джетов на Энцеладе (J. H. Waite Jr et al., 2009. Liquid water on Enceladus from observations of ammonia and 40 Ar in the plume). Полученные при исследовании ямальского кратера данные могут позволить по-новому взглянуть на извержения на ледяных телах.

ВВЕДЕНИЕ

Геология и цикл геологических наук

Стремление к познанию окружающего мира столь же свойствен­но человеку, как и его стремление использовать ресурсы природы для удовлетворения своих жизненных потребностей. С отдаленных времен люди использовали камни для изготовления орудий труда, охотничьего и боевого оружия, осваивали горные пещеры для ук­рытия от непогоды, возводили из каменных глыб оборонительные и культовые сооружения. Опыт, накопленный в дальнейшем при по­иске руд, выплавке из них металлов, разработках камня для строи­тельства, проведении земляных работ, а также наблюдения за извер­жениями вулканов, землетрясениями и следами вековых колебаний поверхности Земли способствовали становлению науки о Земли - геологии. Начиная с XVIII в. геология активно развивается в тесной связи с развитием других естественных наук.

Главным объектом изучения геологии служила и служит земная кора - наружная каменная оболочка планеты, хотя во второй поло­вине XX в. все большее внимание геологов привлекает состав и со­стояние подкорового вещества планеты в связи с тем, что происхо­дящие в нем процессы оказывают мощное влияние на земную кору.

Развитие геологии происходило в разных направлениях. Изучал­ся состав минералов и горных пород, геологическое строение отдельных регионов, геологические процессы, происходящие на по­верхности Земли и в ее недрах. В результате этого внутри геологии образовалась разветвленная система геологических наук. Процесс дифференциации геологических наук продолжается по мере углуб­ления наших знаний и обнаружения новых фактов. Примером может служить история развития геологических наук, изучающих вещест­венный состав земной коры.

Эти науки складывались постепенно, причем научная мысль раз­вивалась в тесном взаимодействии с практикой. Еще в глубокой древности для получения металлов было необходимо уметь распо­знавать различные камни, изучать и систематизировать их свойст­ва. Так зародилась минералогия, наука о природных химических со­единениях - минералах. Минералогия изучает их происхождение, свойства и изменения под влиянием различных факторов. Само сло­во «минерал» имеет латинский корень «minera», т.е. руда. Первые крупные минералоги были одновременно и горными инженерами, и металлургами, и химиками.

Изучение минералов, многие из которых встречаются в виде хорошо образованных кристаллов, породило кристаллографию (от греч. к rystallos - лед) - науку, предметом изучения которой вначале была геометрия внешних форм, а затем и внутреннее строе­ние кристаллов. Открытие рентгеновских лучей было использовано для выяснения закономерностей расположения атомов в кристал­лическом веществе. Полученные данные способствовали формиро­ванию нового научного направления - кристаллохимии.

В результате различных геологических процессов минералы об­разуют закономерные скопления - горные породы. Наука, изучаю­щая слагающие земную кору горные породы, их состав, структуру, условия образования и залегания, называется петрографией (от греч. petra - скала, камень, grafo - пишу, описываю), причем выделяются петрография горных пород глубинного (магматического и метаморфического) происхождения и литология (от греч. litos - камень) - петрография осадочных пород.

Изучение вещественного состава земной коры происходило па­раллельно с развитием физики и химии, на основании достижений которых создавались новые приборы и разрабатывались специаль­ные методы исследования. Так, на основе законов волновой теории света и технологии изготовления тонких (толщиной 0,03 мм) про­зрачных шлифов из массивных горных пород был изобретен поля­ризационный микроскоп и разработан кристаллооптический метод исследования, который открыл новый мир структуры горных по­род и способствовал общему прогрессу петрографии.

Простое описание свойств минералов и установление их химическо­го состава к концу XIX в. уже не отвечали общему уровню науки. Тре­бовалось выяснение процессов и условий генезиса (от греч. genesis - происхождение, образование) минералов. Благодаря постепенно на­капливающимся новым фактам описательная минералогия уступила место генетической. Успехи в области генетической минералогии соз­дали основание для возникновения еще одной науки - геохимии, ос­новоположниками которой были выдающиеся ученые XX в. В.И.Вер­надский (Россия) и В.М.Гольдшмидт (Норвегия), а в дальнейшее ее развитие внес крупный вклад русский минералог и геохимик А.Е.Ферсман. Эта наука изучает историю химических элементов, закономерно­сти их миграции и распределения в земной коре и на планете в целом. Так, в процессе изучения вещественного состава земной коры сложились три, тесно связанные между собой науки, одна из которых имеет объектом изучения химические элементы (геохимия), другая - их при­родные химические соединения (минералогия), а третья - различаю­щиеся процессами образования, минералогическим и химиче­ским составом горные породы.

В настоящее время для выяснения состава и строения минералов, руд и горных пород, закономерностей их образования используются новейшие достижения естественных наук и техники. Широко при­меняются методы химического, спектроскопического, рентгеноструктурного, термического, кристаллоптического, флюоресцентного анализов.

Не менее активно развивались науки, изучающие строение зем­ной коры и протекающие в них процессы. Таковы вулканология - наука, изучающая извержения вулканов, их строение и состав про­дуктов вулканических извержений, сейсмология (от греч. seismos - землетрясение) - наука, изучающая землетрясения и причины их вызывающие, а также геофизика, изучающая сейсмическим, грави­метрическим, магнитометрическим и геотермическим методами строение глубинных частей земных недр.

Исключительно важное значение имеет геотектоника (от греч. tektonike - строительное искусство) - наука о закономерностях строения и движения земной коры и их порождающих процессах, происходящих в подкоровых глубинах Земли. С геотектоникой не­разрывно связаны структурная геология, изучающая геологические структуры, образуемые горными породами, и региональная геоло­гия, обобщающая и уточняющая данные о строении отдельных ре­гионов.

Сложную научную проблему представляет оценка геологического времени, на протяжении которого происходило становление и разви­тие земной коры, образование и преобразование материков и океа­нов, климатические изменения и развитие органического мира. В процессе исследований в этой области постепенно сформировались следующие геологические науки. Стратиграфия (от лат. stratum - слой) изучает последовательность залегания слоев горных пород и устанавливает их относительный возраст. Стратиграфия опирается на данные палеонтологии (от греч. palaios - древний; ontos - существующие) - науки, находящейся на грани биологии и геоло­гии, изучающей окаменелые остатки древних животных и растений, по которым воссоздается история развития органического мира и вместе с тем устанавливается относительный возраст отложений, со­держащих остатки определенных организмов. Геохронология - нау­ка, изучающая с помощью точных физических и геохимических ме­тодов абсолютный возраст разных геологических объектов. Благо­даря достижениям этих наук мы имеет обоснованную хронологию главных событий геологической истории Земли.

Наконец, в комплексе геологических наук существуют такие, ко­торые имеют определенную практическую направленность. К ним относится геология нефти и газа, геология угля, изучающие обра­зование, строение и закономерности размещения месторождений указанных полезных ископаемых. Металлогения - наука о закономерностях распространения и геологических эпохах образования месторождений металлов, тесно связанная с геологией рудных месторождений, изучающей особенности вещественного состава, об­разование и геологическое строение залежей руд разных металлов. Гидрогеология изучает условия залегания, формирования и хи­мический состав подземных вод. Инженерная геология изучает гор­ные породы в качестве основания при строительстве гражданских и промышленных сооружений, прокладке железных и автодорог, ма­гистральных трубопроводов, плотин и других гидротехнических объ­ектов.

Современные представления о строении, составе Земли, ее образовании и возрасте

Земля входит в состав системы, где центром является Солнце, в котором заключено 99,87% массы всей системы. Характерной осо­бенностью всех планет Солнечной системы является их оболочечное строение: каждая планета состоит их ряда концентрических сфер, различающихся составом и состоянием вещества.

Земля окружена мощной газовой оболочкой - атмосферой. Она является своеобразным регулятором обменных процессов между Землей и Космосом. В составе газовой оболочки выделяется не­сколько сфер, отличающихся составом и физическими свойствами. Основная масса газового вещества заключена в тропосфере, верхняя граница которой, расположенная на высоте около 17 км на экваторе, снижается к полюсам до 8-10 км. Выше, на протяжении стратосфе­ры и мезосферы, нарастает разреженность газов, сложно меняются термические условия. На высоте от 80 до 800 км располагается ионо­сфера - область сильно разреженного газа, среди частиц которого преобладают электрически заряженные. Самую наружную часть га­зовой оболочки образует экзосфера, простирающаяся до высоты 1800 км. Из этой сферы происходит диссипация наиболее легких L атомов - водорода и гелия.

Строение и состав Земли. Еще более сложно стратифицирована сама планета. Масса Земли оценивается в 5,98-10 27 г, а ее объем - в i 1,083-10 27 см 3 . Следовательно, средняя плотность планеты составляет около 5,5 г/см 3 . Но плотность доступных нам горных пород рав­на 2,7-3,0 г/см 3 . Из этого следует, что плотность вещества Земли неоднородна.

Главнейшими методами изучения внутренних частей нашей планеты являются геофизические, в первую очередь наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся от взрывов или землетрясений. Подобно тому, как от камня, брошен­ного в воду, в разные стороны расходятся по поверхности воды волны, так в твердом веществе от очага взрыва распространяются упругие волны. Среди них выделяют волны продольных и попе­речных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распро­странения волны. Поперечные колебания можно представить как чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распро­странению волны.

Волны продольных колебаний, или, как принято говорить, про­дольные волны, распространяются в твердом веществе с большей скоростью, чем поперечные. Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные - только в твер­дом. Следовательно, если при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает попе­речные волны, то можно считать, что это вещество находится в жид­ком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это - свидетельство твердого состояния вещества.

Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности веще­ства. При резком изменении плотности вещества скорость волн будет скачкообразно меняться. В результате изучения распространения сейсмических волн через Землю обнаружено, что имеется несколь­ко определенных границ скачкообразного изменения скоростей волн. Поэтому предполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных трех главных границ раздела выде­ляют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро (рис. 1).

Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увели­чением скоростей продольных сейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница получила название раздела Мохоровичича (в честь серб­ского ученого А. Мохоровичича, который ее открыл), или просто гра­ница М. Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры, как указано выше, не превышает 2,7-3,0 г/см 3 . Граница М расположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов - от 4 до 10 км.

Учитывая, что радиус Земного шара равен 6371 км, земная кора представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, состав­ляющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% ее объема.

Мантия - самая мощная из геосфер Земли. Она распространяет­ся до глубины 2900 км и занимает 82,26% объема планеты. В мантии сосредоточено 67,8% массы Земли. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает с 3,32 до 5,69 г/см 3 , хотя это происходит неравномерно.

На контакте с земной корой вещество мантии находится в твер­дом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней частью мантии называют литосферой.

Агрегатное состояние вещества мантии ниже литосферы недос­таточно изучено и по этому поводу имеются различные мнения. Предполагается, что температура мантии на глубине 100 км состав­ляет 1100-1500°С, в глубоких частях - значительно выше. Давление на глубине 100 км оценивается в 30 тыс.атм., на глубине 1000 км -1350 тыс. атм. Несмотря на высокую температуру, судя по распро­странению сейсмических волн, вещество мантии преимущественно твердое. Колоссальное давление и высокая температура делают не­возможным обычное кристаллическое состояние. По-видимому, вещество мантии находится в особом высокоплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должны вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.

Мантию подразделяют на верхнюю (слой В, простирающийся до глубины 400 км), промежуточную (слой С - от 400 до 1000 км) и нижнюю (слой Д - от 1000 до 2900 км). Слой С именуют также слоем Голицина (в честь русского ученого Б.Б.Голицина, установив­шего этот слой), а слой В - слоем Гутенберга (в честь выделившего его немецкого ученого Б.Гутенберга).

В верхней мантии (в слое В) имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-ви­димому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии. Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн предпо­лагает, что жидкая фаза составляет до 10%, что отражается на более пластичном состоянии вещества по сравнению с выше и ниже рас­положенными слоями мантии. Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (от греч. asthenes - слабый). Мощность ослабленной зоны достигает 200-300 км. Располагается она на глубине пример­но 100-200 км, но глубина меняется: в центральных частях океанов астеносфера располагается выше, под устойчивыми участками ма­териков опускается глубже.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития гло­бальных эндогенных геологических процессов. Малейшее наруше­ние термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В астеносфере возникают маг­матические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносфе­рой эти два слоя объединяют под названием тектоносфера.

В последнее время внимание ученых в мантии привлекает зона, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что эта зона намечает нижнюю границу конвективно­го тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию (слой В) и верхнюю часть промежуточного слоя с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом воз­растает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной коры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшает­ся до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространя­ются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в ин­тервале глубин 2700-2900 км, в переходном слое Д 1 (в отличие от нижней мантии, имеющей индекс Д) происходит зарождение гигант­ских тепловых струй - плюмов, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро Земли - центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% ее объема, но содержит более трети всей массы Земли. Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра на­ходится в жидком состоянии. В то же время наблюдения за проис­хождением приливных волн позволили установить, что упругость Земли в целом очень велика, больше упругости стали. По-видимо­му, вещество ядра находится в каком-то совершенно особом состоя­нии. Здесь господствуют условия чрезвычайно высокого давления в несколько миллионов атмосфер. В этих условиях происходит пол­ное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, веще­ство «металлизируется», т.е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность. Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, воз­никающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность ядра - 5520 кг/м 3 , т.е. это вещество в два раза тяже­лее каменной оболочки Земли. Вещество ядра неоднородно. На глу­бине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8100 м/с до 11000 м/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая.

Вещественный состав разных оболочек Земли представляет весь­ма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава дос­тупна лишь земная кора. Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее мас­сы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. Все осталь­ные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер Земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изучения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного со­става глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, раз­личаются. Можно с большой уверенностью предполагать, что верх­няя мантия также состоит из силикатов, но содержащих меньше кремния и больше железа и магния по сравнению с земной корой, а нижняя мантия - из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая структура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, находящихся в земной коре.

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учитывая высокую плотность (9,4- 11,5 г/см 3) и невозможность рас­пространения поперечных сейсмических волн, ученые предполага­ют, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из оксидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и некоторых других элементов. По причине еще большей плотности центральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу железных метеоритов и состоит из никелистого железа. В таблице 1 сопоставлены химический состав земной коры, метеоритов и услов­но рассчитанный средний состав Земли в целом.

^ Образование Земли и ее возраст. Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. Документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существо­вания Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность хи­мических элементов, из которых состоят Земля и метеориты. На ос­новании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их веще­ство прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате Большого Взрыва этой звезды в плоскости ее экватора образовалась дисководная протопланетная туманность.

Исходным материалом для образования планет был так называе­мый звездный газ - разобщенные ионизированные атомы. По мере охлаждения в соответствии с температурными условиями из него возникали твердые частицы и происходила их консолидация. Древ­нейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеори­ты. Их возраст по данным ядерной геохронологии составляет 4,5- 4,7 млрд. лет. Абсолютный возраст вещества Луны - 4,7 млрд. лет. Земля как планета имеет близкий к этим данным возраст.

С момента становления планеты начался процесс образования горных пород, слагающих земную кору. Абсолютный возраст наи­более древних горных пород следующий: граниты Кольского полу­острова - 3,1 млрд лет; гнейсы Украины - 3,5; граниты Африки -3,5; амфиболиты Гренландии - 3,75; чарнокиты Антарктиды - 3,9 млрд лет.

Таким образом, становление планеты Земля совершилось на протяжении примерно 0,5 млрд. лет. Около 3,9-4,0 млрд. лет назад происходит образование первых горных пород и, следовательно, начинается геологическая история Земли.

^ Роль геологии в обеспечении развивающейся экономики минеральным сырьем

Значение минеральных ресурсов для развития человеческого об­щества трудно переоценить. Наличие минерального сырья - необ­ходимое условие любой цивилизации, степень его использования отражает уровень развития общества. Недаром ступени развития человечества получили название по составу использовавшегося ми­нерального сырья - каменный век, бронзовый век, железный век.

Использование каждого вида минерального сырья, с одной сто­роны, предполагает определенный уровень развития общественно­го производства. Известно, какое важное значение имеет каменный уголь в современной экономике. Но еще в начале XIX в. владельцы угольных шахт в Америке проводили демонстрационное сжигание каменного угля, рекламируя это непривычное в то время топливо. (" другой стороны, использование нового вида сырья вызывает оп­ределенные изменения в промышленном производстве. Например, одним из основных факторов создания и развития авиационной промышленности явилось открытие и освоение нового металла - алюминия. В 1885 г. во всем мире было добыто всего 3 т алюминия. Этот металл представлял собой лишь интересную редкость. Но с почала XX в. выработка алюминия нарастает быстрыми темпами: перед Первой мировой войной - 50 тыс. т, перед Второй мировой войной - 500 млн. т, в середине XX в. - более 10 млрд. т.

Некоторые минералы были известны и использовались в глубокой древности, практическое использование других происходило по м. ре их открытия и изучения свойств и состава. С изобретением паровой машины приобрел значение каменный уголь, а производство машин обусловило возрастающий спрос на железные руды. Прогресс машинного производства, создание двигателей внутреннего сгорания и появление новых видов транспорта, применение минеральных удобрений в сельском хозяйстве - все это способствовало уве­личению разнообразия используемых видов минерального сырья и возрастанию их добычи. Особенно ярко этот процесс проявился в росте добычи металлов на протяжении XX в. (рис. 2).

На рисунке 3 совмещены две кривые. Одна из них показывает число открытых, другая - число используемых химических элемен­тов в общественном производстве от начала новой эры до нашего времени. Хорошо видно, как резко возрастают обе кривые со второй половины XIX в., причем кривая использования химических эле­ментов приближается к количеству известных элементов.

Для России, благодаря ее обширной территории и разнообразию геологического строения, роль геологии в выявлении природных бо­гатств недр особенно ответственна, так как минеральные ресурсы страны являются важным фактором ее экономического развития. Важнейшие отрасти государственного производства базируются на использовании минерального сырья. Достижения наук геологиче­ского цикла, творчески использованные государственной геоло­гической службой, обеспечили существенную минерально-сырьевую базу России. Открытие геологами залежей железных руд обуслав­ливают производство черных металлов, служащих основой тяжелой индустрии. Обнаруженные месторождения каменного угля, нефти и газа являются главными источниками энергетического сырья, а также поставщиками сырья для химической промышленности. Из месторождений руд цветных металлов поступают химические элемен­ты, необходимые для самых различных отраслей промышленности: машиностроения, приборостроения, промышленности средств транспорта и обороны, для энергетического хозяйства и пр. Без об­наружения месторождений редких и рассеянных химических эле­ментов были бы невозможны такие новые отрасти производства, как радиотехника, электроника, ракетная техника.

Говоря о жизненной важности минерально-сырьевых ресурсов для развивающейся экономики, нельзя обойти проблему экологичес­ких последствий технического прогресса.

Нарастающее потребление минеральных ресурсов в значитель­ной мере связано с несовершенством современных технологий, при которых существенная часть исходных продуктов выходит из про­изводственных циклов и поступает в окружающую среду. По срав­нению с XIX в. в настоящее время мировое потребление одних видов минерального сырья увеличилось в десятки раз (например, каменно­го угля, железа, меди и др.), а других - в сотни раз (например, нефти, алюминия, молибдена и др.). Во всем мире ежегодно извлекается около 100 млрд. т минеральных ископаемых, включая строительные мате­риалы, балласт для дорог и т.п. Если это количество отнести к пло­щади всей мировой суши, то окажется, что с каждого квадратного километра суши ежегодно извлекается около 700 т.

Среди многих негативных последствий хозяйственной деятель­ности современного общества одно из наиболее опасных - про­грессирующее загрязнение биосферы металлами. Техногенные металлы поступают в окружающую среду в иных соотношениях по сравнению с их соотношениями в земной коре, применительно к которым на протяжении длительного времени развивались и адап­тировались живые организмы. При этом значительная часть вы­брасываемых с технологическими и бытовыми отходами металлов выпадает в непосредственной близости от источников загрязнения, создавая антропогенные геохимические аномалии на площади ин­дустриальных центров и больших городов. Это оказывает негатив­ное действие на природу и здоровье населения.

Проблема нейтрализации загрязнения окружающей среды, сба­лансированности использования минеральных ресурсов, совершен­ствования производственных технологий - одна из кардинальных проблем начала 3-го тысячелетия новой истории человечества. Науки геологического цикла, изучающие закономерности рас­пределения и миграции химических элементов, в первую очередь геохимия, должны внести свой вклад в решение этой насущной про­блемы.

^ Краткий обзор истории изучения и освоения недр России

Издавна люди использовали доступные им богатства недр. Из­вестны довольно глубокие шахты для добывания кремней эпохи не­олита. Скифы добывали золото, кельты - выплавляли медь и оло­во. Наши непосредственные предки - славяне - использовали не медь и бронзу, а железо. Железная руда в изобилии находилась на дне озер в виде бобовой руды, которую сгребали черпаками, стоя на плоту. Добывали также дерновые железные руды, срезая лопатой дерн. О железорудных промыслах свидетельствуют до сих пор со­хранившиеся названия населенных пунктов. Например, возле Череповца есть город Устюжна с добавлением «Железопольская», в Мещере - поселок Гусь Железный и т.д. К XVII в. железный про­мысел получил широкое распространение.

Первая попытка государственной организации поиска руд в Рос­сии была предпринята при Петре I. В 1700 г. был создан Приказ Рудокопных дел, который в 1719 г. был преобразован в государственную Берг-Коллегию. Петром был издан указ «Берг-привилегии», в котором, в частности, говорилось: «Соизволяется всем и каждому дается воля, какого бы чина и достоинства ни был, во всех местах, как на собственных, так и на чужих землях искать, копать, плавить, варить и чистить всякие металлы, сиречь золото, серебро, медь, оло­во, свинец, также и минералы». Образцы минералов собирались в "созданную в 1716 г. Кунсткамеру, из которой потом был образован Минеральный кабинет, а еще позже - Минералогический музей Академии Наук. При Петре I были построены железоделательный завод в Карелии (Петрозаводск), заводы Демидовых на Урале, уси­лены тульские заводы. Россия сразу вышла на одно из первых мест по производству железа. Отметим, что в XVIII в. Россия занимала первое место в мире по выплавке черного металла, а по выплавке меди уступала лишь Англии.

К этому времени, помимо железных руд, были открыты многочис­ленные небольшие месторождения меди в Предуралье в медистых песчаниках пермо-триаса, из которых почти два века выплавлялась основная масса меди России.

Вскоре за освоением Урала с его железом, медью, золотом, само­цветами началось освоение в Сибири. Люди Демидова обнаружили на Алтае медные, а затем серебро и свинцово-цинковые руды. Почти одновременно поиски руд начались в Забайкалье в Нерчинском крае. Еще при Петре I был издан приказ строить Нерчинский серебро-свинцовый завод. На протяжении XVIII-XIX вв. за Уральским хреб­том было открыто более тысячи рудных месторождений.

В 1773 г. в Петербурге было организовано Горное училище. Это третья высшая горная школа: первая была создана в 1716 г. в г. Остраве (Чехия), вторая - в 1765 г. во Фрайберге (Саксония).

В дальнейшем оно было преобразовано в Горный кадетский корпус. Во времена Бориса Годунова светлую нефть в бочках привозили и Москву из Печорских лесов. На Апшеронском полуострове с глу­бокой древности известны «вечные огни», с которыми был связан культ огнепоклонников. Строились храмы, где вечно горели нефтяные газы. Нефть и ее продукты использовались для строительства, в медицинских целях, а также в качестве горючего материала. Од­нако только после того, как научились выделять из нефти ценные вещества, нефть стала важнейшим полезным ископаемым. Активная добыча нефти путем бурения началась в мире во второй полови­не XX в. Первая скважина в районе Баку была пробурена в 1869 г. Начало научного изучения минералов и руд связано с деятель­ностью выдающегося ученого-энциклопедиста М.В.Ломоносова (1711-1765 гг.). Первым трудом Ломоносова по минералогии был каталог Минералогического музея, напечатанный в 1745 г. В 1742 г. он написал работу «Первые основания металлургии или рудных дел», которая была издана лишь в 1763 г. с добавлением статьи «О слоях земных». В1757 г. Ломоносов на заседании Академии наук зачитал доклад «Слово о рождении металлов от трясения земли». Незадолго до смерти он планировал описание минералов России и составил план этой работы («Известие о сочиняемой Российской минералогии»).

Основы минералогии как самостоятельной науки в России были заложены академиком В.М.Севергиным (1765-1826). Им был на­писан первый на русском языке курс минералогии («Первые осно­вания минералогии»), составлен оригинальный справочник - опре­делитель минералов и горных пород («Новая система минералов») и выполнено задуманное Ломоносовым описание минералов России («Опыт минералогического землеописания Российского государ­ства»).

На протяжении XIX в. в России сложились крупные научные школы в области геологии, кристаллографии, петрографии, палео­нтологии.

В конце XIX в. в России в связи с развитием капитализма начал­ся промышленный подъем. Резко возросла потребность в минераль­ном сырье - металлах, каменном угле, нефти. Для успешного их об­наружения стало необходимо планомерное изучение геологическо­го строения страны. С начала XIX в. геологическими работами ру­ководил Ученый Комитет Военного корпуса горных инженеров. Те­перь возникла необходимость создать специальную государст­венную геологическую службу. С этой целью в 1882 г. был орга­низован Геологический комитет, в который вошли крупнейшие геологи России. Геологический комитет сыграл важную роль в из­учении геологии нашей страны. Он организовал составление обзор­ной геологической карты Европейской России, детальных геоло­гических карт Донбасса, Криворожского района, рудных районов Урала. Геологические исследования были проведены на отдельных рудоносных площадях Сибири, в нефтеносных районах Кавказа, Прикаспия, Средней Азии, а также вдоль линии Сибирской желез­ной дороги.

Однако возможности Геологического Комитета были небольши­ми. Первоначально в его составе было всего восемь человек (дирек­тор, шесть геологов и делопроизводитель). Этот состав, конечно, не мог обеспечить объема предстоящих работ.

После окончания Первой мировой и гражданских войн вновь начались настойчивые геологические поиски. В 20-х годах откры­ваются уникальные по своим запасам месторождения калийных солей в Соликамске и Хибинское месторождение апатитов. Начина­ются поиски нефти Второго Баку, Ухты, железных руд Курской маг­нитной аномалии, детально изучаются рудные месторождения на Урале.

Геологическая служба была укреплена. На базе Геологического Комитета было создано Геологическое управление, преобразован­ное затем в Комитет по делам геологии, а позже - в Министерство геологии.

Открытие месторождения вольфрама и молибдена, ртути и сурь­мы, ванадия и германия, циркония и бериллия, олова и алмазов - увлекательная история развития целеустремленной научной мыс­ли и беззаветного напряженного труда геологов. Крупные успехи в изучении месторождений минерального сырья связаны с деятель­ностью научных коллективов под руководством крупных ученых: залежей нефти - под руководством И.М.Губкина (1871-1939), месторождений угля - С.И.Степанова (1880-1947), рудных место­рождений – В. А. Обручева (1863-1956), Ю. А. Билибина (1901-1952), С. С. Смирнова (1895-1947) и др.

В настоящее время в нашей стране потребляется около 90 видов минерального сырья, разведанные запасы которых весьма значи­тельны.

^ Геологические знания, современная культура и образование

Как бы ни было велико значение геологических наук для тех­нического прогресса и развития мировой экономики, не меньшее, а может быть и большее значение имеют геологические знания для формирования культурного уровня современного человека. Волна суеверий и предрассудков, всколыхнувшаяся на исходе XX в., свиде­тельствует о существенных пробелах в естественно-научной просве­щенности широких масс населения. В преодолении невежественных заблуждений весьма ответственная роль принадлежит геологи­ческим знаниям. Всеми своими положениями геология свиде­тельствует о материальной реальности окружающего мира, научно объясняет причины землетрясений, вулканических извержений и других внушающих ужас катастрофических природных явлений, раскрывает длительную и сложную историю Земли, многочислен­ными фактами доказывает эволюцию органического мира и проис­хождение человека. Таким образом, геологические знания, наряду со сведениями из области других естественных наук - физики, хи­мии, биологии, географии - являются неотъемлемой частью совре­менной культуры.

Как показано выше, некогда единая наука геология по мере своего развития дифференцировалась на многочисленные науки и направ­ления геологического цикла. Это нашло отражение в организации пре­подавания геологии в системе высшей школы. В высших учебных заведениях геологического профиля каждая из наук геологического цикла преподается в виде самостоятельной учебной дисциплины. Тако­вы курсы минералогии, петрографии, геотектоники, региональной гео­логии и др. Для специалистов не геологического профиля, подготовка которых нуждается в обеспечении определенным объемом геологиче­ских знаний, обычно используется учебная дисциплина, традиционно сохраняющая название «геология». В этом курсе обобщены основопо­лагающие сведения и достижения большей части наук геологического цикла. Сказанное имеет прямое отношение к высшему географичес­кому образованию, в структуре которого предусмотрен значительный объем знаний из области геологических наук, необходимых для важ­нейших физико-географических курсов - геоморфологии, физичес­кой географии России и мира, а в части закономерностей распростра­нения месторождений различных видов минерального сырья - для курсов экономической географии.

Вместе с тем преподавание сведений из области геологии в гума­нитарных, медицинских и многих других вузах по вполне понятным причинам не проводится. Следовательно, большая часть специали­стов с высшим образованием обладает геологическими знаниями, полученными в средней школе. Это накладывает особую ответст­венность на организацию преподавания в средней общеобразова­тельной школе геологических сведений, необходимых для современ­ного культурного уровня.

В настоящее время геология как самостоятельный предмет в про­грамме средней общеобразовательной школы отсутствует. Элемен­ты геологических знаний сообщаются учащимся преимущественно на уроках географии и лишь отдельные данные на занятиях по химии и биологии. Именно на уроках географии учащиеся могут получить общие сведения о строении Земли и земной коры, о минералах и горных породах, о примечательных событиях геологической исто­рии. По этой причине основательная геологическая подготовка учителей географии является необходимой и ответственной частью высшего географического педагогического образования.

Контрольные вопросы к самостоятельной работе студентов

1. Какие науки входят в цикл наук о Земле?

2. Изложите современные представления о строении планеты Земля.

3. Какое значение имеют науки о Земле для современной экономики? Пе-1ечислите главные виды минерального сырья.

4. Кратко охарактеризуйте основные этапы истории освоения недр России.

5. Какие выдающиеся отечественные ученые-геологи Вам известны? В чем включается их вклад в развитие наук о Земле?

6. Каковы роль и значение геологических знаний для современной культуры?

О геологии наверняка знает каждый, несмотря на то, что она является, пожалуй, единственной естественнонаучной дисциплиной, не изучаемой в школьном курсе. Развитие «геологических» знаний сопутствовало развитию человечества на всех этапах его истории. Достаточно вспомнить, что общая периодизация истории основана на характере используемых для производства орудий труда материалов: каменный, бронзовый и железный век. Добыча и совершенствование технологии обработки полезных ископаемых неизбежно связаны с увеличением знаний о свойствах минералов и горных пород, выработкой критериев поиска месторождений и совершенствованием способов их разработки. Технологический прогресс, в том числе и на современном этапе развития цивилизации, немыслим без использования природных ресурсов.

Вместе с тем, в понимании, близком к современному, термин «геология» впервые был применен лишь в 1657 году норвежским естествоиспытателем М. П. Эшольтом, а как самостоятельная ветвь естествознания геология начала складываться только во второй половине 18 века. В это время были разработаны элементарные приёмы наблюдения и описания геологических объектов и процессов, первые методы их изучения, проведена систематизация разрозненных знаний, возникли первые гипотезы. Этот период связан с именами выдающихся учёных А. Броньяра, А. Вернера, Ж. Кювье, Ч. Лайеля, М. Ломоносова, У. Смита и многих других. Геология становится наукой.

Наука - выработанная в результате деятельности человека, взаимосвязанная развивающаяся система знаний о законах мира.

Компоненты научного познания:

1. Постановка проблемы, т.е. задачи, которая не может быть решена на основании имеющихся знаний.

2. Выработка гипотезы - системы предположений, основанных на ряде фактов. Гипотеза вырабатывается на основании формулировки точек зрения о проблеме. В ходе доказательства одни гипотезы отвергаются, другие подтверждаются фактами и обогащают теорию.

3. Теория - система обобщенного знания о той или иной области (например, теория Ч. Дарвина).

Геология - развивающаяся система знаний о вещественном составе, строении, происхождения и эволюции геологических тел и размещении полезных ископаемых. Таким образом, объектами изучения геологии являются: состав и строение природных тел и Земли в целом; процессы на поверхности и в глубинах Земли; история развития планеты; размещение полезных ископаемых. Намечается определенная иерархия геологических тел (где тела каждого последующего ранга организации вещества образованы закономерным сочетанием тел предыдущего ранга): минерал - горная порода - геологическая формация - геосфера - планета в целом. «Минимальным» объектом, изучаемым в геологии, выступает минерал (составляющие минералы элементарные частицы и химические элементы рассматриваются в соответствующих разделах физики и химии).

Минералы - однородные по составу и строению кристаллические вещества, образовавшиеся в результате природных физико-химических процессов. Изучению минералов посвящена одна из ветвей геологии - минералогия.

Минералогия - это наука о составе, свойствах, строении и условиях образования минералов. Это одна из старейших геологических наук, по мере развития которой от неё отделялись самостоятельные ветви геологических наук.

Горные породы - естественные минеральные агрегаты, образующиеся в глубинах Земли или на её поверхности в ходе различных геологических процессов. По происхождению (генетически) выделяются три типа горных пород: магматические, образующиеся в результате кристаллизации огненно-жидких природных преимущественно силикатных расплавов - магмы и лавы; осадочные, формирующиеся на поверхности Земли в результате физического и химического разрушения существующих пород, осаждения минералов из водных растворов или в результате жизнедеятельности живых организмов; метаморфические, возникающие при преобразовании магматических, осадочных или ранее образовавшихся метаморфических пород в глубинах Земли под воздействием высоких температур и давлений. Горные породы рассматриваются петрографией.

Петрография - наука, занимающаяся изучением состава, строения, происхождения и закономерностей распространения горных пород. Обычно из петрографии выделяется, как самостоятельная наука, литология, изучающая осадочные горные породы.

Геологические формации - закономерное сочетание определенных генетических типов горных пород, связанных общностью условий образования. Геологические формации рассматриваются во многих разделах геологии (петрографии, литологии, геотектонике и др., даже выделяется особое направление - учение о формациях). Учитывая, что выявление формаций, как объектов высокого ранга, возможно лишь при изучении крупных участков земной коры, важная роль в их исследовании отводится региональной геологии.

Региональная геология - раздел геологии, занимающийся изучением геологического строения и развития определенных участков земной коры.

Геосферы - концентрические слои (оболочки), образованные веществом Земли. В направлении от периферии к центру Земли расположены атмосфера, гидросфера (образующие внешние геосферы), земная кора, мантия и ядро Земли (внутренние геосферы). Область обитания организмов, включающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть земной коры, называется биосферой.

Важнейшая роль в изучении геосфер, их состава, протекающих в них процессов и их взаимосвязи, отводится геофизики и геохимии.

Геофизика - комплекс наук, изучающих физические свойства Земли в целом и физические процессы, происходящие в её твёрдых сферах, а также в жидкой (гидросфера) и газовой (атмосфера) оболочках.

Геохимия - наука, изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на её поверхности. Наука, исследующая глубинные процессы, изменяющие состав и строение твердых оболочек Земли, называется геодинамика.

Минералы и горные породы залегают в виде определённых геологических тел. Важными направлением геологии является науки, изучающие формы залегания пород, механизм и причины образования этих форм. Наука, изучающая формы залегания горных пород в земной коре и механизм образования этих форм называется структурная геология (обычно рассматривается как раздел тектоники).

Тектоника - наука о строении, движениях и деформациях литосферы и её развитии в связи с развитием Земли в целом. Геологами приходится иметь дело с толщами горных пород, накопившимися на миллиарды лет. Поэтому ещё одним важнейшее направление включает науки, восстанавливающие по следам, сохранившимся в толщах горных пород, события геологической истории и их последовательность.

Геохронология - учение о последовательности формирования и возрасте горных пород.

Стратиграфия - раздел геологии, занимающийся изучением последовательности образования и расчленением толщ осадочных, вулканогенно-осадочных и метаморфических пород, слагающих земную кору. Обобщающей дисциплиной этого направления является историческая геология - наука, изучающая геологическое развитие планеты, отдельных геосфер и эволюцию органического мира. Все названные геологические науки тесно связаны с палеонтологией, возникшей и развивающейся на стыке геологии и биологии.

Палеонтология – наука, изучающая по ископаемым остаткам организмов и следам их жизнедеятельности историю развития растительного и животного мира прошлых геологических эпох.

Прикладное направление геологических наук также включает в себя ряд важных разделов: геологию полезных ископаемых; гидрогеологию - науку о подземных водах; инженерную геологию, изучающую геологические условия строительства различных сооружений и др.

Многогранность объектов изучаемых геологией превращает её комплекс взаимосвязанных научных дисциплин . При этом, в большинстве случаев, каждая отдельная дисциплина включает в себя три аспекта: описательный (изучающий свойства объекта, классифицирующий их и пр.), динамический (рассматривающий процессы их образования и изменения) и исторический (рассматривающий эволюцию объектов во времени).

По области использования результатов научные исследования делятся на фундаментальные и прикладные. Цель фундаментальных исследований - открытие новых основополагающих законов природы или способов и средств познания. Цель прикладных - создание новых технологий, технических средств, предметов потребления. Применительно к геологии необходимо отметить следующие практические задачи: открытие новых месторождений полезных ископаемых и новых способов их разработки; изучение ресурсов подземных вод (также являющихся полезным ископаемым); инженерно-геологические задачи, связанные с изучением геологические условия строительства различных сооружений; охрана и рациональное использование недр.

Геология имеет тесную связь со многими науками. На приведенном рисунке указаны разделы наук, возникшие в результате взаимодействия геологии со смежными дисциплинами:

Рис.1. Связь геологии с другими науками

Важнейшим методом геологических исследований является геологическая съёмка - комплекс полевых геологических исследований, производимых с целью составления геологических карт и выявления перспектив территорий в отношении наличия полезных ископаемых. Геологическая съёмка заключается в изучении естественных и искусственных обнажений (выходов на поверхность) горных пород (определение их состава, происхождения, возраста, форм залегания); затем на топографическую карту наносятся границы распространения этих пород с указанием характера их залегания. Анализ полученной геологической карты даёт возможность создания модели строения территории и данных о размещении на ней различных полезных ископаемых.

Геология - настоящая наука историческая, и самой важной ее задачей является определение последовательности геологических событий. Не имеет смысла говорить, что чтобы выполнить все эти задачи, с давних времен разработан ряд наипростейших и интуитивно очевидных признаков временных соотношений пород. Все знают, что интрузивные взаимоотношения всегда представлены контактами интрузивных пород и вмещающих их толщ. Так же известно, что обнаружение признаков таких интрузивных взаимоотношений (зоны закалки, даек и т. п.) однозначно указывает на то, что же интрузия образовалась позднее чем вмещающие породы.

Известно, что ксенолиты и обломки попадают в породы, где в результате разрушения их собственного источника, соответственно они все образовались ранее вмещающих их пород, и поэтому могут быть использованы для определения их относительного возраста. И всё же принцип актуализма показал, что геологические неисчерпаемые силы, которые действуют в наше время, родственно работали и в те времена. Невероятно, но Джеймс Хаттон смог сформулировать принцип актуализма фразой «Настоящее - ключ к будущему».

Безапелляционное утверждение не совсем точное. Вероятно, понятие "богатырская сила" - понятие не геологическое, а физическое, к геологии имеющее опосредованное отношение. Грамотнее говорить о геологических процессах. Выявление сил, сопровождающих эти процессы, могло бы стать главной задачей геологии, чего, к сожалению, нет. Стало известно, что в наше время принцип актуализма является тормозом в развитии представлений о процессах геологии. Конечно же, принцип первичной горизонтальности смог подтвердить, что морские осадки при образовании залегают только горизонтально.

Нет сомнения в том, что принцип суперпозиции заключается именно в том, что все породы, которые находятся в не нарушенном складчатостью и разломами залегании, следуют по очерёдности, в порядке их образования. Молодые породы находятся выше, а древние ниже по разрезу. Кстати сказать, принцип финальной сукцессии постулирует, что в одно и то же время в океане были распространены одни и те же организмы. Стоит также акцентировать внимание на вот чем: палеонтолог, определив набор ископаемых остатков в породе, может разыскать одновременно образовавшиеся породы.

Геология √ одна из фундаментальных естественных наук, изучающая строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует сложные явления и процессы, протекающие на ее поверхности и в недрах. Современная геология опирается на многовековой опыт познания Земли и разнообразные специальные методы исследования. В отличии от других наук о Земле, геология занимается исследованием ее недр. Основные задачи геологии состоят в изучении наружной каменной оболочки планеты √ земной коры и взаимодействующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли (внешние √ атмосфера, гидросфера, биосфера; внутренние √ мантия и ядро).

Объектами непосредственного изучения геологии являются минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, геологические процессы.

2. Цикл геологических наук.

Геология тесно связана с другими науками о Земле, например с астрономией, геодезией, географией, биологией. Геология опирается на такие фундаментальные науки как математика, физика, химия. Геология является синтетической наукой, хотя в то же время распадается на множество взаимосвязанных отраслей, научных дисциплин, изучающих Землю в разных аспектах и получающих сведения об отдельных геологических явлениях и процессах. Так, изучением состава литосферы занимаются: петрология, исследующая магматические и метаморфические породы, литология, изучающая осадочные горные породы, минералогия √ наука, изучающая минералы как природные химические соединения и геохимия √ наука о распределении и миграции химических элементов в недрах земли.

Геологические процессы, формирующие рельеф земной поверхности, изучает динамическая геология, частью которой являются геотектоника, сейсмология и вулканология.

Раздел геологии, занимающийся изучением истории развития земной коры и Земли в целом, включает стратиграфию, палеонтологию, региональную геологию и носит название ╚Историческая геология.

Есть в геологии науки, имеющие большое практическое значение. Такие, как о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология.

В последние десятилетия появились и приобретают все большее значение науки связанные с исследованием космоса (космическая геология), дна морей и океанов (морская геология).

Наряду с этим есть геологические науки, находящиеся на стыке с другими естественными науками: геофизика, биогеохимия, кристаллохимия, палеоботаника. К таковым относятся также геохимия и палеогеография. Наиболее близкая и разносторонняя связь геологии с географией. Для географических наук, таких как ландшафтоведение, климатология, гидрология, океанография, более всего важны геологические науки, изучающие процессы, влияющие на формирование рельефа земной поверхности и историю образования земной коры всей Земли.

3. Методы изучения земных недр.

В геологии применяют прямые, косвенные, экспериментальные и математические методы.

Прямые √ это методы непосредственных наземных и дистанционных (из тропосферы, космоса) изучений состава и строения земной коры. Основной √ геологическая съемка и картирование. Изучение состава и строения земной коры производится путем изучения естественных обнажений (обрывы рек, оврагов, склоны гор), искусственных горных выработок (каналы, шуффы, карьеры, шахты) и буровых скважин (мах √ 3,5 √ 4 км. в Индии и ЮАР, Кольская скважина √ более 12 км., проект 15 км.) В горных районах можно наблюдать естественные разрезы в долинах рек, вскрывающих толщи горных пород, собранных в сложные складки и поднятых при горообразовании с глубин 16 √ 20 км. Таким образом, метод непосредственного наблюдения и исследования слоев горных пород применим лишь к небольшой, самой верхней части земной коры. Лишь в вулканических областях по извергнутой из вулканов лаве и по твердым выбросам можно судить о составе вещества на глубинах 50 √ 100 км. и больше, где обычно располагаются вулканические очаги.

Косвенные √ геофизические методы, которые основаны на изучении естественных и искусственных физических полей Земли, позволяющие исследовать значительные глубины недр.

Различают сейсмические, гравиметрические, электрические, магнитометрические и др. геофизические методы. Из них наиболее важен сейсмический (╚сейсмос╩ √ трясение) метод, основанный на изучении скорости распространения в Земле упругих колебаний, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. Эти колебания называются сейсмическими волнами, которые расходятся от очага землетрясений. Бывают 2 типа: продольные Vp, возникающие как реакция среды на изменения объема, распространяются в твердых и жидких телах и характеризуются наибольшей скоростью, и поперечные волны Vs, представляющие реакцию среды на изменение формы и распространяются только в твердых телах. Скорость движения сейсмических волн в разных горных породах различна и зависит от их упругих свойств и их плотности. Чем больше упругость среды, тем быстрее распространяются волны. Изучение характера распространения сейсмических волн позволяет судить о наличии различных оболочек шара с разной упругостью и плотностью.

Экспериментальные исследования направлены на моделирование различных геологических процессов и искусственное получение различных минералов и горных пород.

Математические методы в геологии направлены на повышение оперативности, достоверности и ценности геологической информации.

4. Строение Земли.

Выделяют 3 оболочки Земли: ядро, мантию и земную кору.

Ядро √ наиболее плотная оболочка Земли. Полагают, что внешнее ядро находится в состоянии, приближающемся к жидкому. Температура вещества достигает 2500 √ 3000 0 С, а давление ~ 300Гпа. Внутреннее ядро, предположительно находится в твердом состоянии. Состав внешнего и внутреннего ~ одинаков √ Fe √ Ni, близкий к составу метеоритов.

Мантия √ самая крупная оболочка Земли. Масса √ 2/3 массы планеты. Верхняя мантия характеризуется вертикальной и горизонтальной неоднородностью. Под континентами и океанами ее строение существенно отличается. В океанах на глубине ~ 50 км., а материках √ 80 √ 120 км. начинается слой пониженных сейсмических скоростей, который носит название сейсмического волновода или астеносферы (т.е. геосфера ╚без прочности╩) и отличается повышенной пластичностью. (Волновод распространяется под океанами до 300 √ 400 км., под материками — 100- 150 км.) К ней приурочено большинство очагов землетрясений. Полагают, что в ней возникают магматические очаги, а также зона подкорковых конвекционных течений и зарождение важнейших эндогенных процессов.

В. В. Белоусов объединяет земную кору, верхнюю мантию, включая астеносферу в тектоносферу.

Промежуточный слой и нижняя мантия отличаются более однородной средой, чем верхняя мантия.

Верхняя мантия сложена преимущественно ферро-магнезиальными силикатами (оливин, пироксены, гранаты), что соответствует перидотитовому составу пород. В переходном слое С основной минерал √ оливин.

Химический состав: оксиды Si, Al? Fe (2+, 3+), Ti, Ca, Mg, Na, K, Mn. Преобладают Si и Mg.

5. Земная кора.

Земная кора √ это верхняя оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами, мощностью от 7 до 70 √ 80 км. Это наиболее активный слой Земли. Для нее характерен магматизм и проявления тектонических процессов.

Нижняя граница земной коры симметрична поверхности Земли. Под материками она глубоко опускается в мантию, и под океанами приближается к поверхности. Земная кора с верхней мантией до верхней границы астеносферы (т.е. без астеносферы) образует литосферу.

В вертикальном строении земной коры выделяют три слоя, сложенных различными по составу, свойствам и происхождению породам.

1 слой √ верхний или осадочный (стратосфера) сложен осадочными и вулканогенно-осадочными породами, глинами, глиняными сланцами, песчаными, вулканогенными и карбонатными породами. Слой покрывает почти всю поверхность Земли. Мощность в глубоких впадинах достигает 20 √ 25 км., в среднем √ 3 км.

Для пород осадочного чехла характерна слабая дислоцированность, сравнительно низкие плотности и небольшие изменения, соответствующие диагенетическим.

2 слой √ средний или гранитный (гранито √ гнейсовый), породы имеют сходство со свойствами гранитов. Сложена: гнейсами, гранодиоритами, диоритами, окализами, а так же габбро, мраморами, силинитами и др.

Породы этого слоя разнообразны по сотаву и степени их дислоцированности. Они могут быть неизменными и метаморфированными. Нижняя граница гранитного слоя называется сейсмический раздел Конрада. Мощность слоя √ от 6 до 40 км. На отдельных участках Земли этот слой отсутствует.

3 слой √ нижний, базальтовый состоит из более тяжелых пород, которые по свойствам близки к магматическим породам, базальтам.

В отдельных местах между базальтовым слоем и мантией залегает так называемый эклогитовый слой с более высокой плотностью, чем базальтовый.

Средняя мощность слоя в континентальной части ~ 20 км. Под горными хребтами достигает 30 √ 40 км., а под впадинами снижается до 12 √ 13 и 5-7 км.

Средняя мощность земной коры в континентальной части (Н. А. Белявский) √40,5 км., мин. √ 7 √ 12 км. в океанах, макс. √ 70 √ 80 км. (высокогорье на континентах).