Геология как наука. История геологии и основные этапы развития

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский Государственный Технический Университет

Кафедра: «Инженерная Геология»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Геология как наука. История геологии и основные этапы развития»

Выполнил:

Антонов Тимофей

Проверил:

Смилевец О.Д.

22.10.2008

Содержание

1. Геология как наука

2. История геологии

3. Разделы геологии

4. Два главных направления современных исследований

Заключение

1. Геология как наука

Геология -- в переводе с греческого обозначает науку о Земле. В настоящее время под геологией понимают историю Земли в обширном смысле этого слова, т. е. не только жизнь минеральную нашей планеты и те физические и химические изменения, которые в ней произошли, но и естественную историю всего организованного мира, населяющего земную поверхность.

В ряду наук естественноисторических геология занимает видное и тесно с другими естественноисторическими науками связанное положение. При изучении минеральных изменений Земли геология соприкасается с химией, физикой, минералогией и даже астрономией, в особенности при разборе вопроса о происхождении Земли. При изучении ископаемых организованных остатков геология вступает в тесные соотношения с ботаникой и зоологией. При изучении бывших изменений на земной поверхности она вступает в тесную связь с физической географией, и, изучая современные геологические явления, она не столько интересуется причинностью их, сколько теми результатами, которые оставляют эти явления на земной поверхности.

Геология не только в область естественных наук, но и в обширную область человеческих знаний внесла новый элемент. Минералог, ботаник или зоолог, изучая готовые продукты природы, т. е. минерал, растение или животное, может относиться безразлично к тому времени, когда появился на Земле этот продукт природы. Но геолог открывает возможность при последовательном разборе памятников жизни Земли отмечать те страницы, на которых более или менее отчетливо запечатлено нахождение данного минерала или организма. Проследить за его пребыванием на земной поверхности можно на следующих страницах памятников жизни Земли и, наконец, можно отметить момент, когда данный организм или совершенно исчезает с лица Земли, или заменяется новым.

Геология ввела в науки новый элемент -- время, который дает возможность обнять более широким духовным взором экономию природы и показать, как длинен и последователен был путь, которым выработалась окружающая нас природа. Здесь, конечно, можно провести параллель с науками гуманитарными, для которых история человечества составляет такой же краеугольный камень, какой геология -- для наук естественноисторических. Геология, кроме того, доставила массу материала, совершенно нового с точки зрения классификации. Для примера можно взять зоологию. Долгое время однокопытные животные состояли совершенно изолированными среди других млекопитающих, и генетическая связь их являлась таким образом утерянной. Только благодаря геологическим находкам можно было с достаточной наглядностью и последовательностью доказать, что однокопытные животные тесно генетически связаны с другими непарнопалыми, в современной своей организации, представляющими так мало общего с однокопытными. Если принять во внимание, какую массу ископаемых организмов, как водных, так и наземных, уже исчезнувших с лица Земли, открыла геология, и если обратить внимание на так называемые эмбриональные и сборные типы, то сделается вполне понятным, что этой науке обязана ботаника и зоология современными своими классификациями.

При разборе новейших страниц жизни Земли геология соприкасается и с историей человечества. При выработке торфа из болот Дании уже давно извлекались изделия, приготовленные из камня грубой или более или менее совершенной обивкой, изделия из бронзы и железа. Последовательный геологический разбор наслоения торфа обнаружил, что эти остатки распределены в нем с известной последовательностью: каменные изделия распределены в нижних слоях, бронзовые -- в средних и железные -- в верхних. Это и подало повод установить в ходе культуры доисторического человека Западной Европы века: каменный, бронзовый и железный. Но этим не удовольствовались и попробовали при помощи остатков растений в торфе восстановить природу того времени. Оказалось, что господствующей древесной породой времени жизни человека каменного века были сосна, бронзового -- дуб и железного -- бук. Такое вертикальное распределение древесной растительности дает возможность из сравнения с современным распределением на Земле растений прийти к заключению, что со времени жизни на Земле человека каменного века произошли значительные климатические изменения и что в то время в Дании климат был значительно суровее, чем ныне. О Дании известно из древних римских известий: постоянно там упоминается как господствующая древесная порода -- бук; следовательно, еще римляне застали в этой стране бук; a когда здесь были леса дубовые или им предшествующие сосновые -- это теряется во временах глубокой древности, конечно, не только не захваченной историей человеческой, но и задолго до времени эпоса. Наконец, находки еще более древних остатков человека -- современника мамонта и сибирского носорога -- должны теряться в еще более отдаленных от нас временах.

2. История геологии

Длинен был путь, которым выяснилось современное определение геологии. Еще в начале XVIII столетия геологию считали то отделом минералогии, то отделом физической географии, а некоторые видели в ней науку, исключительной задачей которой предстоит решение вопроса о происхождении Земли. В древней египетской космологии уже упоминается об обновлении Земли или водой (катаклизм), или огнем (экпирозис); здесь, очевидно, частные случаи наводнений или извержений и землетрясений возводились в общие явления, и им приписывалось всеобщее обновление земной поверхности. Но уже древние греческие ученые знали многие геологические факты. Так, им было известно существование обмена между сушей и морем и нахождение остатков морских организмов в слоях, слагающих высокие горы, а отсюда делались выводы, что море некогда было там, где теперь суша. У Аристотеля даже есть замечание, что изменение земной поверхности идет так медленно, что кратковременная человеческая жизнь недостаточна для наблюдений. После падения Римской империи естествознание, а с ним и геологии знания переходят в руки сарацин, от которых, к сожалению, осталось так мало данных, что только ограниченное число трудов пока известно у Авицены, Омара и Ковцини. С XVI столетия геологии факты начинают встречаться у христианских народов. Первые ученые с этим направлением появляются в Италии, но здесь сразу к успехам знания примешивается и сильнейший тормоз в образе схоластических прений средневековых итальянских университетов. И если древние в ископаемых остатках организмов видели действительные остатки, то здесь появляются о них самые невероятные гипотезы. То в них видят результат какой-то пластической силы, то влияние звезд, то игру природы. В XVII столетии к этому тормозу присоединился новый в виде воззрения богословов, которые думали, что занятие геологией может подорвать кредит их специальности. Такое вмешательство постороннего элемента наложило тормоз по крайней мере на два столетия. Правда, и в XVI и в XVII вв. были и рационалисты-геологи, как бы игнорировавшие и схоластические прения, и богословов и стремившиеся расширить свои знания путем наблюдений. Следя за деятельностью отдельных лиц в XVII столетии, можно сказать, что к этому времени накопился уже настолько обильный запас геологических. данных, что требовались более сильные умы для приведения их в систему. Таких деятелей дали три страны: Германия дала Вернера, Англия -- Вильяма Смита и Франция -- Кювье и Ламарка. Еще в XVII столетии в Саксонии, Венгрии и Франции возникли небольшие горные школы с целью приготовления опытных людей для извлечения из недр земли полезных ископаемых. В числе дополнительных предметов в них преподавалась и минералогия. В 1775 г. в Фрейбергской горной школе такую кафедру занял Вернер. Он первый указал, что минералы не разбросаны в беспорядке, но что они, сочетаясь между собой, образуют вполне определенные типы, называемые горными породами, и что распределение последних подчинено законности. Точно так же Вернер первый обратил внимание на то, что известные руды приурочены к известным горным породам. Изучение Вернером Маленькой Саксонии и экскурсии по ней представили серию памятников жизни Земли, относимой нами к самым ранним периодам. Как древние памятники, они, конечно, должны сохраниться и менее совершенно, чем памятники более близких к нам времен. Не останавливаясь на одном факте исследования, пытливый ум Вернера старался заглянуть и во внутренний смысл этих памятников. Но для их толкования было еще мало данных, и Вернер должен был впасть в ошибку. Он был родоначальником школы нептунистов, в противовес которой в Англии возникла школа вулканистов и малоплодотворный спор, между которыми затянулся на долгое время. Вернер обладал замечательной леностью к письменному труду, и о его взглядах мы узнаем от его учеников, в ряду которых были Александр Гумбольдт и Леопольд Бух. Тем не менее, приведение в систему древнейших памятников жизни Земли принадлежит вполне Вернеру. Для следующей серии геологических памятников установил порядок Вильям Смит, но уже другим путем. Ему удалось подметить, что остатки организмов, встречающиеся в различных слоях Земли, подчинены в своем распределении определенной законности. Приняв их за руководящее начало, Смит привел в порядок следующую за установленной Вернером серию памятников жизни Земли. Смит попытался условленными знаками нанести на обыкновенную географическую карту распространение известных геологических образований -- таким путем явилась первая геологическая карта Англии, изданная в 1815 г.

Для более новых памятников жизни Земли свою лепту в общие исследования внесли и французы. Любовь к естествознанию в начале XIX столетия во Франции стала под влиянием работ Кювье и Ламарка получать широкое развитие, а потому и остатки ископаемых организмов должны были обратить на себя внимание. Кювье и Броньяр занялись изучением ископаемых костей млекопитающих, а Ламарк -- беспозвоночных. Уже при первом прикосновении к костям млекопитающих Кювье пришлось временно оставить этот материал, так как в то время скелеты ныне живущих организмов еще были недостаточно изучены и ему необходимо было предварительно изучить и эти последние. Благодаря этому обстоятельству наука обогатилась новой отраслью знаний -- сравнительной остеологией. Только после создания последней Кювье мог в сотрудничестве с Броньяром описать около 50 форм ископаемых млекопитающих окрестностей Парижа. Остановиться на одном факте описания, конечно, Кювье не мог, тем более, что он принял исследуемые им осадки за самые новейшие, а во встреченных формах не нашел ни одного ныне живущего вида. Пораженный отсутствием ныне живущих форм в столь новых, по его мнению, образованиях, Кювье должен был прибегнуть к особой гипотезе, которую можно назвать гипотезой катастроф, по которой поверхность Земли периодически подвергается катастрофам, уничтожающим на ней все живущее, и новый акт творения создает новые формы по типу старых, но от них отличающиеся. Если бы Кювье прожил еще несколько лет, то ему пришлось бы быть свидетелем находок более новых образований и более новой и более близкой современной фауны организмов и увидеть, что между изученной им фауной и современной не было перерыва.

Интересно, что Ламарк, занимаясь другими организмами -- беспозвоночными -- пришел к выводам, прямо противоположным Кювье, и первый высказал мысль о том, что виды в организованном мире не есть нечто неизменное. Ламарк был первый эволюционист. Объяснить причинность такого различия в выводах, к которым пришли Кювье и Ламарк, в настоящее время не затруднительно. Изучение ископаемых организмов показало, что чем проще организована форма, тем она может вынести большее разнообразие внешних изменений, и обратно -- крупные и сложно организованные животные обладали во времени меньшей продолжительностью жизни.

Итак, трудами Вернера, Вильяма Смита, Кювье и Ламарка был составлен в грубых чертах том летописи жизни Земли. Но возникший со времени Вернера спор между нептунистами и вулканистами стал мало-помалу принимать ожесточенный характер и явился новым тормозом при развитии успехов геологии. Конечно, параллельно с усилением этих споров стало появляться все более и более рационалистов-геологов, которые хорошо понимали, что материала собрано для спора еще слишком мало. Стали мало-помалу организоваться специальные геологические общества, и первое по времени возникло английское геологическое общество, которое пошло по стопам Вильяма Смита. Многочисленной группе ученых удалось, изучая детали, восполнить пробелы, произвести более подробные подразделения в обширном томе летописи Земли. Оставалось найти метод для чтения этой летописи.

Такой метод дал английский геолог Чарльз Ляйелль; в период от 1830-33 гг. вышли его знаменитые выпуски "Principles of Geology". Этот метод можно назвать индуктивным, и основа его лежит в изучении современных геологических явлений. Прямое сравнение результатов этих последних явлений показало Ляйеллю, что и в предшествующие геологические эпохи те же явления оставляли после себя те же последствия, что и в настоящее время. Атмосфера и ныне, как и в прежние времена, с тех пор, как она появилась оболочкой вокруг земного шара, всегда должна была действовать на поверхность Земли своей температурой, составом и массой, и при том общее направление ее деятельности было нивелирующее. Такое же влияние должна была обнаружить и вода, как в твердом, так и в жидком состоянии, и также с момента ее осаждения на поверхности Земли. В самые ранние моменты ее осаждения можно допустить разве только некоторое различие в химической роли, потому что, исходя из гипотезы Канта-Лапласа, эта роль должна была быть более энергичной, так как вода в то время обладала более высокой температурой. В союзе с двумя предшествующими деятелями и ныне, и в прежние времена, с момента их появления, являются организмы, которые скоплениями своих твердых частей в виде остатков или внутреннего, или наружного скелета выравнивают и заполняют неровности и также стремятся придать Земле однообразный вид.

Как бы противовесом вышеупомянутому союзу является четвертый геологический деятель, присущий нашей планете с момента ее зарождения, -- вулканизм, стремящийся в различных своих проявлениях нарушить то однообразие, к которому стремится в окончательной своей деятельности атмосфера, вода и жизнедеятельность растительных и животных организмов. Современные геологические деятели то изменяют земную поверхность медленно и постепенно, то напоминают о себе разрушительными катастрофами. При такой постановке метода, конечно, уже нет никакой необходимости прибегать к вымыслам и гипотезам, в основу которых не положена индукция из современных геологических явлений. В другом своем сочинении, "The Elements of Geology", вышедшем в 1838 г., Ляйелль применил вышеуказанный метод к реставрации древних памятников жизни Земли, и отдельные страницы такого восстановления древней природы поразительны по своим деталям. Кроме того, при изучении геологической классификации Ляйелль для некоторых образований предложил своеобразный и весьма интересный метод, основываясь на сходстве ископаемой фауны с ныне живущей в соседних морях. Таким образом ему удалось в ряду третичных отложений найти известную последовательность, руководствуясь постепенным приближением в сходстве фаун различных третичных образований с ныне живущей фауной ближайших морей и океанов. земля геодинамика гидрогеология полезный ископаемый

Опытный метод также не остался чужд геологии. В сороковых годах нынешнего столетия химик-геолог Бишоф путем лабораторных исследований показал возможность решить некоторые геологические вопросы в лаборатории. В особенности громадная заслуга этого ученого заключается в показании химической роли воды на различные минералы и горные породы, а также для выяснения вопроса о различных химических изменениях, происходящих в твердой земной коре под влиянием циркулирующей в ней воды. Другой ученый -- француз Добрэ -- доказал возможность искусственным путем показать то, что под влиянием физических и механических процессов совершается с твердой корой Земли в природе. Наконец, в 1858 г. англичанин Сорби применил микроскоп к изучению горных пород и показал, что осторожным стачиванием твердых и непрозрачных горных пород можно получить тонкие и прозрачные препараты, доступные изучению при сильных увеличениях микроскопа. Такой метод дал возможность детально изучить составные части горных пород и разложить те из них, которые до применения микроскопа являлись вполне однородными. Этот метод нашел быстрое применение в Германии, и в руках Циркеля, Фогельзанга, Розенбуша, Ласо и др. эта часть геологии о горных породах возросла до отдела самостоятельных знаний. Если в Германии первая работа в этом направлении появилась в 1864 г., то в России надо отметить 1867 г. Позднее Фукэ и Мишель-Леви применили этот метод во Франции; в Англии он нашел применение только недавно. Помимо установки классификации этот метод дал возможность судить о способе образования горной породы и заглянуть в процессы тех видоизменений, которым она подвергается, т. е. изучить минеральную их жизнь, а равно проследить и за процессами выветривания, а с ними и распадения плотной породы в рыхлый материал.

Итак, с одной стороны, исторический путь, выяснивший значение геологии, с другой -- нахождение методов для чтения прошедшей жизни Земли, -- все это совместно содействовало созданию науки, и некоторые из ее отделов стали принимать такие размеры, что близко время их выделения в область особых знаний. Впрочем, уже и ныне геологи распадается на несколько отделов, изучение которых должно предшествовать преследованию основной задачи геологии, т. е. классификации и реставрации памятников Земли.

3. Разделы геологии

Первым отделом будет отдел о современных геологических явлениях; он известен также под именем динамической, или физической геологии -- наименований, не исчерпывающих собой современных геологических явлений, в разряд которых, кроме явлений механических и физических, входят и явления химические. Задачей этого отдела служит изучение тех явлений, которые на глазах людей изменяют поверхность Земли и обусловливают этим как известные формы, так и известные образования. Таким деятелем служит атмосфера, влияющая на Землю своей температурой, составом и массой. Это ее влияние надо признать за нивелирующее: она стремится понизить высоты и материалом их выстлать неровности. Другим деятелем является вода, действующая на Землю как в жидком, так и в твердом состоянии. В жидком состоянии деятельность воды может быть или механической, или химической. Когда вода стекает по поверхности Земли из мест возвышенных в места низменные, то обладает известной скоростью течения, которая будет обусловливать возможность переноса измельченного материала земли в механически взвешенном состоянии, а равно и отложение его там, где скорость течения уменьшится. Но часть воды будет также просачиваться в горные породы и действовать на них как растворитель, в среде которого могут происходить разнообразные химические превращения. Значение последних усиливается, если обратить внимание на то, что на глубинах давление больше одной атмосферы, что, в свою очередь, должно увеличивать интенсивность растворения и химических превращений. Скопление на высоких горах и в странах полярных воды в твердом состоянии было бы чрезмерно, если бы природа не практиковала известной разгрузки этого запаса. Такая разгрузка идет путем образования и падения лавин, а равно и ледяными реками, известными под именем ледников, или глетчеров. Лавины и ледники запечатлевают на Земле следы своего пребывания чрезвычайно резкими чертами. Деятельность воды в общем так же, как и атмосферы, нивелирующая. Третьим деятелем, изменяющим поверхность Земли, является жизнедеятельность растительных и животных организмов. Растения, умирая, скапливают более или менее значительные массы органического материала. Если он постепенно вводится в виде корней в разрыхленные части земной поверхности, то этим путем получаются растительные почвы, распространение которых в природе громадно. Если остатки растений погребаются в воду, то процесс разложения остатков принимает другое направление, чем на открытом воздухе, где органический материал под влиянием кислорода воздуха сгорает вполне, остаются только в виде золы минеральные части, входящие в состав растений. Под водой в силу недостатка кислорода разложение растений идет главным образом за счет составных частей самих растений, при этом образуется довольно много разнообразных органических соединений в виде сложных кислот, соединений нейтральных и в особенности углеводородов, выделение которых из болот есть явление весьма обыкновенное, и одному из выделений даже дано название болотного газа. Таким путем в котловинах, в сырых климатах может скопиться более или менее значительный запас полуразложившихся растений (торфа), уже значительно обогатившихся углеродом и обедневших другими составными частями. Таким же путем может происходить скопление растений и в котловинах дна озер, морей и океанов при посредстве отчасти водных растений, отчасти от выноса реками в эти бассейны наземной растительности. Постепенное разложение их под водой с течением времени, конечно, может обусловить значительное обогащение углеродом и образование различных бурых, каменных углей и антрацитов. Различие разложения растений на открытом воздухе и в воде, в свою очередь, объясняет, почему растительные почвы в различных местах земного шара представляют такое значительное разнообразие. В климатах сырых в них больше органических кислот, чем в климатах сухих, а там, где влаги выпадает очень мало, растительный материал, введенный в почву, может совершенно сгореть, от него останется только зола, и растительной почвы не будет; рыхлый материал земной поверхности, ничем не связанный, сделается в таких местах достоянием ветра и может подвергнуться движению и нагромождению в форме дюн или барханов. Жизнедеятельность животных также содействует скоплению на поверхности Земли твердого материала, как остатка внутреннего или наружного скелета. Конечно, таких скоплений будет больше там, где животные живут колониями, и действительно, в морях этим путем образуются скопления раковинных банок или мелей; в океанах как моллюски, так в особенности кораллы производят своими скелетами грандиозные сооружения, измеряемые иногда сотнями километров. Наконец, и низкоорганизованные животные, как корненожки или оригинальный ботибий, также перерабатывают сернокислую известь морской воды в углекислую и отлагают ее или в форме скорлупы, или своеобразных выделений, и этим содействуют скоплению известкового ила на широких пространствах дна океана. Принимая во внимание, что жизнедеятельность животных обнаружила свое влияние на Землю с момента их появления, очевидно, и за животными надо признать один из важных факторов.

Четвертым деятелем, изменяющим поверхность Земли, будет вулканизм, под именем которого понимают то влияние, какое обнаруживает внутренняя теплота Земли на ее поверхность. Изучать это влияние возможно: в явлениях поднятий и опусканий различных участков земной поверхности, т. е. изучая обмен между сушей и морем; в явлениях землетрясений и в деятельности вулканов. Обмен между сушей и морем может происходить или быстро, или медленно. Быстрые поднятия и опускания свойственны странам вулканическим, где иногда в береговой полосе после извержения соседнего вулкана или после землетрясения можно сразу определить величину изменения. Медленный обмен между сушей и морем выражается иногда цифровыми величинами ничтожных размеров, и наблюдать его можно веками -- вот почему эти явления иногда называют вековыми; вековым колебаниям подвержены значительные участки суши. Достаточно указать, что Скандинавия с Финляндией, север Европейской и Азиатской России до Берингова пролива находятся в состоянии такого поднятия. Южная часть Скандинавии и побережье Пруссии, Голландии и Бельгии подвержены вековым опусканиям, равно как и дно Тихого океана, а в Индийском -- идет чресполосно поднятие, сменяющееся опусканием, и т. д. Если у большинства геологов относительно быстрых колебаний нет особого разногласия в смысле принадлежности их к явлениям вулканическим, то того же нельзя сказать относительно вековых колебаний. В настоящее время можно найти объяснения причинности их и другие. Так, одни объясняют вековые колебания минеральной жизнью горных пород, другие -- явлением прилипания воды морей и океанов к материкам и зависимость таких прилипаний от величины материков и возможности их увеличения или уменьшения. Колебания поверхности Земли, или землетрясения, точно так же, по-видимому, могут быть вызваны различными причинами, хотя те из них, которые занимают большие пространства, едва ли найдут удовлетворительное объяснение помимо вулканизма. Те геологи, которые не признают за землетрясениями явлений вулканических, возводят их в особый разряд явлений сейсмических. Проявление вулканизма, наиболее доступное для изучения, представляют вулканы. Здесь на глазах людей из недр Земли появляются огненно-жидкие массы, свидетельствующие о нахождении внутри Земли высокой температуры. Изучение продуктов, доставляемых вулканами, строения этих последних, явлений, сопровождающих извержение и ему предшествующих и последующих, -- все это дает до известной степени ключ и к изучению механизма извержения. Во всех своих проявлениях вулканизм нарушает то однообразие, к которому стремятся атмосфера, вода и жизнедеятельность организмов. Явления опусканий и поднятий могут обуславливать изменения в распределении климатических условий на земной поверхности и вызывать значительные уклонения в этих последних. Концентрированием материков у полюсов или у экватора можно вызвать два крайних предела в таких изменениях. Первое должно дать климат на всей Земле однообразный, холодный, содействующий образованию больших околополярных ледников или глетчеров; второе -- представить климат всей Земли теплый и влажный. Конечно, между этими двумя крайностями много промежуточных форм в распределении материков и морей, а с ними и разнообразных климатов. Землетрясения еще резче нарушают однообразие земной поверхности, вызывая на этой последней образование трещин, провалы, перемещения значительных масс земли и т. п. Вулканы нагромождают на Земле продукты своей деятельности, часто в громадных массах, и содействуют образованию высочайших гор на поверхности Земли. Этна, Эльбрус, Казбек, Тенерифский пик, Гвалатиери, или Сагама, и целый ряд других высочайших гор суть продукты вулканической деятельности. Если атмосфера, вода и организмы могли обнаружить свое влияние на Землю с момента их появления, то вулканизм присущ Земле с момента ее образования. Современное состояние Земли показывает, что борьба между различными геологическими деятелями далеко не окончена и, вероятно, захватит собой еще несколько геологических эпох, и в этой борьбе надо видеть жизненность нашей планеты, потому что в случае уничтожения одного из главных деятелей, например, воды или вулканизма, Земле грозит или смерть, или то безотрадное состояние, которое представляет собой спутник Земли -- Луна.

Второй отдел геологии, почти уже достигший размеров самостоятельной науки, изучает состав твердой оболочки Земли: это петрография, или наука о горных породах. Изучение последних показало, что горные породы представляют агрегат или одного, или нескольких минералов, или являются составленными из обломков других пород. Отсюда можно видеть, что горные породы легко подразделить на породы простые, сложные и обломочные. Указанный выше микроскопический метод изучения горных пород представил возможность заглянуть детальнее в их состав при помощи микроскопа и разложил на составные части даже такие породы, состав которых был недоступен невооруженному глазу.

При помощи микроскопического метода изучения установилась классификация горных пород и выводится известная закономерность в сочетании различных минералов между собой. В таком сочетании минералов, образующих горные породы, можно усмотреть, что в состав простой и сложной горной породы входят как главные, так и побочные минералы, и при этом наблюдается, что некоторые из них могут, как бы замещать друг друга, т. е. являются эквивалентами один другого. Такая эквивалентность уже теперь для некоторых случаев находит себе простое объяснение в минеральной жизни горной породы. Хотя в некоторых сложных породах уже невооруженному глазу была доступна для изучения та промежуточная основная масса, которая иногда связует между собой отдельные минералы, но при помощи микроскопа явилась возможность не только ее детального изучения, но и находки ее в горных породах иногда в ничтожных количествах. Такое изучение заставляет смотреть на основную массу как на кристаллизационный остаток, сохранившийся в породе со времени ее образования, а так как породы, содержащие основную массу, есть породы изверженные, то и кристаллизационный остаток их сохранился со времени охлаждения породы. Наблюдения под микроскопом над горными породами дали возможность на основании более положительных данных судить о способе происхождения горной породы и заглянуть в их минеральную жизнь. Материал для суждения о способе происхождения дают различные посторонние включения в минералах и основной массе горной породы; в некоторых случаях можно даже по этим включениям судить и о температуре, которая была при образовании горной породы. При пособии микроскопа теперь возможно следить за малейшим изменением горных пород от зародышевого состояния и в некоторых случаях наблюдать даже полнейшее замещение таким путем одних составных частей -- другими, которые и являются петрографическими эквивалентами первых. Такое перерождение одного минерала в другой иногда сопровождается освобождением некоторых химических составных частей в виде рудных минералов, а это, в свою очередь, бросает новый свет на образование некоторых руд и объясняет старинное, не имевшее до настоящего времени научного основания выражение, почему такая-то руда "любит" такую-то горную породу. Направление в характере перерождения одного минерала в другой под влиянием циркулирующих в горных породах вод может вызвать не только изменение одной породы в другую, причем порода сохранит плотность, но и ее распадение на составные части, т. е. выветривание, которое можно назвать смертью горной породы.

Третий отдел геологии составляет палеонтология, т. е. наука об ископаемых организмах. Она изучает остатки как растительного, так и животного царства, реставрирует их и находит им место в ряду других растений и животных. Заимствуя у геологии коэффициент -- время, палеонтология могла подметить генетическую связь одних организмов с другими и для некоторых построить более или менее полный генетический ряд, связанный переходами. Обилие ископаемого материала отвлекает палеонтологов от более широких обобщений целых флор и фаун; этой стороной дела до сих пор занимается историческая геология. Но со временем надо ожидать, что при расширении палеонтологических сведений палеонтологу предстанет задача подметить законность в изменении общего характера флор и фаун во времени, а не довольствоваться только их изучением и в редких случаях попытками к разъяснению изменения флор и фаун в горизонтальном их распределении.

Четвертый отдел составляет стратиграфия. Так как твердая оболочка Земли слагается из горных пород, в которых иногда встречаются ископаемые организмы, то и стратиграфия легко распадается на петрографическую и палеонтологическую. Первая изучает условия залегания различных горных пород, подмечает все нарушения, которые могут быть вызваны явлениями позднейшими в нормальном их залегании, учит ориентироваться в природе при подобного рода определениях, рассматривает причины вывода слоев из их первоначального положения, образования в них складок и сдвигов, сохранение остатков памятников жизни Земли от древних размываний, как, например, образование и сохранение террас, и изучает с вышеуказанных сторон пластику, т. е. наружные очертания, и тектонику, т. е. внутреннее строение земной поверхности. Палеонтологическая стратиграфия изучает процессы сохранения организмов природой, связь их с местообитанием, т. е. зависимость их пребывания от глубины, температуры, света, природы берега и дна водного бассейна, состава воды и размеров бассейна. Так как для толкования прошедшего жизни Земли как метод принята индукция, то знакомство с зоологическими и ботаническими провинциями и с батометрическими зонами составляет для этого отдела существенную необходимость. Этот же отдел занимается разъяснением вопросов об одновременности геологических отложений, а равно и о виде в геологии. Только после изучения вышеуказанных четырех отделов можно перейти к изучению памятников Земли в обширном смысле этого слова.

Таким изучением занимается пятый отдел -- историческая геология, в прежнее время называемая геогнозией, которая, впрочем, не задавалась вопросами реставрирования различных моментов жизни Земли. Историческая геология изучает памятники жизни Земли как с точки зрения петрографической и палеонтологической стратиграфии, так и с точки зрения их взаимных отношений. Отсюда является возможность классификации этих памятников, т. е. распределение их во времени. Такое распределение, конечно, должно носить известный характер искусственности, потому что не было перерывов в жизни Земли. Но эта искусственность необходима, потому что дает возможность более просто обнять все разнообразие изменений, которым подверглась наша планета. В настоящее время все памятники жизни Земли подразделяются по древности на четыре больших группы: архейскую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Группы делят на системы: архейскую -- на лаврентьевскую и гуронскую; палеозойскую -- на силурийскую, девонскую, каменноугольную и пермскую; мезозойскую -- на триасовую, юрскую и меловую, и кайнозойскую -- на третичную и четвертичную. Между системами найдены и переходные образования, но их для простоты обзора приурочивают условно то к одной, то к другой системе. Системы подразделяются на отделы, отделы на ярусы или этажи, последние на комплексы или группы слоев, а слой -- есть уже наименьшая стратиграфическая единица. Такое распределение памятников жизни Земли и их детальное изучение дает возможность восстановить прошедший вид Земли в различные моменты ее жизни и ее население. Для такой реставрации геологи употребляют особые термины, желая отметить, реставрируется ли целая группа или система и т. д. Для реставрации во времени для группы употребляют термин эра, например, палеозойская эра; для системы -- период, например, силурийский период; для отдела -- эпоха, и самым мелким отделом во времени будет век, соответствующий ярусу. Так как памятники жизни Земли изучаются в их взаимном отношении, а в природе эти отношения выражаются или естественными (в горных и речных долинах, в оврагах), или искусственными (выемками земли человеком) разрезами, которые можно точно изобразить и проектировать на обыкновенные географические карты. Такая проекция, выраженная условными знаками или краской, дает так называемую геологическую карту. Знания истории Земли еще далеки от того совершенства, к которому стремится геология. Правда в последние сорок -- пятьдесят лет было найдено много промежуточных звеньев между отдельными и кажущимися разрозненными геологическими образованиями, были сделаны находки и вполне самостоятельных отложений, в значительной мере изменяющих наши воззрения, -- тем не менее еще есть очень много пробелов в книге летописи Земли. Существование таких пробелов сделается ясным, если обратить внимание на сравнительно недавнее возведение геологии. в цикл самостоятельных и важных для государств наук, а равно и на то, что геология возникла в Европе на основании исследования только этой страны, которую нельзя, в свою очередь, принять за страну вполне изученную. Другие страны представляют для будущих исследователей обширное поприще, и уже теперь известно, как случайные находки путешественников в этих малоизученных странах открывают новые и интересные материалы. Достаточно указать на случайные находки по течению Вайт-Ривера в Дакоте (Сев. Америка) -- оригинальной фауны наземных млекопитающих животных третичного периода, или таковых же в холмах Сивалика в Индии, чтобы представить себе, насколько должен будет расшириться кругозор по мере изучения стран малоизвестных и какой новый материал для разнообразных выводов будет этим доставлен. Эта отдаленность геологии от ее предполагаемого идеала, конечно, должна представить ту необыкновенно заманчивую сторону, которая невольно увлекает людей и служит стимулом живучести самой науки. Успехи ее ныне должны с каждым годом делать все более и более крупные шаги, потому что по мере увеличения частных адептов геологии в ее успехах заинтересовались и правительства, признающие, что с успехом геологии находятся в связи и открытия различных полезных ископаемых. Под влиянием последнего учреждены в различных странах специальные геологические институты, которым вменено в обязанность составление для данной страны детальных геологических карт.

4. Два главных направления современных исследований

Глубинная геодинамика

В последнее десятилетие определились два главных направления исследований в науках о Земле - глубинная геодинамика и ранняя история Земли. В задачу глубинной геодинамики входит изучение физических и химических процессов, протекающих в недрах Земли ниже уровня 400 км, т.е. границы собственно верхней мантии, образующей вместе с корой тектоносферу - основную область проявления тектоники плит. Для решения этой задачи в настоящее время применяются три метода: сейсмическая томография, экспериментальная минералогия и математическое моделирование. Применение двух из них стало возможным с появлением современных суперкомпьютеров, а эксперименты над минералами в условиях давлений и температур, господствующих в мантийных глубинах, - с созданием аппаратов, воспроизводящих эти термодинамические условия. Дополнительные материалы для суждения о том, что происходит с веществом на соответствующих глубинах, дают алмазоносные кимберлитовые трубки, которые, как недавно выяснилось, выносят минералы с этих глубин.

Основное внимание исследователей в наши дни приковано к двум глубинным уровням: границе на 670 км между нижней мантией и переходной зоной к верхней мантии и к границе на 2900 км между мантией и ядром, к так называемому слою D'', по общепринятой терминологии, впервые предложенной австралийским геофизиком К. Булленом. Некоторое внимание уделяется также границе на 400 (410)км между собственно верхней мантией и переходной к нижней мантии зоной (слой Голицына, названный так в честь основоположника русской сейсмологии). На всех этих границах наблюдается заметный скачок в изменении скорости распространения сейсмических волн, свидетельствующий о соответствующем изменении фазового состояния вещества, о смене одних минеральных видов с глубиной другими. На границе мантия-ядро происходит не только смена твердого состояния, характерного для мантии, жидким, характерным для внешнего ядра, но и замещение силикатов, слагающих мантию, железоникелевым, с небольшой примесью некоторых других элементов, веществом ядра.

Менее ясно положение с границей на глубине 670 км. Очевидно, что это в основном фазовая граница, но существуют данные, свидетельствующие о том, что здесь может происходить и некоторое изменение химизма, в частности увеличение содержания железа с глубиной. Вопрос этот приобрел кардинальное значение. Дело в том, что в классической тектонике плит принималось, что конвекция в мантии охватывает ее целиком. Между тем, если сведения об изменении химического состава на данной границе достоверны, конвекция должна протекать раздельно в нижней и верхней (включая переходную зону) мантии. Моделирование, в частности проведенное в нашей стране, показывает, что это вполне возможно, но прямые доказательства в данном случае дает сейсмотомография, которая стала главным инструментом глубинной геодинамики. Конкретно речь идет о том, пересекают ли эту границу погружающиеся вдоль зон субдукции холодные пластины океанской литосферы, которые характеризуются повышенными скоростями распространения сейсмических волн. Исследования, проведенные на нескольких участках таких зон, окружающих Тихий океан, не дали, однако, однозначного результата. Оказалось, что в одних случаях субдуцируемые плиты останавливаются на этой границе, загибаясь вдоль нее в направлении своего наклона; в других случаях пластины ее пересекают, испытывая различные изгибы и как бы встречая сопротивление; в третьих погружаются почти отвесно, достигая границы ядра. Наиболее правдоподобное объяснение этих сложностей, предложенное французскими и японскими исследователями, заключается в том, что данная граница "полупрозрачна", субдуцируемый материал на ней задерживается на какое-то время (его определяют цифрой примерно в 500 млн. лет, значение которой см. ниже), и когда его накопление достигает некоторой критической массы, проваливается в нижнюю мантию и может достигать ядра.

Границе мантия-ядро придается исключительно важное значение: она рассматривается как базальный уровень зарождения мантийных струй - плюмов. Как показывают опять же данные сейсмотомографии, это справедливо на крайней мере для наиболее крупных из них, так называемых суперплюмов, проявляющихся на поверхности Земли не в виде горячих точек, а целых горячих полей, как их назвали Л.П. Зоненшайн и М.И. Кузьмин. Наиболее типичное такое поле известно в юго-западной части Тихого океана; сейсмотомография установила под ним область разуплотнения мантии вплоть до ее границы с ядром. Однако другие мантийные струи могут подниматься и с меньших глубин, в частности с границы 670 км, и питаться за счет накапливающегося здесь субдуцируемого материала, как предположил австралийский геохимик А. Рингвуд.

Происходящие в слое D'' процессы некоторые исследователи привлекают для объяснения такого замечательного явления, как периодические инверсии магнитного поля Земли, выражающиеся в быстрой смене магнитных полюсов на полюсы противоположного знака. Обнаружена определенная корреляция между частотой таких инверсий и активностью мантийных струй - эпохи появления суперплюмов отвечают эпохам спокойного магнитного поля, т.е. отсутствия инверсий, подобно середине мелового периода.

Ранняя история Земли

На втором главном направлении современных исследований - изучении ранней истории Земли - в последние годы также достигнуты существенные успехи, хотя далеко не все вопросы могут считаться решенными. Эти успехи выражаются, прежде всего, в охвате геологическими исследованиями практически всех основных регионов распространения раннедокембрийских пород, так называемых щитов древних платформ. В этих исследованиях основное внимание уделено определению абсолютного возраста горных пород радиоизотопными методами. В настоящее время достигнута поразительная точность - первые миллионы лет для пород с возрастом более трех миллиардов лет.

Однако возраст древнейших пород, сохранившихся на поверхности Земли, не превышает 4,0 млрд. лет, а возраст переотложенных в более молодых породах зерен циркона, обнаруженных в Австралии, составляет 4,2 - 4,3 млрд. лет. Иначе говоря, первые 300 и даже 600 миллионов лет существования Земли остаются недокументированными. Тем не менее высказываются предположения, что первоначально, когда Земля еще была сильно разогрета, на или близ ее поверхности существовал "магматический океан", в результате застывания которого образовалась первичная базальтовая или близкая по составу кора Земли. Примерно одновременно за счет конденсации водяных паров, окутывавших Землю, образовалась ее водная оболочка - гидросфера. Повторное плавление этой коры либо под влиянием мантийных струй, либо в первых зонах субдукции привело к возникновению островов континентальной, вернее, протоконтинентальной коры, сложенной натровыми гранитоидами, превращенными в гнейсы. Это так называемые "серые гнейсы", распространенные на всех древних щитах. Именно по ним получены самые древние возрастные определения - 4,0 - 3,2 млрд. лет. В среднем и вполне определенно в позднем архее, т.е. после 3,5 млрд. лет активно развивались вулканические дуги, сформированные на первичной, остаточной или вторичной, новообразованной при растяжении океанской коре над зонами субдукции. Эти дуги последовательно примыкали к древним "серогнейсовым" ядрам, наращивая их. Таким образом, к концу архея, т.е. 2,7 - 2,5 млрд. лет назад, возникли уже значительные площади континентальной коры, которые, вероятно, слились в единый суперконтинент, первую Пангею в истории Земли. Мощность этой коры достигла нормальной для современных континентов мощности в 35 - 40 км, низы ее под влиянием высоких давления и температуры испытали значительный метаморфизм, а на средних уровнях произошло выплавление больших масс гранитов, теперь уже содержавших больше окисла калия, чем натрия.

В начале протерозоя (2,5 млрд. лет назад) произошла крупная перестройка структурного плана Земли. Возникший в конце архея суперконтинент - первая Пангея - претерпел деструкцию и к 2,3 - 2,2 млрд. лет распался на отдельные, относительно небольшие континенты, разделенные бассейнами с новообразованной океанской корой. Соответственно раннепротерозойская тектоника может быть названа, вслед за канадским геологом А. Гудвином, тектоникой малых плит, в то время как позднеархейская тектоника - эмбриональной тектоникой плит. К концу раннего протерозоя (около 1,7 млрд. лет) континенты вновь спаялись в единый суперконтинент; образовалась новая Пангея. Распад этой Пангеи начался после 1,0 млрд. лет, хотя частичная ее деструкция и восстановление могли иметь место и в промежутке между 1,7 и 1,0 млрд. лет. В интервале 1,0 - 0,6 млрд. лет структурный план земной коры претерпел радикальные изменения и существенно приблизился к современному; с этого времени, как отмечалось, вступила в действие полномасштабная тектоника плит. Возник Тихий океан, наметились прообразы современных Северной Атлантики и будущего широтного океана Тетис, разделившего континенты на северную и южную группы. Но к концу палеозойской эры все континенты вновь спаялись в единый суперматерик; это и есть вегенеровская Пангея.

Таким образом, в истории Земли, как теперь выяснилось, неоднократно происходило формирование и затем распад Пангеи. Длительность таких циклов составляет 500 - 600 млн. лет, т.е. отвечает времени смены двухъярусной конвекции общемантийной (см. выше). Но на эту крупномасштабную периодичность изменения конвективного режима земных недр накладывается периодичность меньших порядков, проявляющаяся в усилении или ослаблении противоположно направленных тенденций: растяжения коры - рифтогенеза и ее сжатия - орогенеза. Связано это, очевидно, с периодическим усилением и ослаблением тепловыделения из недр Земли, что, в свою очередь, должно было отражаться на некотором изменении радиуса Земли. Следовательно, постулат классической тектоники плит о неизменности объема Земли вследствие автоматической компенсации спрединга субдукцией может быть принят лишь в самой общей форме, а в действительности Земля может претерпевать некоторую пульсацию своего объема. Мало того, поскольку наша планета, несомненно, испытывает вековое охлаждение, растрачивая запасенное при своем образовании и выделяемое естественно радиоактивными элементами тепло, должна проявляться общая тенденция уменьшения ее радиуса.

Итак, тектоника плит, сохраняя свое значение в качестве основного инструмента анализа истории тектонических движений, деформаций и магматизма, становится лишь частным элементом более общей теории Земли, глобальной геодинамической модели, контуры которой начинают все более явственно намечаться. Эта модель должна учитывать много оболочечное строение Земли и, с одной стороны, автономность протекающих в каждой из оболочек процессов, а с другой стороны, их взаимодействие, которое может носить переменный характер. Должно быть признано равноправие, в объеме всей Земли, конвективного и адвективного (плюм-тектоника) тепломассопереноса. Модель должна также учитывать существование много порядковой периодичности в изменении эндогенной активности Земли наряду с проявлением общей тенденции снижения этой активности в связи с исчерпанием запасов внутреннего тепла. Иначе говоря, модель должна иметь временную, гисторическую компоненту, а не только отражать сиюминутную динамику. Наконец Земля в ней должна рассматриваться как открытая система, подверженная влиянию процессов, протекающих в околоземном космическом пространстве.

Работа над созданием глобальной геодинамической модели, отвечающей перечисленным критериям, уже активно ведется как в нашей стране, так и за рубежом. На данный момент в этом направлении больше всего преуспели наши японские коллеги, судя по опубликованной ими серии статей в юбилейном, сотом номере Журнала Японского Геологического Общества за 1994 год. Основные положения предложенной ими геодинамической модели таковы. В Земле выделяется по характеру господствующих геодинамических процессов три главных области (рис. 2): тектоносфера, охватывающая кору и верхнюю мантию с переходной зоной, нижняя мантия и ядро. В тектоносфере господствует тектоника плит, в нижней мантии - плюм-тектоника мантийных струй и в ядре - "тектоника роста", выражающаяся в разрастании внутреннего ядра за счет внешнего. В связи с тем, что Земля, находясь в холодном космическом пространстве, охлаждается сверху, первотолчком в геодинамических процессах служит погружение в зонах субдукции пластин охлажденной океанской литосферы. Достигнув границы на глубине 670 км, эти пластины здесь задерживаются, пока материала не накопится столько, что он начнет "проваливаться" в нижнюю мантию, достигая, в конечном счете, поверхности ядра. Внедрение этого материала в ядро нарушает проявляющийся в нем режим конвекции и вызывает подъем мантийных струй - плюмов от границы ядра. Достигнув уровня 670 км, эти плюмы расщепляются (рис. 3), проникая далее в верхнюю мантию и порождая здесь восходящие течения, над которыми образуются оси спрединга срединно океанских хребтов (в дальнейшем они могут отклоняться от породивших их плюмов). Так совершается, согласно японской модели, переход от плюм-тектоники к тектонике плит (плейт-тектонике).