Основы геологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

основы геологии

курс лекций

1. СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ. ВЫВЕТРИВАНИЕ

1.1 Земля в космическом пространстве

Земля как планета входит в состав Солнечной системы. Диаметр Солнечной системы до орбиты Плутона достигает 5,9 . 109 км. Само Солнце является звездой среднего размера с диаметром 1,39 . 106 км. Температура на его поверхности определена астрономами примерно в 5600o C, а в недрах - 20 000 000o С. Почти вся солнечная энергия, достигающая Земли, приходит в виде электромагнитного излучения. Земная атмосфера для некоторых длин волн непрозрачна, но тепловое излучение и видимый свет свободно проникают через нее.

Выделяемая Солнцем энергия остается практически неизменной: вариации составляют, вероятно, лишь немногие проценты. Жизнь на Земле может сохраняться в диапазоне температур от минус 100 до плюс 100о С. Существование непрерывно эволюционировавшего ряда ископаемых форм жизни, прослеживаемого по окаменелостям почти на 3 млрд. лет, ясное свидетельство постоянства температуры Солнца на протяжении длительного времени.

Возраст Солнца оценивается примерно в 5 млрд. лет. На Землю постоянно попадают кусочки внеземного вещества - метеориты и метеоритная пыль, изучение которых позволяет судить о строении космических тел, возрасте Солнечной системы, происхождении Земли. Ежедневно на Землю выпадают сотни тонн метеоритной пыли. На суше ее обнаружить практически невозможно, зато в глубоководных осадках океанов и в снежно-ледяном покрове Антарктиды метеоритная пыль различима. Находки метеоритов очень редки, и они ценны в научном отношении. Самый крупный из известных метеоритов весит 59 т, он найден на юго-западе Африки.

Иногда на Землю падают тела намного крупнее, чем обычные метеориты. При ударе крупных космических тел о Землю образуются астроблемы - большие воронки наподобие лунных кратеров размером от сотен метров до десятков километров в диаметре. Глубина таких воронок составляет десятки и сотни метров. Хорошо изучены последствия падения на Землю астероида диаметром около 10 км, происшедшего примерно 65 млн. лет назад [7]. На подходе к Земле он развалился на несколько обломков, которые образовали астробллемы по всей планете. Это - Чиксулуб в Мексике (диаметр 180 км), Кара (60 км) и Усть-Кара (25 км) на Полярном Урале, Менсон (35 км) в штате Айова в США, Каменка (25 км) и Гусевка (1 км) в Донбассе. Пыль и пар, выброшенные в атмосферу из кратеров, образовавшихся при взрыве обломков, на много лет затмили Солнце и вызвали резкое долговременное похолодание. Но, пожалуй, самым страшным бедствием были кислотные дожди. В Мексике существовали соленосные отложения большой мощности, и при образовании кратера Чиксулуб испарилось огромное количество ангидрита CaSO4. На Землю выпал дождь из серной кислоты, в среднем 1200 г кислоты на каждый квадратный километр поверхности планеты. Такое сочетание неблагоприятных условий вызвало гибель растений и животных на суше и в верхних слоях океанических вод до глубины 200 м.

Земля - одна из 9 планет, вращающихся вокруг Солнца (рис. 1.1). Перечислим их в порядке удаления от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Первые четыре планеты каменные, остальные газовые.



Рис.1.1. Строение Солнечной системы

Орбиты планет по форме близки к круговым и лежат почти в одной плоскости. Кроме планет, вокруг Солнца движутся 33 спутника планет, не менее 50 тысяч мелких твердых астероидов и бесчисленное множество метеоритов, - все это и образует Солнечную систему. Членами Солнечной системы являются также кометы - туманные объекты со светлым ядром в центре и с более или менее развитым хвостом. Весь объем кометы практически заполнен разреженным газом. Орбиты комет имеют очень большой эксцентриситет, они вылетают далеко за орбиту Плутона. Период их обращения вокруг Солнца составляет многие десятки или сотни лет. Самая знаменитая для землян комета Галлея, которую можно наблюдать один раз в 79 лет, когда она пролетает вблизи орбиты Земли.

Масса Солнца составляет 99,8 % общей массы Солнечной системы, а масса Юпитера - крупнейшей из планет - всего около 0,1 %. Поэтому Солнце представляет собой центр притяжения для всех тел, однако планеты и их спутники обладают достаточной орбитальной скоростью, чтобы не упасть на Солнце под действием его гравитационного притяжения.

Земля - самая крупная из четырех каменных планет, близких к Солнцу.

Расстояние ее от Солнца около 150 млн. км. Скорость движения по орбите 29,7 км/сек, полный оборот по орбите она совершает за 365,26 суток. Период вращения составляет 24 часа. В результате этого вращения возникло небольшое экваториальное вздутие и полярное сжатие, так что диаметр в экваториальном сечении на 43 км больше диаметра, соединяющего полюсы вращения. Форма Земли называется геоид.

1.2 Строение Земли

Поля Земли. Земля имеет свое тепловое, электрическое, гравитационное поля. Еще Земля окружена магнитным полем, захватывающем обширное пространство. Это геомагнитное поле очень похоже на поле, создаваемое простым двухполюсным магнитом. Оно служит Земле защитой от частиц высокой энергии, с большой скоростью летящих из космического пространства. Поле испытывает сильные вариации; слегка изменяется в масштабе дней или лет и его среднее значение, а в масштабе миллионов лет эти изменения оказываются очень большими. Установлено, что магнитные полюса Земли в истории геологического развития претерпевали инверсию. При этом ориентировка металлосодержащих минералов в процессе породообразования менялась, и эти изменения прослеживаются по всей планете. Учеными разработана геохронологическая палеомагнитная шкала, которая позволяет проводить глобальные сопоставления геологических образований в пределах океанов и материков Земли.



Рис. 1.2. Внутреннее строение Земли

Земля имеет зональное строение (рис. 1.2). Оболочки Земли выделены по скоростям распространения сейсмических волн при землетрясениях и при искусственных взрывах. Средняя плотность Земли 5,52 г/см3.

Земное ядро. Давление в центре Земли достигает 3,5 млн. атмосфер. Объем земного ядра составляет 16,2 % объема Земли, а масса - 32 % всей массы Земли. Предполагается, что внутреннее ядро радиусом 1255 км твердое и имеет плотность около 13 г/см3, что, по-видимому, соответствует состоянию металлического железа при этом давлении. Плотность вещества во внешнем ядре 9,9 - 12,5 г/см3, и оно находится в жидком состоянии. Толщина внешнего ядра равна 2220 км.

Современные специалисты считают, что земное ядро почти на 90 % представляет собой железо с примесью кислорода, серы, углерода и водорода, причем внутреннее ядро имеет железо-никелевый состав, что полностью отвечает составу многих метеоритов.

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку толщиной 2900 км между ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8 % общей массы Земли. Весьма важным элементом в строении мантии является зона, подстилающая подошву литосферы. Физически она представляет собой поверхность перехода сверху вниз от жестких пород к частично расплавленному мантийному веществу, находящемуся в пластическом состоянии и составляющему астеносферу. Верхняя граница мантии и нижняя граница земной коры разделены поверхностью Мохоровичича. На этой границе резко увеличивается скорость сейсмических волн, а плотность вещества возрастает с 2,8 до 3,3 г/см3.

По современным представлениям, мантия имеет ультраосновной состав и является источником землетрясений, вулканических явлений и горообразовательных процессов.

Земная кора имеет толщину в среднем 40 км. Различают океанический и континентальный типы коры. Океаническая кора молодая, толщиной 5-8 км, она двухслойная, состоит из 300-700 м глубоководных осадков сверху и базальтов снизу. Разрастание океанического дна происходит по срединноокеаническим хребтам за счет интенсивной вулканической деятельности (рис. 1.3). В тех местах, где океаническая кора задвигается под континент, возникают глубоководные желоба. Протяженность их может достигать 1000 км и более, а ширина 200-300 км. Такие участки земной коры называют геосинклиналями; в них накапливаются толщи осадков мощностью от 6 до 20 км. Стадия осадконакопления может длиться десятки и сотни миллионов лет. Затем наступает орогеническая стадия (стадия горообразования), во время которой толщи пород деформируются с образованием складок и разрывов, испытывают метаморфизм и прорываются интрузиями. В орогеническую стадию происходит поднятие территории, затем следует размыв и возобновляется накопление осадков, часто уже в неморской обстановке.



Срединно-океанический хребет, где формируется новая кора

Рис.1.3. Разрастание океанического дна

Континентальная кора сложена тремя слоями (рис. 1.4). Верхний осадочный слой - это преимущественно песчано-глинистые осадки и карбонаты мелководных морских бассейнов. Слой отсутствует на древних щитах и достигает мощности 15-20 км в краевых прогибах платформ. Под осадочным залегают два слоя кристаллических пород, между которыми проходит слабо выраженный раздел. Скорость сейсмических волн в верхнем слое соответствует той скорости, которая характерна для гранита, а в нижнем слое - для габбро или базальта. Поэтому верхнюю часть земной коры называют гранитным слоем, а нижнюю - базальтовым. Отличием континентальной коры от океанической является наличие в ней гранитного слоя.



Рис. 1.4. Схема строения континентальной и океанической коры

1 - осадочный слой; 2 - гранитный слой; 3 - базальтовый слой; 4 - мантия

Под высокими горами мощность коры увеличена за счет гранитного слоя, и чем выше горы, тем толще кора. Например, под Гималаями мощность земной коры максимальная и достигает 70 км.

Важным обстоятельством, отличающим земную кору от других внутренних геосфер, является наличие в ней повышенного содержания долгоживущих радиоактивных изотопов урана, тория, калия, причем их наибольшая концентрация отмечена для гранитного слоя континентальной коры. В океанической коре радиоактивных элементов очень мало.

Литосфера - это каменная оболочка Земли, объединяющая земную кору и подкоровую часть верхней мантии (см. рис. 1.3). Характерным признаком литосферы является то, что в нее входят породы в твердом кристаллическом состоянии, и она обладает жесткостью и прочностью. Расположенная под литосферой пластичная оболочка мантии - астеносфера не обладает прочностью и может течь даже под действием очень малых избыточных давлений.

В начале XX века А. Вегенер выдвинул гипотезу дрейфа материков, которая послужила началом разработки принципиально новой геологической теории тектоники плит, описывающей формирование континентов и океанов на Земле. Толчком к созданию гипотезы явилось поразительное геометрическое сходство очертаний побережий Африки и Южной Америки, но далее гипотеза получила подтверждение при палеонтологических, минералогических и геолого-структурных исследованиях.

Суть теории тектоники плит состоит в следующем. Около 200 млн. лет тому назад все существующие ныне материки были сгруппированы в единый суперконтинент - Пангею. Она состояла из двух крупных частей: северной - Лавразии, включавшей в себя Европу, Азию (без Индостана), Северную Америку, и южной - Гондваны, включавшей Южную Америку, Африку, Антарктиду, Австралию, Индостан. Эти две части Пангеи были разделены глубоким заливом океана Тетиса. Затем Пангея распалась на отдельные плиты, которые «разъехались» по астеносфере и дали начало современным материкам. Сейчас в верхней оболочке Земли ученые выделяют семь крупных плит, семь плит среднего размера и множество мелких. Все плиты под влиянием конвективных течений в мантии перемещаются друг относительно друга, поэтому их границы четко маркируются зонами повышенной сейсмичности.

Различают три вида перемещения плит.

1) Плиты скользят относительно друг друга. На их границах идет активная сейсмическая деятельность.

2) Плиты движутся в разные стороны. При этом в коре образуется система глубинных разломов (рифтовая долина), по которым изливается магма и образуется новая океаническая кора.

3) Плиты движутся навстречу друг другу и сталкиваются. Океаническая плита при этом «подныривает» под континентальную и поглощается мантией. Если сталкиваются континентальные плиты, то происходит смятие их окраинных частей или наползание одной плиты на другую, и образуются горы.

Космические и геофизические наблюдения позволили рассчитать скорость удаления Австралии от Антарктиды - 7 см/год, Южной Америки от Африки - 4 см/год, Северной Америки от Европы - 2,3 см/ год. Красное море расширяется на 1,5 см в год. Индостан сталкивается с Евразией со скоростью 5 см в год, и в месте их сочленения растут Гималайские горы со скоростью 1 см в год.

Атмосфера - это воздушная оболочка, окружающая Землю. 78% ее составляет азот, 21 % кислород, 0,94 % аргон, 0,03 % углекислый газ и остальное - смесь инертных газов и других соединений. Поскольку атмосфера легко поддается сжатию, половина ее массы находится ниже уровня 5500 м. Масса атмосферы составляет менее одной миллионной массы твердой Земли, но ее влияние чрезвычайно велико. Атмосфера поддерживает различные формы жизни на Земле и выполняет другие важные функции. Она действует как термический щит, который отражает или поглощает большую часть радиации, поступающей от Солнца, и защищает Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения. В атмосфере сгорают метеориты. Благодаря атмосфере происходит круговорот воды в природе. Важным агентом переноса пыли и песка является ветер. Кроме того, ветер - движущая сила при образовании волн и прибрежных течений, которые также дают большой геологический эффект.

Атмосфера разделяется на естественные слои (рис. 1.5), определяемые температурой и давлением. Тропосфера представляет собой область конвекции, которая перемешивает массы воздуха; вблизи полюсов высота тропосферы составляет 6 км, у экватора - до 18 км. Пыль и водяной пар сосредоточены преимущественно в тропосфере, и облака образуются в этой зоне. В тропосфере температура в средних широтах уменьшается приблизительно на 1 оС на каждые 160 м высоты. Такая тенденция сохраняется вплоть до высоты 10 - 13 км, где начинается зона почти постоянной температуры, колеблющейся от минус 50 до минус 55 оС. Эта холодная изотермическая зона (зона равных температур) представляет собой основание стратосферы.

Стратосфера представляет собой область холодного чистого разреженного воздуха при отсутствии конвекции, верхняя граница ее располагается на высоте 55 - 60 км. В стратосфере наблюдается медленное повышение температуры с высотой, что объясняется присутствием озона, образующегося под влиянием ультрафиолетовых лучей; в этом слое очень мало взвешенных частиц. Иногда на высоте 20 - 30 км видны перламутровые, или жемчужные, облака, состоящие из кристалликов льда.



После сильных вулканических извержений вулканическая пыль может месяцами или годами держаться в стратосфере, окрашивая восходы и закаты Солнца в яркие цвета. Большое количество вулканической пыли в стратосфере снижает солнечную радиацию, достигающую Земли, и вызывает похолодание климата. Существует предположение, что начало ледниковых периодов было вызвано интенсивными вулканическими извержениями.

Мезосфера, термосфера и экзосфера характерны тем, что в их составе преобладают ионизированные газы, и поэтому эти оболочки объединяют в ионосферу. Высота атмосферы достигает более 2000 км.

Гидросфера - водная оболочка Земли. Она подразделяется на океаносферу, воды суши и ледников. Количество воды в океаносфере составляет 1370 млн. км3, воды суши 4 млн. км3, материковых льдов 16-20 млн. км3. Гидросфера занимает три четверти поверхности суши. Температура воды в поверхностном слое океанов колеблется от минус 3 до плюс 45 оС, а на дне океанов от минус 1,3 до плюс 3 оС.

Средняя глубина современных океанов 3,8 км, наибольшая глубина измерена в Марианской впадине и составляет 11022 м. В Мировом океане содержится в 60 раз больше диоксида углерода СО2, чем в атмосфере, зато кислорода в океане почти в 150 раз меньше, чем в атмосфере. Средняя соленость морской воды равна 35 г/л. Соли представлены преимущественно хлоридами, сульфатами и карбонатами натрия, калия и кальция, но присутствуют также йод, фтор, фосфор, рубидий, цезий, золото и другие элементы.

Свет проникает в воду до глубины 200 м, и здесь сосредоточена практически вся морская фауна и флора. Глубоководные исследования, проведенные в последние годы, позволили установить наличие горизонтальных и вертикальных течений в океанах, которые перемешивают водные массы и делают их пригодными для жизни различных организмов. Гидросфера играет важную роль в проявлении многих геологических процессов, особенно в поверхностной зоне земной коры. Под воздействием гидросферы происходит интенсивное разрушение горных пород, их перемещение и переотложение.

Биосфера. Особую оболочку Земли, составленную из живых организмов растительного и животного происхождения, представляет собой биосфера. Во всей толще океанических вод отмечено существование форм жизни. С глубиной состав биоценозов существенно обедняется, но некоторые приспособившиеся виды существуют и на многокилометровой глубине. Область распространения биосферы ограничивается в атмосфере озоновым слоем (примерно до 50 км над поверхностью планеты), выше которого известные на Земле формы жизни невозможны без специальных средств защиты, как это осуществляется при космических полетах за пределы атмосферы и на другие планеты.

Водоросли океанов и растительность на суше продуцируют кислород на планете. Фауна и флора оказывают большое влияние на состав атмосферы, перераспределение углерода, водорода, кислорода, кальция и фосфора в природе. Благодаря им человечество имеет сегодня в своем распоряжении источники энергии в виде горючих сланцев, бурого и каменного угля, нефти и газа.

1.3 Принцип актуализма

Геология как наука основана принципе актуализма, т.е. на предположении, что главные химические, физические и биологические процессы не зависят от времени. Геологи допускают, что силы и процессы, изменяющие Землю сегодня, действовали в основном таким же образом и в прошлом. Ветры, дожди, реки, вулканы - все они в прошлом влияли на поверхность Земли так же, как это происходит сейчас.

На Земле меняется все. Гранит, традиционное олицетворение прочности, разрушается в конечном счете до состояния рыхлого песка и глины. Камни, которые мы видим на пляже или в речном русле, подвергались в течение долгого времени медленному истиранию и стали округлыми. Следовательно, окатанные обломки, обнаруживаемые в слоях прочных пород, испытали такое же медленное истирание в соответствующей обстановке прошлого. В настоящее время большинство рифообразующих кораллов живет в теплых, светлых, неглубоких водах. Поэтому можно сделать вывод, что древние рифовые массивы также сформировались в теплых, доступных солнечным лучам водах мелкого моря. Сходным образом симметричные знаки ряби, сохранившиеся на поверхности слоя песчаников, свидетельствуют о колебаниях воды над рыхлым песком, находившимся на небольшой глубине, поскольку точно такие же знаки ряби образуются на мелководье и сегодня.

Современный ледниковый панцирь, покрывающий южную Гренландию, царапает подстилающие твердые породы, оставляя на их поверхности тонкие штрихи и глубокие борозды. Отступая, ледник оставляет на своем пути неровные или обточенные выступы поверхности, местами покрытые разнообразной смесью глыб, песка и более тонкого илистого материала. Соответственно считается, что такие же штрихи, борозды и обломочные отложения, обнаруженные, к примеру, в Прибалтике, образованы ледниковым покровом во время древнего оледенения.

Элементом, необходимым для того, чтобы могли осуществиться геологические изменения, является время. Незначительные медленные постепенные изменения человек может не заметить - ни день за днем, ни в течение всей своей жизни. Однако геологические силы, действующие в течение тысяч, миллионов и сотен миллионов лет, способны производить гигантскую работу и многократно перекраивать не только облик Земли, но и строение земной коры в целом. Чтобы понять геологическую историю нашей планеты, надо обладать точными и обширными знаниями как о процессах, происходящих ныне в земных недрах, так и о разрезах древних горных пород.

Геология изучает эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние) процессы. Современный облик Земли формируют вулканические и тектонические явления, деятельность океанов, рек, ледников, ветра. Процессы изменения и преобразования горных пород на поверхности Земли происходят в результате выветривания.

1.4 Выветривание

Твердые породы, выходящие на поверхность, называются коренными породами. Они обычно разбиты трещинами и покрыты рыхлым материалом - наносами. Этот материал состоит из частиц разного размера, образовавшихся из подстилающих коренных пород или из чужеродного материала, принесенного ветром, водой или льдом. Процесс разрушения и изменения коренных пород носит название выветривания. Рассмотрим типы выветривания.

1.4.1 Физическое выветривание

Замерзающая в породах и трещинах вода стремится разрушить породу, так как при замерзании она увеличивается в объеме на 9 %, и в процессе ее кристаллизации создается высокое давление. Лед расклинивает и разрушает породу, особенно уже ослабленную трещинами или затронутую выветриванием. Таким образом легко дробятся породы с высокой пористостью, например, песчаники или частично измененные породы. Нагревание и охлаждение породы также способствует ее растрескиванию. В результате химических реакций минералов с кислородом, водой и углекислым газом возникают новые минералы, которые увеличивают объем породы и действуют подобно ледяным клиньям.

Растения и животные играют заметную роль в физическом выветривании. Корни прорастают в трещины и расщелины и выталкивают куски породы вверх и в стороны точно так же, как они приподнимают и разламывают асфальтовые тротуары. Если ветер валит деревья с корнем, обнажающиеся породы подвергаются дальнейшему разрушению. Дезинтеграции пород способствует рытье нор животными и вытаптывание растительного покрова крупными животными. Люди делают выемки для дорог, проходят тоннели в горах, разрабатывают карьеры и рудники и возделывают землю. Уничтожение дерна на целине, вырубка леса и кустарников, уничтожение растительности огнем нарушают баланс между развитием растительного покрова, выветриванием и эрозией почвы, вызывая при этом убыстрение эрозии и возобновляя выветривание на больших площадях.

1.4.2 Химическое выветривание

Это процесс разрушения, при котором породы распадаются вследствие химического изменения слагающих их минералов. Породы разлагаются, когда образующие их минералы подвергаются гидролизу, гидратации, карбонизации, растворения и окисления. Приведем примеры химических реакций, происходящих при этом.

Гидролиз разрушает атомную структуру кристаллических минералов, особенно силикатов, благодаря действию воды и растворенных в ней ионов. Твердые полевые шпаты выветриваются до каолинита (глинистого минерала):

2 K(AlSi3O8) + 3H2O + 2CO2 = Al2Si2O5(OH)4 + H4SiO4 + 2KHCO3

ортоклаз вода двуокись каолинит кремне- бикарбонат углерода кислота калия

CaAl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2 = Al2Si2О5(OH)4 + Ca(HCO3)2

анортит вода двуокись каолинит бикарбонат углерода кальция

Гидратация - это химическое присоединение воды к минералам горных пород. Реакции гидратации большей частью обратимы; обратная реакция называется дегидратацией. Пример гидратации - образование гипса из ангидрита:

CaSO4 + 2H2O = CaSO4 . 2H2O

ангидрит вода гипс

Максимальное число молекул воды известно у мирабилита Na2SO4 . 10H2O.

Карбонизация - процесс химического разложения, когда кристаллы вступают в реакцию с природными водами, насыщенными углекислотой. При этом образуются карбонаты и бикарбонаты. Все поверхностные воды содержат углекислый газ, поступающий из атмосферы или из разлагающегося в почве растительного вещества. Растворенный углекислый газ реагирует с водой, образуя углекислоту:

H2O + CO2 = H2CO3 .

Такая вода является активным агентом выветривания.

Растворение. Воды, содержащей углекислоту, очень много, и в такой воде растворяются бикарбонаты кальция, магния, натрия и калия. Следовательно, растворение этих веществ происходит вместе с карбонизацией и играет ключевую роль в химическом выветривании пород, так как при этом из них удаляются некоторые компоненты. В поверхностных водах содержится гораздо больше растворенных бикарбонатов, чем сульфатов или хлоридов. Некоторые породы растворяются особенно легко, например каменная соль и гипс; доломиты, известняки и мраморы. Растворение известковых массивов часто приводит к образованию причудливых пещер громадного объема, так называемых карстовых пещер. Например, карстовая воронка, обследованная после катастрофического обвала поверхности земли в декабре 1972 г. в округе Шелби штата Алабама в США, имела длину 140 м, ширину 115 м и глубину 50 м.

Окисление в геологическом смысле - это реакция кислорода с минералами, особенно с железосодержащими минералами. Типичная реакция окисления происходит при выветривании оливина:

2MgFeSiO4 + 2H2O + 1/2O2 + 4H2CO3 = Fe2O3 + 2Mg(HCO3)2 + 2H4SiO4

оливин вода кислород угле- гематит растворимый раствори- кислота бикарбонат мая крем- магния некислота

Преобладание процессов физического или химического выветривания зависит от климата: жаркого, умеренного или холодного, влажного или сухого (аридного). На выветривание в горных районах влияют местные климатические условия, которые зависят от высоты над уровнем моря, географической широты и количества осадков. Содержание влаги в атмосфере зависит от близости к морю, господствующих ветров, высоты облаков и т.д.

1.4.3 Органическое выветривание

Растения и животные помогают не только физическому разрушению, но и химическому разложению, и происходит это несколькими способами. Лишайники, которые первыми поселяются на обнажившейся породе, поглощают из нее определенные химические вещества и разъедают породу. Корни других растений удаляют новые порции неорганического материала. При разложении органики образуются органические кислоты, в присутствии которых заметно повышается растворимость кварца, железа и алюминия. В результате жизнедеятельности миллиардов вездесущих бактерий образуются аммиак, азотная кислота, углекислый газ и другие химические вещества, влияющие на изменение пород и формирование почвы.

Конечный результат всех типов выветривания - образование почв. Почва - это совокупность минерального и органического вещества, почвенных организмов, воздуха и воды, способная поддерживать рост растений. В формировании почв определяющее значение имеют климат, растительность, почвенные организмы, рельеф, материнские породы и время.



ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите планеты Солнечной системы.

2. Что такое метеориты и как их изучают?

3. Назовите физические поля Земли.

4. Назовите внутренние оболочки Земли.

5. Какое строение имеет земная кора?

6. Расскажите о строении атмосферы, гидросферы, биосферы.

7. Что такое принцип актуализма?

8. Какие типы выветривания Вы знаете?

9. Назовите типы химического выветривания.

10. Как происходит физическое и органическое выветривание?

2. ВРЕМЯ В ГЕОЛОГИИ

Геологический возраст - это время, прошедшее с момента какого-либо геологического события в истории Земли до нашего времени, например, время образования осадочных горных пород, извержения расплавленной магмы, жизни организмов и т.д. В геологии различают абсолютный и относительный возраст.

2.1 Абсолютный возраст

Шкала абсолютной геохронологии - шкала, в которой основные рубежи геологической истории выражены в астрономических единицах времени - годах. Для определения возраста применяются несколько различных методов, основанных на явлении радиоактивного распада. На рис. 2.1 приведена кривая распада радиоактивных элементов. Половина радиоактивного вещества 1/2 N распадается за период Т; через промежуток времени 2Т остается 1/4 N исходного вещества; через промежуток 3Т остается 1/8 N и т.д. Время T, за которое распадается половина исходного радиоактивного вещества, называется периодом полураспада.

Рис. 2.1. Кривая распада радиоактивных элементов

В геохронологии используются изотопы урана, тория, рубидия, калия, углерода и водорода (табл. 2.1). Названные изотопы нестабильны. Для того чтобы определить возраст, необходимо найти отношение веса новообразованного элемента к весу материнского элемента. Считается, что возможная ошибка в большинстве случаев не превышает нескольких процентов. Радиоактивные элементы играют роль атомных часов, начавших отсчет времени с момента кристаллизации минерала. Ни один из долгоживущих, используемых в практике, изотопов не успел исчезнуть полностью.

Таблица 2.1

Периоды полураспада радиоактивных элементов

Материнский изотоп	Конечный продукт	Период полураспада, млрд. лет
U238	Pb206	4,468
U235	Pb207	0,7038
Th232	Pb208	14,008
Rb87	Sr87	48,8
K40	Ar40	1,30
	Ca40	1,30
C14	N14	Всего 5730 лет
H3	H2	Всего 12,5 года

Тритий используют для изучения скорости движения подземных вод, скорости перемешивания морской воды или определения возраста не слишком старых слоев снежных полей.

Радиоуглеродный метод основан на допущении, что отношение C14 / C12 в воздухе остается постоянным. С его помощью можно определять время, ограниченное примерно восьмикратной продолжительностью полураспада, т.е. новейшая техника позволяет определять этим методом возраст в диапазоне до 100 тыс. лет. Метод применим к древесине, древесному углю, торфу, костям животных и другим богатым углеродом материалам, включая углеродсодержащие организмы, которые извлекают из поверхностных вод растворенный в них углерод. Радиоуглеродный метод главный в археологии.

Калий - аргоновый метод. Калийсодержащие минералы широко распространены в земной коре, и этот метод подходит для большинства пород. Главная проблема калий - аргонового метода заключается в утечке аргона с места его образования, особенно в результате прогрева пород за счет погружения их на глубину или внедрения неподалеку интрузий. В этом случае полученный возраст пород может соответствовать не времени возникновения породы, а всего лишь сроку, прошедшему после этого термального события, т.е. когда вновь пошли К/Ar - часы. Метод применим к породам с возрастом по крайней мере от 100 тысяч до миллиардов лет. В большей степени, чем другие методы, он послужил для калибровки шкалы геологического времени.

Рубидий - стронциевый метод можно использовать для датировки событий гораздо древнее 1 млрд. лет, но главная проблема в наличии рубидия в исходном материале, поскольку элемент очень редкий.

Уран - свинцовый, торий - свинцовый и изотопно - свинцовый методы пригодны для широкого диапазона времени, приблизительно от 100 млн. лет до более чем 5 млрд. лет. Это очень важные методы для определения возраста метеоритов и самых древних пород на Земле.

Для некоторых специальных целей применяются и другие изотопы; существующие методы все время совершенствуются за счет введения новых приемов исследования.

По данным на сегодняшний день, достоверный возраст наиболее древних пород земного шара, определенный названными методами, достигает 3,8 млрд. лет. Для многих метеоритов возраст определен в 4,55 млрд. лет, для лунных пород - как 4,7 млрд. лет. Поэтому возраст Солнечной системы, включая Землю, может оцениваться, вероятно, в 5 млрд. лет.



2.2 Относительный возраст

В практике полевых работ изотопный возраст горных пород, выраженный в годах, обычно меньше интересует геологов, чем относительный возраст геологических тел, оцениваемый такими понятиями, как "моложе", "древнее", "одновременно". Этот возраст, устанавливаемый прямыми наблюдениями соотношения геологических тел в их естественном положении, рассматривается геологический дисциплиной стратиграфией. Объектом стратиграфии является не вся земная кора, а только нормально пластующиеся толщи, сложенные осадочными, вулканогенными и метаморфическими породами. В этой дисциплине приняты свои допущения, названные принципами.

1) Принцип актуализма

Силы, ныне действующие как на земной поверхности, так и под нею, могут быть тождественны по роду и степени с теми, которые в отдаленные эпохи производили геологические изменения.

2) Принцип неполноты геологической летописи

В геологических напластованиях запечатлена, вероятно, лишь меньшая часть геологической истории, а большая часть времени приходится на перерывы. Наряду с крупными перерывами, которые фиксируются несогласиями, важная роль в неполноте геологической летописи принадлежит мелким бесчисленным перерывам, обусловленным пульсационным характером и прерывистостью самого процесса осадконакопления.

Все факты ясно указывают нам на то, что каждая область земного шара переживала многочисленные вертикальные колебания поверхности, и эти колебания захватывали большие пространства. Следовательно, толщи пород, достаточно мощные и обширные, чтобы сохраниться от последующего разрушения, могли образоваться только там, где было много приносимого осадка и где глубина моря была небольшая. Однако мощные толщи осадков не могут накапливаться в мелководной прибрежной области. Значит, дно моря должно опускаться, но не слишком быстро. В промежуточные эпохи поднятия накопленные осадки разрушались и служили источником материала уже для других пород. Помимо крупных перерывов, отделяющих толщи пород друг от друга, существуют мелкие, так называемые внутриформационные перерывы.

Также и окаменелости, заключенные в породах, представляют лишь незначительный процент организмов, населявших Землю в прошлые геологические эпохи. Например, мягкие организмы типа современных медуз не сохраняются.

3) Принцип последовательности образования геологических тел

Его называют еще законом напластования. Он гласит: последовательность залегания слоев в нормально залегающем разрезе соответствует исторической последовательности их образования (рис. 2.2). Другая формулировка закона выглядит следующим образом: из двух смежных тел первым образовалось то, которое является подстилающим или оставляет свой отпечаток на теле другого. Эта формулировка учитывает пространственные соотношения слоев в случае смятия в складки и опрокинутого залегания слоев.

Рис. 2.2. Последовательность образования геологических тел

1 - самый древний слой; 2 - промежуточный слой; 3 - самый молодой слой

4) Принцип возрастной миграции граничных поверхностей геологических тел

В каждом слое синхронными можно считать только те осадки, которые отлагались вдоль существовавших в каждый данный момент зон осадконакопления, т.е. осадки, распределяющиеся вдоль береговой линии. На рисунке 2.3 показано, что в разные моменты времени возле берега отлагаются галечники, дальше от берега накапливаются пески, а затем - глины. В итоге формируются три разных слоя, но плоскости их напластования образовались в течение длительных промежутков времени.

Рис. 2.3. Разновозрастность образования геологических слоев

Конечно, разновозрастность отдельного слоя часто нельзя установить практически, и поэтому она не всегда имеет существенное значение для стратиграфии. В таком случае ею пренебрегают. Однако с разновозрастностью осадочных комплексов, состоящих из большого числа слоев, необходимо считаться. Другими словами, границы поверхностей геологических тел скользят во времени. Литологическое единство не является критерием хронологической одновременности.

5) Принцип фациальной неоднородности одновозрастных отложений

Фации - это типы отложений, сформировавшихся в различных обстановках осадконакопления (прибрежные, мелководные, глубоководные, русловые, дельтовые, озерные, болотные и др.). Поскольку в какой-то момент времени существует множество различных условий образования пород, то одновозрастные отложения, следовательно, неоднородны (см. рис. 2.3).

6) Принцип биостратиграфического расчленения и корреляции

Отложения, содержащие одинаковую фауну и флору, геологически одновозрастны. Имеется в виду, что отложения можно различать и сопоставлять по заключенным в них остаткам организмов. Ископаемые фауны и флоры следуют друг за другом в определенном, могущем быть выясненном порядке.

Изучение относительного возраста горных пород позволило европейским геологам уже в XV в. расположить выделенные подразделения в виде шкалы с наиболее древними подразделениями в основании и последовательно все более молодыми подразделениями выше. К настоящему времени разработана стратиграфическая шкала, которая выглядит следующим образом (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Международная стратиграфическая шкала

Эра (группа)	Нижняя граница, млн. лет	Период (система)	Индекс	Цвет
Кайнозойская Kz	67	Четвертичный	Q	Желтый грязный
		Неогеновый	N	лимонный
		Палеогеновый	P	Бледно-оранжевый
Мезозойская Mz	240	Меловой	K	Ярко-зеленый
		Юрский	J	Синий, голубой
		Триасовый	T	Фиолетовый
Палеозойская Pz	570	Пермский	P	Темно-оранжевый
		Каменноугольный	C	Серый
		Девонский	D	Коричневый
		Силурийский	S	Св. серо-зелеёный
		Ордовикский	O	Серо-зелёный
		Кембрийский	C	Тём.серо-зелёный
Протерозойская Pt	650	Вендский	W	Розовые тона
	1600	Рифейский	R
	2600	Ранне- и средне- протерозойский	Pt1 Pt2
Архейская Ar	Древнее 3800	Архейский	Ar

Ранние классификации включали три главных подразделения: первичную, вторичную и третичную эры; много позже к ним была добавлена четвертичная (современная) эра. Затем три первых подразделения назвали поиному:

- палеозойская эра - древняя жизнь; - мезозойская эра - средняя жизнь; - кайнозойская эра - новая жизнь.

Четвертичная эра современной жизни сохранила свое историческое название, перейдя в разряд четвертичного периода. Позднее выделили также

- археозойскую эру - начало жизни;

- протерозойскую эру - протожизнь, или первичная жизнь.

Перечисленные эры стали подразделять на периоды, периоды на эпохи и более мелкие возрастные единицы. Сейчас подразделения докембрия, где найдены лишь примитивные водоросли, в основном, местные, тогда как более молодые единицы (от кембрия до нынешних отложений, объединяемых общим названием фанерозой) имеют общемировое применение.

Соотношение понятий толща пород - время ее образования выглядит следующим образом (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Соотношение стратиграфических и временных подразделений

Толща пород	Время ее образования
Группа Система Отдел Ярус Подъярус Зона	Эра Период Эпоха Век Время Момент времени, или зональный момент

Говоря о толще пород, следует сказать:

- мезозойская группа Mz;

- юрская система J;

- верхнеюрский (нижнеюрский, среднеюрский) отдел J3;

- келловейский ярус J3cl;

- верхнекелловейский (нижнекелловейский, среднекелловейский) подъярус J3cl3;

- зона Longaeviceras keyserlingi J3cl31 (т.е. отложения выделены по нахождению в них этого вида аммонита).

Но если речь идет о времени, когда образовались данные породы, то следует говорить:

- мезозойская эра Мz;

- юрский период J;

- позднеюрская (раннеюрская, среднеюрская) эпоха J3;

- келловейский век J3cl;

- позднекелловейское (раннекелловейское, среднекелловейское) время J3cl3;

- момент времени Longaeviceras keyserlingi J3cl31.

Все системы и ярусы получили свои названия либо от местностей, где они были впервые установлены, либо по характерным литологическим особенностям. Например, девонская система названа по графству Девоншир в Англии, пермская - по городу Пермь в России, меловая система получила свое название по типичной для нее породе - мелу; амгинский ярус назван по реке Амга в Восточной Сибири, где он впервые установлен.

Границы между стратиграфическими подразделениями обсуждаются и принимаются на международных стратиграфических совещаниях.

Кроме названных стратиграфических единиц, выделяют еще и местные, литологически довольно однородные отложения. Они имеют реальное, физически выраженное ограничение в слоистых толщах. Их объемы неизменны независимо от разных точек зрения на их геологический возраст. Такие литостратиграфические единицы удобно использовать в повседневной практической работе при геологической съемке, поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, при расчленении и сопоставлении разрезов по скважинам. Реальность границ между ними очевидна, а реальность хроно- и биостратиграфических в некоторой мере условна, и их еще нужно доказывать.

Местные единицы носят названия: серия, свита, пачка, слой.

Свита - основная единица из местных стратиграфических подразделений, с которой имеют дело в геологии. Свитой называется совокупность отложений, образовавшихся в данном регионе в определенных физикогеографических условиях и занимающих в нем определенное положение. Обычно стратиграфический объем свиты соответствует значительной части яруса, иногда почти целому ярусу или даже нескольким ярусам. Свита подразделяется на подсвиты (нижнюю, среднюю и верхнюю). Обычно свите дают географическое название той местности, где ее впервые установили или где она имеет наиболее характерный разрез, например: березовская (установлена у пос. Березовка), джангодская (выделили на р. Джангода) свиты.

2.3 Ископаемая фауна и флора

Породы фанерозоя в большей или меньшей степени насыщены органическими остатками. Наука, изучающая древние растения, называется палеоботаникой, древних животных - палеонтологией. Все организмы классифицируют на типы, классы, отряды, роды, виды.

Международная стратиграфическая шкала построена на палеонтологических данных. Выделяют так называемые руководящие формы, т.е. такие остатки, по которым можно точно установить возраст. На рис 2.4 показаны основные группы фауны, по которым определяют возраст пород. Например, трилобиты как класс жили от кембрия до перми. Собственно говоря, палеозой и выделен-то в отдельную стратиграфическую группу потому, что в этих отложениях встречается определенный комплекс ископаемой фауны и флоры, в том числе и трилобиты. Найти остатки этих животных в мезозое или кайнозое невозможно, потому что они вымерли в конце палеозойской эры. Бывают, правда, редчайшие исключения, когда фауна переотложена: древние породы разрушились, а их содержимое попало в молодые образования.

Рис. 2.4. Относительное хроностратиграфическое значение основных групп морских беспозвоночных в течение геологического времени

Группы: 1 -- важные для планетарных хроностратиграфических корреляций; 2 -- применяющиеся для региональных корреляций, 3 -- иногда используемые для местных корреляций.

Но в таких случаях сохраннность остатков очень плохая, и они соседствуют с другими, более молодыми ископаемыми.

Eще один яркий пример узкого стратиграфического распространения - граптолиты. Это подтип гемихордовых, который жил от среднего кембрия до раннего карбона. Ордовикские и силурийские отложения прекрасно расчленяются по граптолитам. Аммониты - главная фауна в датировке возраста мезозойских пород.

Вид - основная единица, которой оперируют палеонтологи. По видам выделяют зоны, самые мелкие стратиграфические подразделения международной шкалы. Вид имеет родовое и видовое латинское название, после них указывается по-латыни фамилия автора, который впервые установил этот вид. Например, Pyrulina nux Lutova - вид nux рода фораминифер Pyrulina; вид впервые установила палеонтолог Лутова.

Морские животные делят на нектон - свободно плавающие (рыбы, кальмары, медузы), планктон - «висящие» в воде (диатомовые водоросли, радиолярии, фораминиферы) и бентос - ползающие и прикрепленные ко дну (двустворки, кораллы, губки). Для глобальных сопоставлений особенно важен нектон, для палеогеографических построений - бентос.

Одновозрастность отложений разных климатических зон, удаленных друг от друга на тысячи километров, устанавливают с помощью последовательного сопоставления ареалов обитания ископаемой фауны. Большое значение для расчленения и сопоставления отложений на разных континентах имеет спорово-пыльцевой анализ, потому что споры и пыльца растений разносятся ветрами практически по всему земному шару.

Окаменелости, за исключением рифовых отложений и ракушечников, находятся в виде отдельных включений в слое. Поэтому чрезвычайно важно уяснить, насколько случайны находки раковин в керне скважин; особенно редки целые экземпляры хорошей сохранности. Ценность таких находок для науки и практики невозможно переоценить. Раковины из керна скважин нельзя трогать до приезда специалиста, чтобы не перепутать место их нахождения или, что еще хуже, утерять их.

При отборе фауны из керна скважин каждый образец аккуратно укутывают мягкой ватой, чтобы при транспортировке раковина не разбилась, заворачивают в бумагу и дважды маркируют: одну этикетку кладут внутрь свертка, а на обертке снаружи надпись повторяют. На этикетке указывают дату, номер скважины, интервал отбора керна и глубину, с которой взят образец.

Для датировки отложений по керну скважин первостепенное значение имеет микрофауна - мелкие, от долей миллиметра до 1, реже 2 мм раковинки, обычно не видимые простым глазом, а различимые только под микроскопом. Это в основном остракоды и фораминиферы. Встречаются в породах они несравненно чаще, чем крупные раковины двустворок, брахиопод, аммонитов, трилобитов. Иногда их количество может достигать десятков тысяч экземпляров на 100г породы. Поэтому микропалеонтология получила интенсивное развитие именно в связи с бурением скважин.



ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое шкала абсолютной геохронологии и на чем она основана?

2. Назовите методы, используемые для определения абсолютного возраста горных пород.

3. Назовите принципы стратиграфии.

4. Скользят ли во времени границы геологических слоев?

5. Что такое относительный возраст горных пород?

6. Назовите геологические системы.

7. Расскажите о соотношении понятий толща пород - время ее образования.

8. Что такое свита?

9. Что такое руководящие формы?

10. Какие группы фауны используют при датировке отложений по скважинам?



3. МИНЕРАЛЫ

Изучение вещества Земли ведется в разном масштабе - от мелкого, соответствующего химическим элементам и их составным частям, до очень крупного, соответствующего континентальным массивам и плитам, вплоть до Земли в целом. Между этими крайними объектами различают две важные группы образований: минералы и горные породы.

Минералы - это природные неорганические химические твердые вещества, обладающие характерной кристаллической структурой. Обычно горная порода состоит из нескольких минералов, но иногда - только из одного, как, например, известняк или мрамор; они состоят из одного минерала - кальцита. Значение минералов двояко: во-первых, они позволяют классифицировать горные породы, а во-вторых, указывают на условия их образования. Сейчас науке известно более 4000 минералов.

3.1 Химические соединения

Процентное содержание элемента в земной коре до глубины 16 км называется кларком. Химические анализы показывают [1], что на 98,5 % масса земной коры состоит только из восьми элементов (рис. 3.1).



Рис. 3.1. Кларки химических элементов

Еще 1 % составляют 6 элементов (в порядке убывания): титан, водород, фосфор, марганец, фтор, сера. Остальные элементы периодической системы составляют всего полпроцента.

Именно потому, что число основных химических элементов невелико, количество главных породообразующих минералов ограничено. Несколько элементов, особенно благородные металлы и углерод в форме графита и алмаза, могут встречаться в чистом виде, но большинство элементов образует химические соединения.

Соединения кислорода наиболее обычны, поскольку он самый распространенный элемент на Земле. Кремний и алюминий, занимающие второе и третье места, обеспечивают образование силикатных и алюмосиликатных минералов. По цвету породообразующих минералов часто можно судить об их химическом составе. Светлоокрашенные силикатные и алюмосиликатные минералы содержат K, Na и Ca, а темноокрашенные - Mg и Fe.

Для выяснения химического состава минерала проводят его химический анализ. Формулы могут быть эмпирическими, показывающими только химический состав, и структурными, дающими представление о пространственном расположении атомов в минерале и их связи между собой. В минералах можно выделить катионы и анионные комплексы, характеризующие типы кристаллических структур. При написании формул минералов анионные комплексы принято отделять от катионов квадратными скобками. Так, эмпирическая формула белой слюды мусковита H2KAl3Si3O12, а структурная KAl2[AlSi3O10](OH,F)2. Последняя показывает, что в структуре мусковита имеется сложный анионный комплекс и что вода в мусковите находится не в виде H2O, а в виде гидроксила (OH)1-, причем этот гидроксил может быть в свою очередь замещен фтором F1-. Широко распространенный минерал кальцит записывается как Ca[CO3]. Однако не будет ошибкой написать формулу кальцита и в виде CaCO3.

Часто в минералах, кроме основных элементов, наблюдается большее или меньшее количество других примесей. Изоморфизм - явление, выражающиеся в способности химических элементов (атомов) замещать друг друга в кристаллах и минералах. Различают два вида изоморфизма: более простой, когда взаимозамещаются ионы с одинаковой валентностью, - он называется изовалентным, и сложный, когда происходит замещение ионов разных валентностей, - это гетеровалентный изоморфизм. Примерами изовалентного изоморфизма служат замещения Mg2+ на Fe2+ в оливине (Mg, Fe)2[SiO4]; гетеровалентного - 2Al3+ на 3Mg2+ в слюдах. Особенно характерны изоморфные замещения в рядах K - Rb, Ca - Sr, Au - Ag, S - Se, Ta - Nb, Zr - Hf и др. Кларки некоторых элементов настолько малы, что они в природе не образуют чистых минералов и тем более самостоятельных месторождений. Зато эти элементы часто присутствуют в виде изоморфных примесей в других широко распространенных минералах, и их можно оттуда извлекать. Например, кадмий и индий обычно присутствуют в цинковых обманках ZnS.

Классический пример изоморфных рядов минералов - плагиоклазы из группы полевых шпатов. Плагиоклазы еще называют твердыми растворами, потому что они образуют непрерывный ряд, отличающийся содержанием кремнезема:

альбит Na[AlSi3O8] (69 % SiO2)

олигоклаз андезин лабрадор битовнит анортит Ca[Al2Si2O8] (43 % SiO2)

3.2 Кристаллическая структура

Минерал имеет постоянный химический состав. Например, галит (обычная поваренная соль) имеет химическую формулу NaCl; его кристаллы прямоугольны, похожи на кубики или спичечный коробок, и дальнейшее дробление кристаллов галита дает такие же кубики, только более мелкие. Это свойство свидетельствует о кристаллической структуре минералов и является их наиболее характерной чертой. Крупнейший кристалл в мире - кристалл берилла, найденный на Мадагаскаре, имеет массу 380 тонн, длину 18 м и 3,5 м в поперечнике.

Особенности строения кристаллической решетки минералов устанавливают с помощью рентгеновских методов.

а б

Рис. 3.2. Примеры кристаллических решеток минералов а - алмаз; б - графит

На рисунке 3.2 показано расположение атомов углерода в кристаллических решетках алмаза и графита. Оба минерала имеют один и тот же химический состав - углерод. Но алмаз имеет очень высокую твердость благодаря своей структуре, а графит мягкий, потому что связь атомов между плоскостями в решетке у него слабая. Внешним выражением внутренней структуры минерала служат кристаллы. Это геометрически правильные твердые тела, ограниченные естественными плоскими поверхностями, или гранями.