Файл: Основы геологии.pdf

10
Рис. 3. Органические остатки в
девонских породах Тимана. Фото
С. Соколова
Рис. 5. Органические остатки в известняках девона. Фото Д. Темнова
Рис. 4. Брахиоподы в девонских из-
вестняках. Фото Д. Темнова

11
Геологические процессы. Геология изучает динамические геологические процессы, которые происходят на поверхности Земли и в ее недрах. Процессы, происходящие на поверхности Земли (ветер, выветривание, реки, моря, ледни- ки, подземные воды), называются экзогенными. Именно в результате деятель- ности этих процессов образуются осадочные горные породы и осадочные полезные ископаемые.
Геологические процессы, происходящие в недрах Земли (магматизм, ме- таморфизм, тектонические движения, землетрясения), называются эндогенны-
ми. В результате эндогенных геологических процессов образуются магматические и метаморфические горные породы и полезные ископаемые.

12 ключительно сильное магнитное поле. Нейтронные звёзды имеют мощное импульсное радиоизлучение и называются поэтому «пульса- рами», оптическими или рентгеновскими, в зависимости от диапазона излучаемых волн.
3. У тяжёлых звёзд, с массой более 2,0 масс Солнца, в результа- те мощнейшего сжатия плотность в центре звёзды может достигать бесконечности. Такое состояние называется состоянием коллапса и за- ключается оно в том, что от таких звёзд не могут отрываться никакие частицы, даже световые. Такие звёзды поглощают всё и называются
«чёрными дырами».
В Солнечной системе всего 9 планет, которые делятся на две группы:
1 – внутренние: Меркурий, Венера, Земля и Марс; 2 – внешние: Юпитер, Са- турн, Уран, Нептун и Плутон.
Планеты внутренней, земной, группы обладают большой скоростью вра- щения вокруг осей, небольшими размерами и небольшой массой. Все они вра- щаются в направлении Солнца, за исключением Венеры, которая вращается в обратном направлении. Средняя плотность вещества этих планет близка и со- ставляет 3,95-5,52 г/см
3
, что может быть свидетельством сходства их внутрен- него строения. Такую же примерно плотность имеет вещество Плутона – около
4,0 г/см
3
Планеты внешней группы отличаются большими размерами и массой по сравнению с земными, а также более короткими периодами вращения вокруг своих осей, за исключением Плутона, который по всем характеристикам более близок к планетам земной группы. Все эти планеты также вращаются в направ- лении Солнца, за исключением одной планеты – Урана, вращающегося в об- ратном направлении.
Земля является третьей планетой Солнечной системы. Она имеет сложную форму – геоида и вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Период обращения её вокруг Солнца составляет 365, 364 земных суток, скорость вращения по орбите –
29,76 км/сек. Масса нашей планеты составляет 5,975 х 10 27
г, средний её радиус –
6371, 032 км, а средняя плотность вещества планеты составляет 5,52 г/см
3
В результате постоянного вращения вокруг своей оси и вокруг Солнца
Земля постоянно меняет своё положение в пространстве, что играет исключи- тельно важную, решающую роль в формировании её внешних оболочек (атмо- сферы, гидросферы, биосферы). Это же определяет распределение температур на поверхности Земли, а через неё и интенсивность многих геологических про- цессов на поверхности Земли и на других планетах.

13
Существуют многочисленные, весьма противоречивые гипотезы о про- исхождении Земли и Солнечной системы. Несмотря на многообразие, условно их можно объединить в две группы: гипотезы «горячего» и «холодного» про- исхождения.
Ещё в 1745 году французский учёный Бюффон высказал первую гипотезу происхождения Земли, по которой предполагалось, что наша планета образова- лась как результат остывания одного из многочисленных сгустков вещества, отделившегося от Солнца при его столкновении с кометой. Эта гипотеза стала основой для ряда других гипотез подобного же типа, то есть так называемого
«горячего» происхождения. За ней последовала небулярная гипотеза И. Канта и
П. Лапласа (1755-1796 гг.). Согласно этой гипотезе, Солнечная система образо- валась из раскалённой туманности огромных размеров, которая в результате вращения сначала превратилась в гигантский диск. От этого диска в процессе вращения отделялись газовые кольца, остывание которых и дало планеты Сол- нечной системы. Такой способ образования планет Солнечной системы под- тверждается общностью вещества Солнца и планет и их тесной взаимосвязью.
Подобную же гипотезу высказал и советский учёный В.Г. Фесенков. Он выдви- нул также корпускулярную гипотезу излучения звёзд, объяснил многие особен- ности строения Солнечной системы.
Вторая группа гипотез происхождения Земли может быть названа гипоте- зами «холодного» их происхождения. Основоположником этой группы гипотез является советский учёный О.Ю. Шмидт. Он считал, что планеты Солнечной системы образовались в результате «слипания» твёрдых частиц разных разме- ров, которые вращались вокруг Солнца. При этом он принимал, что, по крайней мере, часть газово-пылевого вещества была захвачена Солнцем из межзвёздных туманностей. В этой гипотезе источники вещества Солнца и планет различны.
В результате вращения уплотнённое вещество постепенно разогревается при термоядерных реакциях, происходящих в недрах Земли и других планет.
Внутреннее строение Земли. Земля состоит из трёх основных концентри- чески-зональных оболочек, которые называют геосферами: земной коры – внешней твёрдой оболочки, мантии – промежуточной оболочки, и ядра – цен- тральной части планеты. Каждая из геосфер состоит, в свою очередь, из более мелких концентров (рис. 6).

14
Рис. 6. Внутреннее строение Земли. Основные геосферы: А – земная кора;
В, С, D
I
, D
II
– мантия; E, F, G – ядро
Концентрически-зональное строение Земли установлено на основании анализа физических полей планеты, о которых речь пойдёт несколько позже.
Земная кора представляет собой внешнюю оболочку планеты, наиболее доступную для изучения прямыми геологическими и косвенными геофизиче- скими методами. Она является самой сложноустроенной геосферой, отделённой от нижележащей мантии поверхностью Мохоровичича (поверхностью Мохо).
По особенностям состава и строения различают три типа земной коры: конти- нентальную (материковую), океаническую и переходную (промежуточную).
Континентальная земная кора распространена на континентах и сложена оса- дочными, магматическими и метаморфическими горными породами. Мощность её колеблется от 30 до 70 км, при этом максимальной мощностью характеризу- ются высокогорные районы континента. В вертикальном разрезе континенталь- ной земной коры выделяются три «слоя»: верхний – осадочный, средний – так называемый «гранитный», и нижний, называемый «базальтовым». Мощность осадочного слоя достигает 20 км, породы этого слоя характеризуются изменчи- вой скоростью прохождения упругих сейсмических волн, составляющей от 1,5 до 5,0 км/сек.

15
«Гранитный» слой имеет мощность 10-40 км и сложен магматическими и метаморфическими горными породами преимущественно кислого состава, по- чему и получил название «гранитного». Породы этого слоя по своим физиче- ским свойствам (магнитная восприимчивость, плотность и проч.) близки гранитам. Скорость прохождения упругих сейсмических волн в этих породах составляет 5,8-6,0 км/сек, а средняя плотность их – 2,5-2,7 г/см
3
«Базальтовый» слой, нижний в земной коре, имеет мощность до 40 км и сложен горными породами преимущественно основного состава, которые по своим физическим свойствам близки базальтам, что и дало основание для на- звания этого слоя. Скорость прохождения упругих сейсмических волн через породы «базальтового» слоя возрастает до 6,0-7,4 км/сек, а плотность вещества в этом слое достигает 2,8-3,3 г/см
3
. Между «гранитным» и «базальтовым» слоями выделяется поверхность Конрада, являющаяся разделяющей отражаю- щей границей, которая располагается на глубине в пределах от 10 до 30 км.
Океаническая земная кора имеет значительно меньшую мощность, как правило, в несколько километров, не более 5-10 км. В строении этого типа зем- ной коры имеются существенные отличия. В ней чётко выделяются два слоя: верхний – осадочный, мощностью в несколько сотен метров, обычно не более
1 км, и нижний – также «базальтовый», как и у континентального типа земной коры. Мощность нижнего слоя в этом типе коры достигает 4-10 км. Иногда ме- жду этими слоями выделяется ещё промежуточный слой, сложенный смесью осадочных горных пород с продуктами подводной вулканической деятельно- сти. Как видно из приведенных материалов, океаническая земная кора не со- держит в своём составе «гранитного» слоя и менее мощна по сравнению с континентальной земной корой.
Промежуточная земная кора, или переходная, характерна для окраинных морей и архипелагов островов. Являясь промежуточной между континенталь- ной и океанической, она и по строению, и по мощности имеет именно проме- жуточный, переходный характер: с материковой стороны она несёт черты континентальной коры, в которую постепенно и переходит; со стороны океана характер земной коры океанический с постепенными или относительно быст- рыми переходами к океаническому типу.
Средняя плотность вещества земной коры по слоям заметно изменяется: от 2,4-2,5 г/см
3
в осадочном слое до 2,8-3,3 г/см
3
в «базальтовом» при среднем значении плотности пород земной коры 2,8 г/см
3
По химическому составу в земной коре преобладают кремний и алюми- ний, поэтому раньше, а иногда и теперь её называют сиаллической оболочкой
Земли.

16
Мантия Земли составляет основную часть планеты по массе и объему.
Она распространяется до глубины 2885 км, заканчиваясь поверхностью Вихер- та-Гутенберга. Внутри мантии по скоростям прохождения упругих сейсмиче- ских волн, особенностям их преломления и отражения выделяется несколько отражающих поверхностей на глубинах 400, 900 и 2700 км.
В строении мантии выделяют две главные зоны: верхнюю и нижнюю.
Верхняя мантия распространена до глубины 900 км. Она сложно устроена и со- стоит из двух чётко разделяющихся слоёв. Верхний слой распространён до глу- бины 400 км, также имеет сложное строение, при этом его верхняя часть называется субстратом, который вместе с земной корой образует литосферу
Земли. Её называют ещё каменной оболочкой планеты. Нижнюю часть верхне- го слоя, по имени открывшего её сейсмолога Б. Гутенберга, назвали слоем Гу- тенберга. В этом слое резко уменьшается скорость распространения упругих сейсмических волн, что объясняется повышенной текучестью вещества в этом слое. Он является «волноводом», по которому сейсмоволны продолжительное время идут вдоль слоя. Плотность вещества в слое Гутенберга достигает
3,5 г/см
3
, а скорость упругих сейсмических волн не превышает 8 км/сек. Благо- даря описанным особенностям, этот слой называют также астеносферой, в ко- торой зарождаются глубокофокусные землетрясения огромной разрушительной силы и располагаются очаги мощных вулканических извержений.
Нижний слой верхней мантии называется слоем Голицына. В нём проис- ходит резкое нарастание плотности вещества до 4,5 г/см
3
и скорости продоль- ных сейсмоволн до 11,3 км/сек.
Нижняя мантия распространяется до глубины 2885 км и характеризуется дальнейшим увеличением плотности вещества до 5,6 г/см
3
, а скорости распро- странения упругих сейсмических волн до 13,6 км/сек, что объясняется общим нарастанием давления и переходом к плотнейшим упаковкам всех существую- щих там соединений.
Ядро Земли имеет, по косвенным данным, железоникелевый состав, близкий составу железных метеоритов, сложенных на 90% железом и на 10% никелем. Все остальные элементы составляют около 1%. Плотность вещества метеоритов и предположительно (по аналогии с ними) вещества ядра Земли достигает 9 г/см
3
В строении ядра выделяют также условно три концентрические зоны: внешнее ядро, переходный слой и внутреннее ядро. Большинство учёных счи- тает, что внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии, а внутреннее – в твёрдом.

17
Химический состав и возраст Земли. На основании изучения химическо- го состава всех известных на Земле горных пород, внутреннего строения Земли и теоретических расчётов учёными получены разные варианты среднего хими- ческого состава вещества нашей планеты. При этом среднее содержание хими- ческого элемента в веществе Земли называется кларком этого элемента. Кларки могут быть весовыми или атомными. Первые рассчитываются в весовых коли- чествах – весовые % или г/т, вторые – в % от числа атомов. Расчёты средних содержаний химических элементов в земной коре впервые были выполнены американским учёным Ф. Кларком (1889 г.), а позже уточнялись А.Е. Ферсма- ном, А.П. Виноградовым, С.Р. Тэйлором и другими. Наиболее распространён- ными элементами в земной коре являются кислород, железо, кремний, магний, никель, алюминий, кальций и сера, составляющие в сумме до 99% вещества
Земли, остальные элементы составляют всего около 1%. По данным А.П. Вино- градова (1962г.), содержание некоторых химических элементов в земной коре составляет (в г/т): кислорода – 470000, кремния – 295000, алюминия – 80500, железа – 46500, кальция – 33000, натрия – 25000, калия – 25000, магния –
18700, титана – 4500, меди – 47, кобальта – 18 и т.д.
Установлению возраста Земли постоянно уделяется очень большое вни- мание. Радиологическими методами возраст самых разных горных пород опре- делён в миллионах и миллиардах лет. Возраст самой планеты устанавливается по возрасту самых древних горных пород планеты, а также по возрасту вещест- ва метеоритов. Древнейшие земные горные породы имеют возраст 3,5-4,0 мил- лиарда лет, возраст вещества метеоритов – 4,5 миллиарда лет.
На основании многочисленных радиологических определений возраста горных пород из разных участков планеты в настоящее время возраст Земли принимается равным в пределах 4,5-5,5 миллиардов лет.
Физические поля Земли и геофизические методы изучения её геологи-
ческого строения. Земля находится в постоянном движении и взаимодействии с другими космическими телами, образуя различные наружные и внутренние физические поля, такие как тепловое, магнитное, поле силы тяжести и некото- рые другие. Характер распространения и строения этих полей позволяет кос- венно судить об особенностях геологического строения тех или иных приповерхностных или глубинных участков планеты.
Рассмотрим кратко характеристику некоторых физических полей и гео- физические методы изучения геологического строения земной коры, основан- ные на изучении этих полей.