Общая геология для экологов (1 часть)

К …… Общая геология для экологов. 1 часть: Учебное пособие. – М.:

РУДН, 2010. – 100 с.

ISBN ……………..

Учебное пособие является дополнением к основному курсу «Геология». В нем рассмотрены основные разделы Геологии — геологическое строение, состав и свойства земных недр, внешние и внутренние геологические процессы, в том числе и воздействие солнечной активности на геосистемы Земли. Рассмотрено положение Земли в Солнечной системе. Приводятся данные о геологическим летоисчислении – геохронологической и стратиграфической шкалах, основных этапах геологической истории нашей планеты.

Пособие рассчитано на студентов экологических специальностей вузов и колледжей. Оно может быть также интересным и для всех, кто изучает геологию и теорию катастроф.

УДК………

ББК………

ISBN……………

® РУДН, 2010

® Константиновская Л.В., Наумов Г.Б., Арешин А.В., 2010

РЕЦЕНЗИЯ на книгу Л.В.Константиновской, Г.Б.Наумова, А.В.Арешина

«Общая геология для экологов».

Авторы предлагаемой книги Л.В.Константиновская и Г.Б.Наумов имеют множество научных публикаций и большой опыт преподавания студентам.

Константиновская Людмила Васильевна — кандидат геолого-минералогических наук, доцент Российского университета дружбы народов. Секретарь секции «Математика в геологии» Московского общества испытателей природы, действительный член Академии прогнозирования (руководитель секции «Безопасность: угроза со стороны Космоса»). Основное научное направление – космические причины некоторых геологических процессов и катастроф.

Наумов Георгий Борисович – доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник Государственного геологического музея им В.И. Вернадского РАН. Действительный член Российского минералогического общества. Основная научная специализация – геохимия.

Арешин Александр Викторович – старший преподаватель кафедры геологии Московской сельскохозяйственной академии им. Тимирязева.

Общеизвестно, что теоретической (общенаучной) задачей геологии является создание общей теории строения и эволюции Земли. В своем развитии Геология опиралась на различные естественные науки, прежде всего это физика, химия и астрономия. В последнее время благодаря быстрому развитию технических возможностей (особенно в области космических исследований) в геологических науках было получено много новых эмпирических данных, которые изменили представления ученых о происхождении и путях развития нашей планеты. Так фундаментальные геохимические данные и изучение Солнца внесли глубокие изменения в понимание процессов, происходивших в земной коре и на ее поверхности.

Новейшие открытия органично входят в современную геологию, но еще слабо отражены в учебной литературе по общей геологии. А новые научные данные необходимо учитывать при подготовке не только геологов, но и экологов, поскольку эволюция Земли определяется системой факторов. Системный подход позволяет не только лучше понять прошлое, зависящее от таких процессов, как метасоматические изменения пород, природные катастрофы и другие явления, связанные с переносом вещества и энергии, но и позволяет решать современные актуальные экологические проблемы.

Данное учебное пособие этим и отличается от других изданий по геологии.

Доктор геолого-минералогических наук, профессор МГОУ, академик РАЕН и МАМР С.Л.Афанасьев

3.3. Внутренние оболочки Земли………………………………………….35

ПРЕДИСЛОВИЕ

Во второй половине ушедшего ХХ века в геологических науках благодаря быстрому развитию технических возможностей было получено много новых эмпирических данных, существенно изменивших наши представления о происхождении и путях развития планеты Земля. Большинство этих изменений были отражены в учебниках по общей геологии. Достаточно назвать учебник «Геология» Н.В.Корановского и Н.А.Ясоманова, выдержавшего 5 изданий, «Общая геология» под редакцией А.К.Соколовского (М.: КДУ, 2006), составленному на базе новейших материалов по детальному изучению геологии океана, новой геофизической информации, интерпретации космохимических данных.

Если новая геофизическая информация существенно повлияла на наши представления о внутреннем строении нашей планеты, то фундаментальные геохимические данные внесли не менее глубокие изменения в понимание процессов, происходивших в земной коре и на ее поверхности. Мы теперь знаем, что весь кислород современной атмосферы биогенного образования, накопление мощных толщ известняков и мраморов связана с кальциевой функцией живых организмов, а вся вода гидросферы могла бы пройти через биосферу всего за 3.2 млн. лет. Изотопные данные не только надежно устанавливают присутствие бесскелетного живого вещества задолго до появления его палеонтологических останков, но и дают температурные оценки геологических объектов, трассируют пути миграции отдельных элементов в недрах земной коры и на ее поверхности. Все эти данные уже органично входят в современную геологию, но пока еще слабо отражены в учебной литературе по общей геологии.

Не случайно Президент Российской Федерации на Деловом Саммите Азиатско-тихоокеанского экономического сотрудничества в 2000 г. сказал: «Еще наш соотечественник Владимир Вернадский в начале двадцатого века, создал учение об объединяющем человечество пространстве – ноосфере. В нем сочетаются интересы стран и народов, природы и общества, научное знание и государственная политика. Именно на фундаменте этого учения фактически строится сегодня концепция устойчивого развития»[1]. Коротко и ясно.

Все это необходимо учитывать при подготовке специалистов не только геологических, но и других направлений естественнонаучного знания и особенно экологического профиля. В последнее время появились специальные учебные пособия по биосфере. Однако эти сведения должны даваться в комплексе с данными о строении и истории развития земной коры и планеты в целом. Их практическое значение вырисовывается достаточно ярко в комплексе, поскольку эволюционное развитие Земли определяется системой факторов. «Систематическое изучение объектов природы и её самой как “целого” — неизбежно вскрывает черты строения, упускаемые при аналитическом подходе к ним, и дает новое»[2].

Системный подход позволяет лучше понять такие процессы как формирование геохимических барьеров, природные буферные реакции, метасоматические изменения пород и другие явления, связанные с переносом вещества и энергии, которые необходимы не только для восстановления прошлого, но и для решения текущих актуальных проблем. Целое может быть даже более простым, чем составляющие его части.

Этим данный учебник отличается от других схожих изданий.

ВВЕДЕНИЕ

Геология (греч. «гея» — земля, «логос» — учение) — наука о строении, составе и истории развития развитии Земли.

Согласно Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования Российской Федерации геология является обязательной естественнонаучной дисциплиной для экологических факультетов ВУЗов (специальность 013600 – «Геоэкология»). Стандартом предусмотрено ознакомление студентов-экологов с составом, строением и развитием Земли и земной коры, геологическими процессами (вызванными эндогенными и экзогенными причинами, в том числе — космическими), этапами геологической истории Земли, эволюцией органического мира, геологической деятельностью человека, охраной геологической среды.

В своем развитии Геология опиралась на различные естественные науки, прежде всего, — физику, химию, астрономию и др. В геологических науках выделяется целый ряд самостоятельных направлений (динамическая и историческая геология, минералогия, кристаллография, петрология, палеонтология, геохимия, геофизика, геотектоника и многие другие).

Прикладная геология включает науки, направленные на практическое использование и охрану земных недр (инженерная геология, гидрогеология, учение о полезных ископаемых, структурная геологию и геологическое картирование, поисково—разведочное дело, экономика минерального сырья, рудничная, шахтная, промысловая и инженерная геология и др.).

Геология затрагивает также философские проблемы мироздания – происхождение Земли и планет, зарождение и развитие жизни в Солнечной системе и т.д.

Основные практические задачи геологии можно разделить на 3 группы:

1) поиск месторождений полезных ископаемых, в том числе подземных вод;

2) экологические направления геологии: инженерно—геологическое обоснование строительства, рациональное использование минерального сырья и охрана земных недр;

3) прогноз стихийных бедствий, связанных с различными геологическими явлениями.

Теоретическая (общенаучная) задача геологии – это создание общей теории строения и эволюции Земли.

Всем этим вопросам в данном учебном пособии уделено внимание. Наиболее детально рассматриваются вопросы, которые имеют непосредственное отношение к решению актуальных экологических проблем.

ГЛАВА. 1. ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛГИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

История развития геологии

История развития геологии, как и большинства других наук, во многом еще ждет своих исследователей. «Развитие научной мысли — писал В.И. Вернадский — находится в теснейшей и неразрывной связи с народным бытом и общественными установлениями — ее развитие идет в сложной гуще исторической жизни и, и лишь долгим усилием научной работы и исторического творчества могут быть в хаосе прошлого отысканы основания, которые поддерживают современные научные настроения, те корни, которые дадут ростки в будущем развитии научных исканий» [[3]].

Вся история развития нашей цивилизации с древнейших времен и до наших дней самым тесным образом связана с историей освоения природных ресурсов. Она связана настолько тесно, что мы порой не замечаем этих связей, и уж тем более не придаем им существенного значения. А между тем освоение природных ресурсов во многом определяло и определяет все, что мы называем прогрессом, не зависимо от того, положительную или отрицательную роль они играют в нашей жизни. Точнее, каково соотношение между плюсами и минусами этих связей, и какую перспективу они нам готовят.

Лишь в самое последнее время, когда человек стал зримо ощущать негативные последствия результатов технического развития внешнего тела цивилизации, эта тема стала на повестку дня.

Истоки геологического знания уходят в глубокую древность. Практическое использование минеральных ресурсов, начиная с каменного века, заставляло накапливать эмпирический опыт поколений. Каменные орудия делались не из любого камня. Первые жилища связаны с камнем: пещеры, сначала естественные, а затем и искусственные, вырубленные с помощью других, более твердых камней. Сначала люди искали нужный камень, затем самородки золота и дальше в бронзовый век они осваивали все более сложные полезные ископаемые.

В гробницах египетских фараонов, построенных 2-3 тыс. лет до н.э. находят изделия не только из золота, но и украшения с драгоценными камнями. Сами гробницы построены из гранита, песчаника, диорита. Здания древних городов Индии складывались из обожженного кирпича. А гончарное ремесло возникло еще раньше. Все памятники древнейших цивилизаций связаны с камнем. Камень служил человеку и двигал вперед его культуру.

С древнейших времен данные, накапливаемые при использовании минеральных ресурсов, влияли не только на материальную, но и на духовную жизнь человека, через легенды и мифы религией и философией. Что можно сделать из камней люди знали из своего практического опыта. Но из чего произошли сами камни? И почему они разные?

Так древнегреческий философ Фалес (624-547 г. до н.э.) считал, что все камни, с которыми мы встречаемся на земной поверхности, связаны с водной субстанцией, входящей в состав материи, всех веществ, составляющих природу. Гераклит (544-474 г. до н.э.) в своем сочинении “О природе” первоначальной сущностью считал космический огонь. “Путем сгущения из огня появляются все вещи и путем разжижения в него возвращаются”[[4]].

Существует предположение, что слово химия произошло от египетского хеми, что означало “черный” и включало в себя искусство извлечения металлов из “черных камней”[[5]]. Ремесло это пришло в Европу из Египта, где им занимались только посвященные. Но не из каждого камня можно выплавить металл. Надо было еще знать из какого камня, где и как его найти. Появились первые рудознатцы. Из древнейшей химии выделилась металлургия, а потом и алхимия, пытавшаяся поучить золото из любого черного камня и тем не менее собравшая огромный эмпирический материал о свойствах минералов и горных пород.

Вода и огонь, как сущность всей тверди, по-видимому, имеют вполне конкретные корни практической деятельности рудознатцев. Самородки золота, первого использованного человеком металла, а затем золотоносные россыпи — находились в речных долинах и являются порождением водных потоков. А выплавка плавка золота, серебра, бронзы неразрывно связана с действием огня.

Эти древние взгляды, заложившие основу для великого философского спора нептунистов и плутонистов, нашли свое отражение и в представлениях о генезисе горных пород и рудных месторождений. В какой-то мере они и сейчас оказывают значительное влияние на существующие представления о происхождении рудных месторождений.

Аристотель (384-322 г. до н.э.) в основу материального мира клал уже четыре стихии Эмпидокла (495-435 г. до н.э.) — огонь, вода, земля и воздух. Взаимодействуя в недрах Земли, они дают огненные и водные выделения (наблюдения за извержениями вулканов), причем первые из них порождают камни, а вторые — металлы. В своих трудах он разделил весь минеральный мир на земли, камни и руды. По существу это первая известная нам классификация минеральных тел. Его ученик Теофраст (372 — 287 гг. до н.э.) в “Трактате о камнях” выделял семь видов минеральных тел: камни простые; цветные; плавкие горючие; негорючие; драгоценные; легкоразрезаемые; землистые.“[[6]] Эти первые классификации построены на двух основаниях: физическое состояние и практическое использование. Отсюда не следует, что вопросы происхождения руд вообще не интересовали рудознадцев. Однако они не клались в основу классификации, а выступали как некоторые дополнительные соображения, имеющие второстепенный интерес и не определяющие существа цели принятого деления.

Такое положение вещей сохранялось многие века.

Агрикола (Георг Бауэр 1494-1555), один из ведущих специалистов своего времени, основываясь на богатом опыте предшественников и собственных исследованиях месторождений Рудных гор, опубликовал серию книг содержащих оригинальную информацию по различным вопросам геологии, минералогии, горному делу и технологии переработки руд. Он классифицировал рудные тела по их составу, условиям залегания, размеру, вмещающим породам. На этих данных он основывал поисковые признаки рудных жил, приемы их оценки и разведки, условия разработки.

В средние века продолжаются попытки описания и классификации геологических тел, например описание минералов среднеазиатскими учеными Бируни и Ибн Синой (Авиценна). К эпохе Возрождения относятся первые суждения об истинной природе ископаемых раковин как остатках вымерших организмов, о длительности истории Земли. Разработка первых представлений о смещении слоев и их первоначальном горизонтальном залегании принадлежит датчанину Н.Стено (1669), который впервые дал анализ геологического разреза (в Тоскане), объясняя его как последовательность геологических событий.

Энциклопедией горного искусства явились обобщающие работы Агриколы (1494—1555 гг.). Геология как самостоятельная ветвь естествознания начала складываться во 2-й половине 18 в., когда под влиянием нарождающейся крупной промышленности стали быстро расти потребности общества в минеральном сырье, и в связи с этим возрос интерес к изучению недр. Этот период истории геология характеризовался разработкой элементарных приёмов наблюдения и накопления фактического материала. Исследования сводились главным образом к описанию свойств и условий залегания горных пород. Но уже тогда появлялись попытки объяснить генезис горных пород и вникнуть в суть процессов, происходящих как на поверхности Земли, так и в её недрах.

В этот период обострился вековой спор между нептунистами и плотонистами. Представителями этих школ были профессор минералогии во Фрейберге, саксонец А.Вернер и шотландский учёный Дж.Геттон.

Нептунист Вернер утверждал, что все горные породы, включая базальт, образовались как осадки из водной среды, что же касается вулканической деятельности, то её он приписывал подземному горению каменного угля. В работах Дж. Геттона и его последователей — плутонистов не прида­валось никакого серьезного значения силам и явлениям земной поверхности. Основная роль отводилась внутренним силам Земли, которые они представляли себе находящей­ся в стадии расплавленной горячей магмы, создают окружающую нас природу.

В середине 18 в. появляются геологические карты, сначала небольших участков, а затем и крупных территорий. Рождение геология как науки об истории Земли относится к концу 18 — началу 19 вв. и связывается с установлением возможности разделять слои земной коры по возрасту на основании сохранившихся в них остатков древней фауны и флоры. Позднее это позволило обобщить и систематизировать разрозненные ранее минералогические и палеонтологические данные, сделало возможным построение геохронологической шкалы и создание геологических реконструкций.

Впервые на возможность расчленения слоистых толщ по сохранившимся в них ископаемым органическим остаткам указал в 1790 английский учёный У.Смит, который составил «шкалу осадочных образований Англии», а затем в 1815 первую геологическую карту Англии. Большие заслуги в расчленении земной коры (по остаткам моллюсков и позвоночных) принадлежат французским учёным Ж.Кювье и А.Броньяру. В 1822 в юго-западной части Англии была выделена каменноугольная, а в Парижском бассейне — меловая системы, что положило начало стратиграфической систематике. Различие характера органических остатков в пластах, следующих один за другим, было объяснено французским учёным Ж.Кювье серией катастроф, вызванных сверхъестественными силами, во время которых на обширных пространствах всё живое уничтожалось, а затем опустошённые области заселялись организмами, мигрировавшими из других районов. Ученики и последователи Ж.Кювье развили это учение, они утверждали, что в истории Земли было 27 катастроф, во время которых погибал весь органический мир и затем вновь возникал под влиянием очередного акта творения, но уже в измененном виде. Нарушенное залегание первично горизонтальных слоев горных пород и образование гор считалось следствием этих же кратковременных катастроф.

Французский геолог Л.Эли де Бомон (1829) предложил контракционную гипотезу, объясняющую дислокации слоев сжатием земной коры при остывании и уменьшении объёма её центрального раскалённого ядра. Эта гипотеза разделялась большинством геологов до начала 20 в.

Существенный удар взглядам катастрофистов был нанесён трудом Ч.Лайеля «Основы геологии» (1830-33), в котором было показано, что действующие ныне геологические агенты (атмосферные осадки, ветер, морские приливы, вулканы, землетрясения) на протяжении миллионов лет производят величайшие изменения в строении земной коры. Важным достижением Ч.Лайеля и его современников была разработка актуалистического метода, позволившего расшифровать события геологического прошлого.

Огромное значение для дальнейшего развития стратиграфии имело эволюционное учение Ч.Дарвина. Оно дало прочную методологическую базу для детального расчленения по возрасту осадочной оболочки Земли путём изучения филогенетических изменений отдельных групп ископаемых животных и растений. В создании эволюционной палеонтологии большую роль сыграл и русский учёный К.Ф.Рулье, который ещё до Дарвина защищал идею эволюционного развития.

Во 2-й половине 19 в. эволюционные идеи получили широкое распространение, были разработаны научные принципы историко-геологических исследований и положено начало эволюционной палеонтологии (В.О.Ковалевский). Важное значение имели труды русских исследователей конца 19 — начала 20 вв. А.П.Карпинского, А.П.Павлова, Н.И.Андрусова.

В это время усиливается процесс дифференциации геология. Из сравнительно монолитной науки геология превращается в сложный комплекс геологических наук. Кроме стратиграфии, которая была в 19 в. ведущим направлением, обеспечившим хронологическую основу истории Земли, развивались и др. направления геологии. Появилось учение о «фациях», как изменении вещественного состава слоев по простиранию, связанные с изменением условий их образования. В.М.Севергин (1807 г.)

Современная минералогия начала создаваться ещё на рубеже 18 и 19 вв. трудами русских геологов В.М.Севергина, который ввел в науку четкое разделение понятий минерал и горная порода в их современном объеме — до этого к минералам относились все минеральные образования: и собственно минералы, и породы, и руды, и даже окаменелости; Д.И.Соколова, французского учёного Р.Гаюи и шведского химика Я.Берцелиуса. В конце 19 в. появились главные работы Е.С.Федорова, создателя учения о симметрии и теории строения кристаллического вещества, автора новых методов гониометрических и оптических исследований минералов. В 19 в. в качестве самостоятельной геологической дисциплины обособилась петрография, что связано с началом использования поляризационных микроскопов для исследования горных пород. Был накоплен огромный материал по их микроскопическому изучению, что позволило разработать первую петрографическую классификацию. Из них наибольшим признанием пользуется до сих пор классификация изверженных пород, предложенная в 1898 русским учёным Ф.Ю.Левинсон-Лессингом. В начале 20 в. получают развитие теоретические исследования по изучению процессов метаморфизма; начинается экспериментальное физико-химическое изучение силикатных систем. Но, наверное, впервые вопрос о необходимости использования законов физики и химии при анализе геологических явлений четко поставил в середине XIX века незаслуженно забытый геологами химик и фармацевт из Бонна Карл Фридрих Мор. [7] В своей «Истории Земли» (русский перевод М.: 1868) он показал, что в поверхностных условиях главенствует «Нептун», а в области высоких температур и давлений «Плутон», и, учитывая законы физики и химии, это вполне естественно.

Конец 19 — начало 20 вв. – это время нового качественного перелома в истории геологии. Развитие техники вызвало расширение масштабов освоения недр Земли, а также вовлекло в сферу мировых экономических связей новые, ранее не затронутые ими территории. Во всех ведущих странах мира возникают геологические службы. Новые обширные области охватываются геологическим исследованием, предваряя развитие в них горной промышленности. Растет поток фактических данных, резко расширяется кругозор геологов, вводится подготовка специалистов-геологов. Эволюционные идеи прочно обосновываются в геологии, и в общих чертах воссоздаётся картина развития Земли и её поверхности.

Во 2-й половине 19 в. появляются первые представления о существовании особо подвижных поясов земной коры – геосинклиналей. Открытие А.Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности открыло принципиально новое направление геологической мысли. В 1908 г. П.Кюри предложил использовать это явление в качестве независимого «эталона времени». Сейчас мы не мыслим себе серьезные геологические исследования без радиологических реперов, но первые результаты долго воспринимались в штыки. Наиболее авторитетные исчисления В.Томсона (лорд Кельвин), основанные на теплофизических расчетах времени остывания первично огненно-жидкой планеты давали величины порядка 40-60 млн. лет, и только в 1931 г. проф. К.Шухерт признал, что с начала протерозоя могло пройти 500 млн. лет. В результате появления радиологического исчисления времени в геологии смогло возникнуть понятие об интенсивности природных процессов. До этого считалось, что чем мощнее осадочные толщи, тем дольше они формировались. Отсутствовала независимая шкала времени. Радиогеохимия, введя радиологическую шкалу, коренным образом изменила все геологическое мышление. Коренные изменения произошли и в понимании теплового режима нашей планеты, подготовив основу для новых представлений о холодной агломерации Земли из материала протопланетного облака, сменивших гипотезу Канта-Лапласа об отделении расплавленного вещества Солнца.

В начале 20-го века сформировалась новая наука – геохимия, тесно связанная с работами норвежского профессора мине­ралогии В.М.Гольдшмидта, российского академика В.И.Вернадского и главного химика Американского геологи­ческого комитета американца Франка Кларка. На первом плане внимания В.М.Гольдшмидта находились главным образом проблемы изоморфизма атомов в структуре минералов и процессы в глубоких геосферах земной коры. Анализируя процессы миграции элементов, он ввел в геохимию понятие о поведении химических элементов, обусловленном их строением, и указал пути их выявления в среде, строящей земную кору. Это был существенный шаг вперед. Но в своих исследованиях он полностью игнорировал геохимическую роль биоты в эволюции земной коры. По-другому подошел к этим вопросам В.И.Вернадский. Еще в университете его заинтересовали лекции профессора минералогии, основоположника почвоведения – науки о почве, как особом «естественном теле природы» — В.В.Докучаева. От него он принял понимание почвы как целостного «биокосного» природного тела, играющего существенную роль в земных процессах. Развивая эти направления, наряду с другими геохимическими идеями, он пришел к новому понятию «живое вещество» как сумме всех живых организмов в конкретном геологическом теле, регионе и, в конечном счете, на всей планете в различные моменты ее истории. Введение в геохимию понятия «живое вещество» позволило с одних и тех же количественных позиций рассматривать не только косные, но и живые объекты природы, сравнивать их между собой. Так родилась биогеохимия.

Ф.Кларк, всю жизнь занимавшийся геологическими проблемами, свел и переработал огромный материал. Его работа оказала большое влияние на научную мысль. В ней были даны точные числовые данные по содержанию главней­ших химических элементов в различных типах горных пород. Она сде­лалась основой для дальнейших обобщений и дальнейшей работы в геологии на базе статистических данных о распределении элементов в земных, а потом и космических объектах. Всё более насущной становится необходимость перехода от простой констатации эмпирически устанавливаемых закономерностей к подлинному объяснению их причин, к вскрытию основных законов истории развития Земли. Возникает необходимость усиленного изучения глубинных процессов, происходящих в нижних слоях земной коры и в мантии. Усовершенствуется методика изучения веществ, состава горных пород (масс-спектрометрический, рентгеноструктурный и другие анализы) и строения земной коры.

В области тектоники для 20 в. характерны: разработка учения о движениях земной коры, в том числе о возможности горизонтальных перемещений крупных её блоков. В 50-60-х гг. начали составляться тектонические карты, положено начало изучению новейших тектонических движений и созданию неотектоники. В связи с разведкой и разработкой полезных ископаемых в осадочных толщах в качестве самостоятельной дисциплины выделились петрография осадочных пород, или литология, сконцентрировавшая внимание на выяснении вопросов осадочного породообразования, установлении его стадий и климатических типов.

В середине 20 века в геологических науках стали быстро распространяться идеи классической термодинамики. Оригинальный подход к термодинамическому анализу геологических процессов развил Д.С.Коржинский. Рассматривая метасоматические процессы, он на основании детальных эмпирических наблюдений ввел понятия о наличии в метасоматических колонках мозаичного равновесия и вполне подвижных компонентов, для которых данная система является открытой. Это был первый шаг к термодинамике открытых систем.

Еще в начале 20 века «созданная в течение всего геологического времени, установившаяся в своих равновесиях биосфера начинает все сильнее и глубже меняться под влиянием научной мысли человечества. Вновь создавшийся геологический фактор — научная мысль — меняет явления жизни, геологические процессы, энергетику планеты. Очевидно, эта сторона хода научной мысли человека является природным явлением… Но научная мысль входит в природные явления не только этим своим отраженным проявлением. В ней самой есть черты, только природным явлениям свойственные. Прежде всего, это видно в том, что ходу научной мысли свойственна определенная скорость движения, что она закономерно меняется во времени, причем наблюдается смена периодов ее замирания».[[8]]

Важнейшей задачей геология является дальнейшая разработка теории развития Земли, в частности исследование эволюции внутренних и внешних геологических процессов, определяющих закономерности распространения минеральных ресурсов.

В связи с успехами космических исследований одной из основных проблем геологии становится сравнительное изучение Земли и др. планет.

Методология геологических наук.

В естественных науках принято выделять объект изучения и метод конкретной науки. С объектом исследования геологии относительно просто. Это наша планета и, прежде всего, ее внешняя твердая оболочка – земная кора. В то же время геологии наука историческая, наука об истории Земли. Следовательно, в ней есть «шкала времени». Наконец, как наука естественная, она стремится подойти к объекту своего изучения с числом и мерой. Для получения всех этих данных геологии активно пользуется методами широкого круга других естественнонаучных дисциплин: физики, аналитической и физической хи­мии, термодинамики, биологии со всеми их многообразными разветвлениями. Но Земля и ее кора не изолированы от окружающего ее мира. Поэтому геологию интересует и все материальное и информационное окружение непосредственного объекта своего изучения. От него в значительной мере зависит поведение центрального объекта изучения. Без его учета невозможно надежное восстановление истории развития, а, следовательно, и прогноз будущего, даже ближайшего. Но центральным ядром науки геология остается земная кора.

Это в глобальном аспекте. Внутри коры она изучает распределение геологических комплексов, горных пород, конкретных минеральных видов. В сфере ее внимания воздушные потоки атмосферы, наземная и подземная гидросфера, живое вещество планеты. Все эти естественные тела существуют не каждый в отдельности, а во взаимосвязи.

В самое последнее время наряду с естественными природными телами в сферу геологических исследований вошли и техногенные образования, начинающие играть все большую роль в распределении и миграции элементов земной коры, соизмеримую с действием отдельных природных сил.

Взаимодействие широкого круга методов разных наук, сконцентрированное на одном уникальном объекте, в котором мы родились и существуем, на отдельных его телах, определяет целостность самой науки, ее координирующую роль в познании реального строения и законов развития нашей планеты. «Синтетическое изучение объектов природы — ее естественных тел и ее самой как «целое» — неизбежно открывает черты строения, упускаемые при аналитическом подходе к ним, и дает новое. Этот синтетический подход характерен для нашего времени» [[9]] в научных и философских исканиях. Случайное и неважное в глазах ученых одного десятилетия получает в глазах другого нередко крупное и глубокое значение; в то же время блекнут и стираются ранее установившиеся вехи научного сознания.

Конкретно мы изучаем не земную кору в целом, а слагающие ее естественные тела. «Естественным телом — по определению В.И.Вернадского — мы будем называть всякий логически ограниченный от окружающего предмет, образовавшийся в результате закономерных природных процессов… Таким естественным телом будет каждая горная порода (и формы ее нахождения — батолит, шток, пласт и т.д.), будет всякий минерал (и формы его нахождения), всякий организм, как индивид и как сложная колония, биоценоз (простой и сложный), всякая почва, ил и т.д., клетка. ядро ее, ген, атом, электрон … — миллионы миллионов всевозможных естественных тел…» [[10]].

Наука начинается с выделения естественных природных тел. Но при дальнейшей научной работе важно учитывать, что мы оперируем не реально существующими телами, а только отвечающими им понятиями. Реальные тела мы изучаем. Понятие, отвечающее естественному природному телу, не есть что-нибудь постоянное и неизменное. Оно меняется, иногда очень существенно, с ходом научной работы, с ходом жизни нашей цивилизации. Но слово, отвечающее понятию естественного тела, может сохраняться века и тысячелетия. Так слово «атом» сохраняется с глубокой древности, но понятие «атом», которое обозначает это слово, во времена Аристотеля и в наше время существенно различаются между собой.

Таким образом, необходимо различать объект геологических исследований, как реально существующее природное тело, и объект, как некоторое логическое понятие, образованное в результате его разностороннего изучения. Первое консервативно, относительно устойчиво; второе постоянно меняется и совершенствуется по мере развития исследований и нашего общего геологического знания. Первое — материально и существует независимо от субъективных ощущений; второе составляет его информационное поле и меняется в ходе развития наших знаний. К первой категории относятся конкретные образцы (пород, руд, минералов и т.п.), тесно связанные с самим естественным материальным природным телом. Ко второй — описания, карты, схемы, результаты анализов, модели, гипотезы, теории и т.д.

Эмпирические факты и эмпирические обобщения. Фундамент, на котором зиждутся все наши научные построения, – это эмпирические факты. Эмпирические факты, полученные в результате непосредственных наблюдений, по своему определению единичны и всегда истинны, сами по себе, но не всегда в нашей интерпретации. Их множество безгранично. Но разрозненные факты трудно использовать в науке и практике.

Отдельные эмпирические факты, не связанные в систему, еще не создают знания. Вот почему доказательства по типу «выборочных примеров», часто используемые в геологической литературе, довольно слабые доказательства. Из множества отдельных фактов обычно можно выбрать отдельные, позволяющие делать различные интерпретации.

Устойчиво повторяющиеся эмпирические факты, объединенные в некоторое множество, составляют уже эмпирические обобщения, которые и позволяют проводить дальнейшие операции, строить более сложные системы и получать практические результаты. При этом необходимо учитывать, что истинность эмпирических обобщений не безгранична. Все они имеют некоторую область устойчивости, внутри которой обнаруживают закономерную статистическую плотность распределения отдельных характеристик.

Так, если минералогический или химический состав конкретного образца горной породы дает нам эмпирический факт, то средний состав пород, полученный из многих анализов, с установленными пределами колебаний отдельных компонентов, является типичным эмпирическим обобщением. Примером может служить средний минеральный или химический состав гранита или любой другой горной породы. И как бы ни менялись наши представления о происхождении этого типа пород, эти значения могут только уточняться, всегда оставаясь фундаментальным эмпирическим обобщением.

Эмпирические обобщения опираются на факты, и выводятся индуктивным путем, не выходя за их пределы. Они могут долго не находиться в согласии с другими существующими представлениями о природе, не поддаваться никаким гипотетическим объяснениям, являясь непонятными, и все же оказывать благотворное влияние на развитие науки и техники, заставляя искать их место в общей системе знаний и даже использоваться в практической деятельности. Мы до сих пор не знаем природу гравитации, но активно используем эмпирические значения гравитационных постоянных.

Итак, надежный фундамент науки – это эмпирические факты и, полученные на их основе, эмпирические обобщения.

Наиболее общие эмпирические обобщения, кладущиеся в основу многих дальнейших теоретических построений, обычно выступают в качестве научных принципов.

Наконец, самые широкие принципы, очевидность которых не подвергается сомнению, постоянно подтверждается практикой, отрабатываются поколениями, возводятся в ранг аксиом.

Научные объяснения, гипотезы, модели также являются одним из трех китов научного знания, но отличным от двух предыдущих, и составляют иной блок научного знания. Гипотеза – научная теория, предположение, связывающее в единую логическую цепочку отдельные факторы, догадки и наблюдения и дающее им объяснение. Гипотезы совершенно неизбежны и необходимы для развития науки. Без них ученые просто бы погрязли в сумме отдельных фактов. Научные гипотезы влияют на сбор новых эмпирических фактов, их критику, систематизацию и обобщения. Да и сам научный аппарат создается благодаря научным теориям и научным гипотезам. И в то же время, несмотря на то огромное влияние, которое они оказывают на научную мысль и научную работу данного момента, они всегда ограничены и преходящи. Их нельзя идеализировать, и они не должны являться догмами. В отличие от фактов и обобщений, которые, если они правильно выведены, остаются неизменными в любой теоретической системе и исторически переходят из одной теории в другую, научные объяснения (гипотезы, теории, модели) это «наши мимолетные творения разума». Они с необходимостью изменяются по мере накопления новых эмпирических данных, в ходе эволюции научного знания.

История развития геологии прекрасно иллюстрирует смену геологических парадигм по мере накопления новых фактических данных и зависимость появления последних от развития технических возможностей цивилизации.

Система научного знания. Если схематически изобразить всю цепочку получения и преобразования научного знания, то ее можно изобразить в виде схемы (рис.1.1).

В начале цепочки лежит непосредственное наблюдение природных объектов или их откликов на те или иные естественные и техногенные воздействия. В результате этих процедур формируется сумма эмпирических фактов. Они многочисленны, разрозненны и иногда противоречивы. Они нуждаются в систематизации и обобщении.

На этой базе формируются эмпирические обобщения, суммирующие отдельные эмпирические факты, устойчивые в определенных условиях с некоторой долей вероятности. Последние два условия (область реализации и доверительный интервал) ограничивают сферу применимости любого эмпирического обобщения. Сами эмпирические обобщения наиболее устойчивы и сохраняются при изменении теоретических обобщений, но могут уточняться по мере накопления новых эмпирических фактов. В процессе своего формирования они многократно проверяются путем сопоставления с природными объектами через наблюдения и измерения по принципу обратной связи Данная стадия формирования научного знания весьма ответственна и совершенно необходима для построения научного объяснения. Все попытки ее игнорирования и построения теоретических моделей на базе отдельных фактов (метод «выборочных примеров»), показанный на схеме пунктирной линией, часто приводит к печальным результатам, чреваты искажением общего процесса и созданием иллюзии знания.

На базе эмпирических обобщений исторически формируются научные принципы, постулаты и аксиомы. Это наиболее устойчивые эмпирические обобщения с широкой сферой применимости. Их влияние не ограничивается процессом формирования научных объяснений. По принципу обратной связи они направляют исходный процесс наблюдений и измерений. На эту же процедуру влияют и создающиеся на каждый данный момент теоретические представления.

Особое значение теорий заключается еще и в том, что именно через них вся система научного знания работает на ее практическое применение (на рис.1.1 эта область выделена пунктиром).

ГЛАВА 2. ЗЕМЛЯ И КОСМОС

За последнее время мировая наука с помощью сверхмощных телескопов и космических аппаратов получила целый ряд новых принципиальных данных по ближнему и дальнему Космосу. Эти результаты позволяют по-новому оценить многие вопросы истории развития нашей планеты и влиянии космических факторов на ее развитие. К этим вопросам мы будем неоднократно обращаться в ходе дальнейшего изложения материалов.

Земля – одна из планет Солнечной системы, состоящей из звезды (Солнце), планет, их спутников, а также космического мусора (астероидов, комет и метеоритов). Солнце является лишь одной из звёзд нашей Галактики, которая заключает в себе, вероятно, более 10 11 звезд и имеет линзообразную форму с диаметром около 70 тыс. световых лет. Помимо нашей Галактики имеется очень большое число звездных систем приблизительно того же размера. Эти системы, внегалактические туманности, довольно равномерно рассеяны в космическом пространстве; ближайшая к нам туманность Андромеды находится на расстоянии около 1 млн. световых лет.

Современные данные по распространенности главных химических элементов в космосе и по отдельным группам объектов представлены на рисунке 2.1.

Солнечная система состоит: из одной звезды (Солнце), девяти планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон), более 61 спутника (каждый год открываются все новые), более миллиона комет и астероидов. Предполагают, что за Плутоном могут находиться новые планеты. Пространство между планетами заполнено крайне разреженным газом и космической пылью. В пределах Солнечной системы расположено 4 внутренних планет (молодых, ближних) (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и 5 внешних планет (старых, дальних) (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Между Марсом и Юпитером находится пояс астероидов (так называемые «малые планеты»). Радиус всей Солнечной системы предположительно составляет около 600 а.е.[11]. Это пространство имеет 3 «зоны влияния»:

1) от 0 до 2 а.е. — здесь располагаются 4 внутренние планеты. В этом пространстве наиболее сильное влияние оказывает «солнечный ветер», препятствующий проникновению жесткого космического излучения;

2) от 2 до 40 а.е. – зона 5-ти внешних планет, где действует жесткое космическое излучение;

3) от 40 до 600 а.е. – здесь могут находиться новые планеты, эта зона особого жесткого космического излучения.

Солнце

Солнце — самый большой объект Солнечной системы, содержащий 99,8% массы всей Солнечной системы. Это раскаленная звезда, входящая, как и все звезды, видимые на небе, в состав нашей звездной системы – Галактики. Солнце является гигантским источником столь необходимой людям энергии**. Внутренняя температура Солнца достигает 15·10 6 0 К.

Диаметр Солнца в 109 раз больше диаметра Земли. А масса его примерно в 333 000 раз превышает массу нашей планеты. Сила тяжести на его поверхности в 28 раз больше земной. Масса всех планет составляет всего лишь около 0,1% от массы Солнца. Поэтому Солнце силой своего притяжения управляет их движением. Увеличение орбитального периода Солнца может говорить и об увеличении массы Солнца, а также об увеличении радиуса орбиты Солнца и об уменьшении скорости обращения его.

Зоны Солнца. Солнце состоит из 2 крупных сфер:

1) недра – это сфера энерговыделения, состоящая из 3 зон: сверхплотного ядра, лучистого ядра, конвективной зоны;

2) атмосфера (состоящая из фотосферы, хромосферы и короны). Температура атмосферы равна около 6 тыс., а недр 15 тыс. 0 К. Корона (внешняя часть солнечной атмосферы) испускает в пространство «солнечный ветер» (поток ионизированных частиц), скоростью которого 300-600 км/с. С ним уносится заметная часть энергии Солнца.

“Солнечный ветер” доходит до Земли за 1-5 суток. При увеличении активности Солнца (СА) скорость “ветра” увеличивается в 1,5-2 раза.

Солнечная активность (СА) – совокупность нестационарных явлений на Солнце, а также совокупность таких областей.

Считается, что энергия Солнца в глобальном масштабе за последние 1-3 млрд. лет оставалась практически неизменной, но наблюдались периодические изменения (колебания) СА примерно на 1-4%. Согласно данным СА имеет ритмический (циклический) характер. За 250 последних лет выявлены более 100 циклов СА разной продолжительности. Солнцу присущи циклы от нескольких минут до миллиардов лет. Наиболее известен 11-летний цикл. В настоящее время (с конца 20-го века) на Солнце происходит всплеск СА с циклом в 250 лет.

Рис. 2.2. Солнечная активность за 250 последних лет (по числам Вольфа)

Активность Солнца определяется более тридцатью индексами, которые фиксируют вспышки, магнитные бури и т.д. Но наиболее распространен и изучен индекс числа Вольфа (W), который учитывает пятна на Солнце. Этот индекс имеет и самый продолжительный ряд научных наблюдений (с 1747 года). Среднее ежедневное значение его за этот период составило 52 ед.

Среднее СА за последние 100 лет возросло почти в 1,5 раза. Пик активности пришелся на конец 20-го века. Это дало основанию предположить, что именно СА повлияло на изменения климата планеты.

Планеты

Планеты («планэтэс» — с греч. «блуждающий») относятся к структурной массе Космоса – к ее скрытой массе (так как светятся отраженным светом). Планеты присутствуют не только в Солнечной системе, но и около многих звезд Галактики. Размеры планет относительно Солнца невелики. Так Меркурий меньше Солнца почти в 300 раз. Планеты Солнечной системы имеют общие свойства и некоторые различия. Современная астрономия делит их на две группы (внешние и внутренние), резко отличающиеся между собой размерами, плотностью и расстоянием до Солнца (рис. 2.3.) (табл. 2.1.):

— внутренние планеты — Меркурий, Венера, Марс и Земля. Их иногда называют планетами земного типа. Они (как и Земля) сравнительно небольшого размера, являются твердыми телами (в основном силикатно-железистого состава);

— внешние планеты – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Их иногда называют дальними планетами.

— Инсоляция (солнечная постоянная) — поток прямого излучения от Солнца, приходящийся на единицу поверхности планеты (измеряется в вт/м²). Инсоляция уменьшается по мере удаления планеты от Солнца. До Плутона солнечные лучи практически не доходят, и его инсоляция почти равна нулю (на этой планете присутствует полная темнота).

— Альбедо — доля отраженного планетой солнечного света. Она зависит не только от отраженного солнечного света, но и от излучения (свечения) самой планеты.

Эволюция представлений о происхождении земных оболочек.

До середины ХХ века в космогонических гипотезах господствовали представления о первично расплавленной Земле, вещество которой отделилось от Солнца (гипотезы Канта-Лапласа, Джинса). В рамках этих гипотез У.Томсон (лорд Кельвин) рассчитал возраст Земли по скорости ее остывания, который составил 40-60 млн. лет. По аналогии с металлургическим процессом, где при плавке руд вещество разделяется на три слоя (шлак, штейн и металл), В.М.Гольдшмидт разделил Землю на три оболочки (геосферы): литосферу, промежуточную окисно-сульфидную оболочку и центральное ядро.

На смену гипотезы первично расплавленной планеты во второй половине ХХ века пришла гипотеза холодной агломерации из космического газово-пылевого облака. Механизм образования Земли и планет путем агломерации твердых тел неоднократно разбирался с астро­номической и физической стороны (А.Эукен, О.Ю.Шмидт и его школа, В.Латимер и др.)

В общей истории Земли при холодной агломерации обычно различают два этапа:

1. Астрономический (догеологический), когда Земля формировалась из космической пыли и приобрела ту форму и размеры, с которыми нам приходит­ся иметь дело и сейчас,

2. геологический — начавшийся уже после пол­ного формирования планеты.

Между этими этапами фактически не про­водится достаточной связи и, более того, молчаливо допускается боль­шой временной разрыв в 1—2 млрд. лет, необходимый для радиогенного разогрева первично гомогенной, холодной планеты, когда идет выправление легкоплавкой фракции, дегазация и сопровождающий ее вулканизм. Существенным геохимическим требова­нием такого представления является отсутствие плотной первичной атмо­сферы. Согласно этим представлениям механизмами дифференциации являются кристаллизационная дифференциация и процессы, аналогичные «зон­ной плавке», при которых узкая тепловая зона расплавленного вещества движется относительно кристаллизованного столбика породы.

Таким образом, за начальную точку эволюции Земли по существу принимается холодная, лишенная первичной атмосферы и одно­родная планета современных размеров.

Геохимический анализ самых ранних этапов формирования планеты рассмотрел ученик В.И. Вернадского К.П. Флоренский (1965), показавший недостаточность учета происходящих при этом событий и их значение для правильного понимания всей дальнейшей геохимической истории Земли.

С учетом этих данных процесс роста планеты состоит из ряда последовательных падений космических тел разного размера («Теория катастроф»). Каждое падающее из бесконечности в отсутствие атмосферы тело при нулевой геоцентрической начальной скорости приоб­ретает скорость удара, равную второй космической скорости. При падении (ударе или торможении в ат­мосфере) неизбежно выделение этой энер­гии.

Средняя скорость встречи метеоритов с Землей 20—30 км/сек. Крупные тела, при ударе о поверхность Земли взрываются за счет мгновенного превращения в пар под влиянием перехода кинетической энергии в тепловую. При больших скоростях удара образуется плотный электронный газ с температурой в сотни тысяч градусов. На Земле образуется ударный кратер (астроблема). Общим во всех случаях падения является то, что существенная часть космического вещества, выпадающего на планету, претерпевает не толь­ко дробление, но проходит кратковременную стадию плав­ления и испарения. Этот процесс связан с размером протопланеты и менее зависит от отсутствия или наличия атмосферы на ней. Наличие и характер атмосфе­ры меняет относительную роль испарения, плавления и дробления ча­стиц, но не меняет принципиального существа процесса.

Х.Холленд (1984), обобщив многочисленные данные по распределению инертных газов и их изотопов в атмосфере, в метеоритных телах и земных объектах, показал идентичность их распределения (кроме гелия, самого легкого инертного газа, способного к диссипации), говорящего об общности их космического происхождения. Модели дегазации «корректны только в том случае, если на самом раннем этапе истории Земли имел место значительный выброс газов». Этот выброс и связан с ударным плавлением и ранней дегазацией метеорного вещества при его гравитационном уплотнении.

Неизбежная дегазация метеорных тел с разогревом при ударе долж­на была привести к образованию атмосферы, гидросферы и дифференциации вещества литосферы еще во время агломеративного роста планеты, по мере падения на Землю новых космических тел. Возможность ударного выплавления гранитов в настоящее время подтверждена экспериментально. Одновременно идет разогрев верхних зон планеты, гораздо ранее радиоактивного разогрева и последую­щего периода дегазации, и дифференциация ее вещества.

На наличие мощного процесса разделения вещества уже на ранних стадиях развития планеты указывает строение Луны, имеющей существенно разный цвет «материков» и «морей», который остается заметным, несмотря на нивелирование его последующими выпадения­ми космической пыли и метеоритов, строение и состав реголита, слагающего ее поверхность.

Та­ким образом, атмосфера и гидросфера планеты представ­ляют не вторичные образования, а растут параллельно с общим ростом Земли за счет агломерации космического вещества, выделения летучих компонентов при соударении метеорного вещества с поверхностью планеты и дегазации при гравитационном уплотнении. Честь выделившихся газовых компонентов диссипирует обратно в космическое пространство. Этот процесс постепенно ослабевает по мере роста массы планеты. При современной массе может диссипировать только водород и в меньшей степени гелий. Состав первичных атмосферы и гидросферы должен был существенно отличаться от современного. Химический состав первичной атмосферы, скорее всего, был углекисло-метановым, как и на других планетах земной группы.

Такие представления не противоречат основным эмпирическим данным и ликвидируют разрыв между догеологическм (космическим) и геологическим этапами развития планеты.

ГЛАВА 3. СТРОЕНИЕ И СОСТАВ ЗЕМЛИ

3.1. Форма, размеры и физические свойства Земли.

Уровни организации вещества Земли. Вещество Земли по организации можно разделить на несколько уровней («иерархических ступеней»):

— атомы (химические элементы). На сегодня известно 108 химических элементов (таблица Менделеева). Около 90 из них встречается в природе, остальные 18 были синтезированы искусственным путем. 87 встречается в самородном состоянии, но большей частью это единичные находки;

— минералы – природные естественные химические соединения (или, значительно реже, самородные химические элементы); имеют неорганический состав;

— горные породы — естественные ассоциации минералов, устойчивые при определенных физико-химических условиях;

— геологические тела – это некие объёмы недр, выполненные набором горных пород образовавшихся в результате закономерных природных процессов, (слои, пачки, интрузивные тела, осадочные формации).

— геосферы. Под геосферами понимают отдельные концентрические оболочки Земли (атмосферу, земную кору, мантию, ядро и др.)

— планета Земля как космическое тело

*Только очень немногие самородные химические элементы (S, Au, Cu, Ag, C, Pt) встречаются в природе в промышленно значимом количестве.

Форма, размеры и физические свойства Земли. Форма планеты зависит от её размеров, распределения плотности вещества в недрах и скорости её осевого вращения.

Внешнюю форму Земли довольно сложно представить в виде правильной геометрической фигуры. В первом приближении она представляет собой шарообразное тело (сфероид) со средним радиусом 6371 км.

Во втором приближении Земля является двухосным эллипсоидом вращения, несколько сплющенным у полюсов. Экваториальный радиус Земли равен 6379 км, а полярный 6357 км. Эксцентриситет (степень сжатия) эллипсоида 1/300.

Важным следствием элептической формы Земли и её вращения вокруг своей оси является не только очевидная смена дня и ночи, но и ряд других явлений. В первую очередь – это неравномерное распределение тепла по широтам и появление поясной географической зональности, параллельной экватору.

Наблюдаемая форма Земли связана с тем, что она не только движется по своей орбите вокруг солнца, но и вращается вокруг своей оси. Полный оборот Земля делает за 24 часа (точнее за 23 часа 56 минуты 4 секунды). В результате действия центробежных сил при вращении, Земля оказывается несколько сжатой у полюсов. Поэтому экватариальный радиус Земли на 21 км больше полярного.

Совокупность неровностей земной поверхности называется рельефом. Самая высокая гора Эверест (Джомолунгма) – 8848м выше уровня океана, самая глубокая впадина – Марианская – 11034м ниже уровня океана. Таким образом, перепады рельефа на поверхности Земли составляют около 20 км, что по сравнению с радиусом планеты (около 6300км) составляет ничтожную величину. Гораздо более существенным фактом является неравномерность распределения вещества с разной плотностью в недрах Земли.

В третьем приближении Земля представляет собой трехосный эллипсоид. Сравнительно недавно было установлено, что экваториальное сечение Земли так же представляет собой эллипс. Разность его полуосей составляет около 200м, а эксцентриситет – 1/30000. Кроме того, полярные полуоси северного и южного полушарий не одинаковы (южная на 100 – 200м) короче северной, поэтому полярное сжатие южного полушария больше чем северного.

Хотя представление о форме Земли как о двухосном эллипсоиде вращения для решения многих задач является верным, в действительности поверхность Земли оказывается более сложной. Наиболее близка к ней своеобразная математически рассчитанная фигура – геоид (буквальный перевод термина – «землеподобный»).

Геоид – некоторая воображаемая, математически рассчитанная, замкнутая геометрическая поверхность, по отношению к которой сила тяжести повсеместно направлена перпендикулярно. Она совпадает с невозмущенной поверхностью мирового океана и продолжается, погружаясь под материки, как бы сглаживая их рельеф. Таким образом, с точки зрения физики геоид – это эквипотенциальная поверхность.

Форма и размеры Земли были вычислены геодезистом А.А. Изотовы в 1940 г. на основании геодезических работ, проводившихся под руководством математика профессора Ф.Н. Красовского. Поэтому вычисленная Изотовым фигура Земли получила название эллипсоида Красовского (табл. 3.1.). Позднее её параметры были уточнены с помощью космических аппаратов.

Таблица.3.1. Основные параметры эллипсоида Красовского

Экваториальный радиус 6 378, 245 км Полярный радиус 6 356, 863 км Площадь поверхности Земли 5210 млн. км 2 Окружность по полюсам 40 008 км Окружность по экватору 40 075 км Объём Земли 1,083 · 10 12 км 3 Масса Земли 5,976 · 10 9 т (или 5,976 · 10 27 г) Средняя плотность Земли 5,52 г/см 3

Лабораторными исследованиями было установлено, что плотность горных пород, выходящих на поверхность Земли не превышает 2,7 – 3 г/см 3 . Из этого следует, что в её недрах должны находится горные породы, чья плотность должна значительно превышать среднюю плотность Земли.

Внутреннее строение Земли и методы его изучения. В 80-е гг. ХIХ в. австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831-1914) высказал мысль о том, что Земля, подобно луковице, состоит из концентрических оболочек и плотного ядра – геосфер (греч. “гея” — земля, “сфера” — шар).

Представления о внутренней неоднородности строения Земли и о её концентрически-зональном строении основаны как на прямых наблюдениях (для внешних геосфер), так и на результатах комплексных геофизических исследований (для внутренних геосфер). При этом поверхность Земли является поверхностью раздела, отделяющей твердое тело планеты от внешних геосфер – атмосферы, гидросферы, биосферы и магнитосферы.

Все процессы, происходящие на планете, в конечном счете, сводятся к перераспределению вещества и энергии как внутри отдельных геосфер, так и между ними. За время геологической истории Земли эти перемещения меняли состав и строение отдельных оболочек. Поэтому данные, которые мы получаем, относятся к их современному состоянию. Их состояние в прошлом мы последовательно восстанавливаем по тем следам, которые хранятся в «каменной летописи» Земли, так же как археологи восстанавливают историю древних цивилизаций, читая наскальные рисунки и письмена.

По существующим представлениям земной шар разделен на ряд концентрических оболочек (геосфер), вложенных друг в друга. При этом поверхность Земли является поверхностью раздела, отделяющей твердое тело планеты от внешних геосфер – атмосферы, гидросферы и атмосферы.

Таблица 3.2. Состояние и состав оболочек Земли

(по В.А. Вронскому, Г.В. Войткевичу, Ю. П. Селивестрову и А.А. Бобкову)

Оболочка Химический состав Физическое состояние Атмосфера N2, O2, CO2, (H2O), инертные газы Газообразное Гидросфера Пресные и соленые воды, снег и лед. Растворенные Cl, SO4, HCO3, Na, K, Mg, Ca. Жидкое, частично твердое и газообразное Биосфера Углеводы, белки, жиры, нуклеиновые кислоты, C, H, O, N, S, скелетный материал (Cа, Si, P), вода Твердое, жидкое, преимущественно коллоидальное Литосфера Магматические, осадочные и метаморфические горные породы (Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K) Твердое, частично расплавленное Астеносфера Минералы оливин-пироксенового состава и их эквиваленты высоких давлений (O, Si, Mg, Fe). Частично расплавленное Мантия Минералы оливин-пироксенового состава и их эквиваленты высоких давлений (O, Si, Mg, Fe). Твердое, но пластичное Ядро внешнее Железо-никелевый расплав с примесью силикатного вещества Жидкое, вероятно расплавленное Ядро внутреннее Железо-никелевый сплав (Fe, Fe S, Ni) Твердое, металлоподобное

3.2. Внешние геосферы.

Атмосфера (греч. “атмос”- пар) газовая оболочка Земли. По характеру изменения температуры с высотой атмосферу разделяют на несколько слоев (сфер). Это тропосфера, стратосфера, ионосфера (Рис. 3.1.).

Тропосфера. Толщина её составляет от 6 км на полюсах до18 км на экваторе, средняя – около 12 км. Она содер­жит 80 % всей массы атмосферы и все водяные пары. Содержа­ние кислорода О2 = 21 %, азота N2 = 78 %, углекислого газа СО2 = 0,03 % и аргона 0,93 %.

На каждые 100 м высоты пониже­ние в тропосфере фиксируется понижение температуры на 0,6°С. В результате температура у верхней границы тропосферы — (45—55°С) у полюсов и — (70—80°С) у экватора.

Стратосфера имеет верхнюю границу на высоте 80—90 км. Масса = 5 %, t = -(80-90°С). Здесь на высоте 80-120 км расположен озоновый слой, который защищает биосферу от губительного действия ультрафиолетово­го излучения Солнца.

Ионосфера. Здесь воздух сильно ионизирован. Часто наблюдаются полярные сияния в результате схода электронных и протонных лавин, поступающих от Солнца, с силовых линий геомагнитного поля. Верхняя граница полярных сияний 100-120 км. Верхняя граница ионосферы не установлена, так как она постепенно пере­ходит межпланетное пространство, заполненное межпланетным магнитным полем и потоками космических заряженных частиц (рис. 3.2. Магнитосфера Земли).

Однако это температура характеризует только скорость движения отдельных частиц, а не температуру всей ионосферы, для которой из-за высокой разреженности газа обычное для нас понимание температуры приближается к абсолютному нулю.

Выше ионосферы идут: экзосфера (от 1 до 5-10 тыс. км.) и магнитосфера (60 тыс. км).

Последние наиболее тщательные определения общей массы атмосферы дают величину 51,17 . 10 20 г для массы сухой атмосферы, т. е. без учета водяных паров. Ее современный состав приведен в таблице 3.3. Конвекционные потоки поддерживают постоянство относительных содержаний компонентов вплоть до высоты 60 км, но выше может происходить гравитационное разделение по молеку­лярным весам, хотя оно не играет существенной роли. Ниже 100 км, даже на боль­ших высотах преобладают кислород и азот.

Атмосфера перераспределяет тепло, без атмосферы у поверхности Земли днем было бы больше +100 0 С, ночью -100 0 С, колебание — 200 0 С. Сейчас средняя температура на Земле около +15 0 С.

Гидросфера – жидкая оболочка Земли (греч. «гидор» — вода, «сфера» — шар). Гидросфера включает в себя все природные воды: океаны, моря, реки, озера, а также подземные водоносные горизонты (водяной пар атмосферы не включается в гидросферу). Общая масса воды гидросферы составляет около 1644· 10 15 т (или 0,2 % от массы планеты). Она в 275 раз превышает массу атмосферы (табл. 3.4.). Около 94 % массы гидросферы составляют соленые воды мирового океана. Из оставшихся 6 % примерно ¼ приходится на ледники. На долю подземных вод приходится 1,68 % общего объема гидросферы. Объём последних оценивается примерно в 200 км 3 . Остальные 4 % – пресные воды суши (вода рек, озер и болот). Гидросфера покрывает 70,8% (361 млн. км 2 ) поверхности Земли. Наибольшая ее толщина — около 11 км. В Мировом океане глубины от 3 тыс. до 6 тыс. метров (средняя глубина океанов — 3800 метров). Соотношение резервуаров гидросферы показаны на рисунке 3.3.

Любые воды гидросферы Земли в той или иной степени минерализо­ваны и могут рассматриваться как природные растворы. В отличие от атмосферы в гидросфере четко проявлена горизонтальная неоднород­ность (зональность): воды суши в основном пресные, а океанов и мо­рей — соленые.

Рис. 3.2. Магнитосфера Земли (а – без учета воздействия солнечного ветра; б – при воздействии солнечного ветра).

Воды океана исключительно постоянны по химическому составу и содержат в среднем 35 г солей в 1 л (3,5 %)

Атмосфера и гидросфера это два огромных резервуара, между которыми существует постоянный обмен веществом. Тропосфера всегда содержит пары воды, а в океане растворяются атмосферные газы. Этот обмен в значительной мере зависит от температуры системы. При повышении температуры уменьшается растворимость газов. А поскольку температура поверхности планеты зависит от активности солнечной радиации, влияние Космоса на сдвиги этих равновесий сказывается наиболее ощутимо.

Биосфера – областью существования и активной деятельности живого вещества. Термин «биосфера» впервые применил Э. Зюсс (1875), считавший ее тонкой пленкой жизни на земной поверхности, в значитель­ной мере определяющей «лик Земли». Однако заслуга созда­ния целостного учения о биосфере принадлежит В.И. Вернад­скому, так как именно он развил представление о живом ве­ществе как огромной геологической (биогеохимической) силе, преобразующей свою среду обитания. Большое влияние на В.И. Вернадского оказали работы В.В. Докучаева о почве как о естественно-историческом теле. Основы учения о биосфе­ре, изложенные В.И. Вернадским в 1926 г. в книге «Биосфе­ра», впоследствии стали идеологией и научной основой учения об окружающей среде – «экологии».

Таблица 3.4. Структура гидросферы и мировые запасы воды в её различных звеньях (Атлас океанов, 1980)

Части гидросферы Объём воды в млн. км3 в % от общего объёма Мировой океан 1340,74 96,49 Воды на поверхности суши Ледники и постоянный снежный покров 24,84 1,74 Озера и болота 0,19 0,0137 Речные воды 0,002 0,0001 Почвенная влага 0,02 0,001 Подземные воды (гравитационные и капиллярные) 23,4 1,68 Подземные льды зоны «вечной мерзлоты» 0,3 0,022 Биологическая вода 0,001 0,0001 Вся гидросфера 1389,53 100

Биосфера имеет строго определенные гра­ницы. Эти границы определяются физическими и химическими условиями существования жизни. В то же время геометрические границы биосферы достаточно условны. Обычно считают, что верхняя граница биосферы находится на высоте 22-24 км от поверх­ности Земли, где образуется озоновый экран, который служит своеобразным экраном, защищающим все живое от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации. Нижняя граница распространения жизни очень изрезана. На материках она проникает в земную кору до глубин в среднем 2-4-х километров, в океанах – на 0,5-1 км ниже их дна (рис.3.4).

Как показывают последние исследования со спутников и геофизических ракет, озоновому слою принадлежит особая роль в сохранении биосферы как планетарной целостности. Выход отдельных организмов и даже человека за эти пределы не расширяет границы биосферы, поскольку отдельные организмы не могут выполнять функции активной деятельности.

Биосфера оказывает самое существенное влияние на развитие земной коры на протяжении всей ее геологической истории, на развитие жизни, эволюцию всего органического мира, приведшего, в конечном счете, к появлению человека. Но чтобы понять это необходимо посмотреть на биосферу не как на геометрическую оболочку планеты, а как на сложную биокосную систему со своей организованностью, законами взаимодействия с другими оболочками планеты и даже с космосом (Рис. 3.4).

В пределах каждой сферы существует еще более тонкие структурированные уровни организации материи.

Масса внешних оболочек Земли составляет меньше 0,001% массы планеты, однако их значение в геологической истории Земли чрезвычайно велико. Атмосфера, гидросфера и биосфера обладают высокой подвижностью, поэтому они являются мощными геологическими факторами развития земной поверх­ности и преобразования горных пород. Благодаря их работе создаются озерные, речные, элювиальные, делювиальные, ледниковые, пролювиальные, эоловые, торфяные и другие отложения, слагающие верхнюю часть земной коры.

Масса внешних оболочек Земли составляет значительно меньше 0,001% массы планеты, однако их значение в геологической истории Земли чрезвычайно велико. Атмосфера, гидросфера и биосфера обладают высокой подвижностью, поэтому они являются мощными геологическими факторами развития земной поверх­ности и преобразования горных пород. Благодаря их работе создаются озерные, речные, элювиальные, делювиальные, ледниковые, пролювиальные, эоловые, торфяные и другие отложения, слагающие верхнюю часть земной коры.

3.3. Внутренние оболочки Земли

Представления о внутренней неоднородности строения Земли и о её концентрически-зональном строении основаны на результатах комплексных геофизических исследований. Прямые свидетельства глубинного строения земных недр относятся к небольшим глубинам. Они получены в процессе изучения естественных разрезов (обнажений) горных пород, разрезов карьеров, шахт и буровых скважин. Самая глубокая в мире скважина на Кольском полуострове углубилась в недра на 12 километров. Это составляет всего лишь 0,2% радиуса Земли (радиус Земли около 6 тыс. км.) (рис. 3.5.). Продукты вулканических извержений дают возможность судить о температурах и составе вещества на глубинах 50-100 км.

Рис. 3.5. Внутренние оболочки земли

Сейсмические волны. Главным методом исследования недр является сейсмический метод. Он основан на измерении скорости прохождения механических колебаний разных типов через вещество Земли. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии и возникновением механических колебаний, которые распространяются в виде сейсмических волн во все стороны от места возникновения. Скорость распространения сейсмических волн весьма велика и в плотных телах, например в камне (в горных породах) достигает нескольких километров в секунду. Различают две группы сейсмических волн – объемные и поверхностные (рис. 3.6. и 3.7.). Слагающие Землю горные породы упруги и поэтому могут деформироваться и испытывать колебания при резком приложении давления (нагрузок). Внутри объема горных пород распространяются объемные волны. Они делятся на два типа: продольные (Р) и поперечные (S). Продольные волны в теле Земли (как и в любых других физических телах) возникают как реакция на изменение объёма. Подобно звуковым волнам в воздухе, они попеременно сжимают и растягивают вещество горных пород в направлении своего движения. Волны другого типа – поперечные возникают как реакция на изменение формы тела. Они колеблют среду, через которую они проходят, поперек пути своего движения.

На границе двух сред с разными физическими свойствами сейсмические волны испытывают преломление или отражение(P,S, PcP, PkP и т.д.). Геофизические исследования были дополнены термодинамическими расчетами и результатами физического моделирования и данными изучения метеоритов.

Полученные данные свидетельствуют о наличии в недрах Земли многочисленных субгоризонтальных границ раздела. На этих границах происходит изменение скоростей и направлений распространения физических волн (сейсмических, электромагнитных и др.) при их распространении вглубь планеты.

Рис. 3.6. Распространение сейсмических волн (О – очаг землетрясения).

Эти границы отделяют друг от друга отдельные оболочки – «геосферы», которые отличается друг от друга по химическому составу и по агрегатному состоянию вещества в них. Эти границы, отнюдь, не представляют собой привычные геометрически правильные бесконечно тонкие плоскости. Любая из этих границ – это некий объём недр, сравнительно небольшой по сравнению с объёмом разделяемых геосфер. В пределах каждого такого объёма происходит быстрая, но постепенная смена химического состава и агрегатного состояния вещества.

Недра Земли. По существующим представлениям земной шар разделен на ряд концентрических оболочек (геосфер), как бы вложенных друг в друга (рис.3.7., табл. 3.5.). «Внешние» оболочки и «внутренние» оболочки (иногда последние называют просто «недрами») отделены друг от друга поверхностью земли. Внутренние оболочки представлены, соответственно ядром, мантией и земной корой. Каждая из этих геосфер, в свою очередь имеет сложное строение. В модели Гутенберга—Буллена использована индексация гео­сфер, популярная и в настоящее время. Авторы выделяют: земную кору (слой А) — граниты, метаморфические породы, габбро; верх­нюю мантию (слой В); переходную зону (слой С); нижнюю мантию (слой D), состоящую из кислорода, кремнезема, магния и железа. На глубине 2900 км проводят границу между мантией и ядром. Ниже находится внешнее ядро (слой Е), а с глубины 5120 м — внутреннее ядро (слой G), сложенное железом:

—земная кора – тонкая внешняя каменная оболочка Земли. Она распространена от поверхности Земли вглубь до 35-75 км, слой A: Ср. толщина 6-7 км – под океанами; 35-49 км – под равнинными платформенными территориями континентов; 50-75 км – под молодыми горными сооружениями. Это самая верхняя из внутренних оболочек Земли.

— мантия — промежуточную оболочку (35-75 км. до 2900 км) (слои В, С, D) (греч. “мантион” — покрывало): слои B (75-400 км) и C (400-1000 км) соответствуют верхней мантии; переходный слой D (1000-2900 км) — нижней мантии.

-ядро – (2900 км. – 6371 км.) слои E, F, G где: Е (2900-4980 км) – внешнее ядро; F (4980-5120 км) – переходная оболочка; G (5120-6371 км) – внутреннее ядро.

Ядро Земли. Ядро составляет 16,2% ее объёма и 1/3 массы. Оно, видимо, сжато у полюсов на 10 км. На границе мантии и ядра (2900 км) происходит скачкообразное понижение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с. Поперечные волны ниже этой границы раздела не проникают. Ядро не пропускает их сквозь себя. Это дало повод сделать вывод, что во внешней части ядра вещество находится в жидком (расплавленном) состоянии. Ниже границы мантии и ядра скорость продольных волн вновь нарастает — до 10,4 км/с. На границе внешнего и внутреннего ядра (5120 км) скорость продольных волн достигает 11,1 км/с. А потом до центра Земли почти не изменяется. На этом основании предполагается, что с глубины 5080 км вещество ядра вновь приобретает свойства очень плотного тела, и выделяется твердое внутреннее «ядрышко» с радиусом 1290 км. По мнению одних ученых, земное ядро состоит из никелистого железа. Другие утверждают, что железо, кроме никеля содержит примесь легких элементов — кремния, кислорода, возможно, серы и др. В любом случае железо как хороший проводник электричества может служить источником динамо-эфекта и образования магнитного поля Земли.

Действительно, с точки зрения физики, Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным.

Японские ученые доказывают, что ядро Земли постепенно увеличивается за счет дифференциации вещества мантии[12]. составляет 82,3% объема Земли. О ее строении и вещественном составе могут быть высказаны лишь гипотетические предположения. Они основаны на сейсмологических данных и материалах экспериментального моделирования физико-химических процессов, происходящих в недрах при высоких давлениях и температурах. Скорость продольных сейсмических волн в мантии нарастает до13,6 км/с, поперечных – до 7,2-7,3 км/с.

Мантия Земли (верхняя и нижняя). Ниже раздела Мохоровичича между земной корой и ядром Земли находится мантия (до глубины около 2900 км). Это самая массивная из оболочек Земли – она составляет 83% объёма Земли и около 67% её массы. В мантии Земли по строению, составу и свойствам выделяют три слоя: слой Гуттенберга – В до глубины 200–400 км, слой Галицина – С до 700—900 км и слой D до 2900 км. В первом приближении слои В и С обычно объединяют в верхнюю мантию, а слой D рассматривают в качестве нижней мантии. В целом в пределах мантии плотность вещества и скорость сейсмических волн быстро возрастают.

Верхняя мантия. Считается, что верхняя мантия сложена магматическими горными породами, сильно обедненными кремнеземом, но обогащенными железом и магнием (так называемыми ультраосновными породами), главным образом перидотитом. Перидотит на 80% состоит из минерала оливина (Mg,Fe)2 [SiО4] и на 20% из пироксена (Mg,Fe)2[Si2O6].

Таблица 3.5. Распространенность горных пород в земной коре

(по А.Б. Ронову, А.А.Ярошевскому, 1976. и по В.В. Добровольскому, 2001)

Земная кора отличается от нижележащих оболочек своим строе­нием и химическим составом. Подошва земной коры очерчивается сейсмической границей Мохоровичича, на которой скорости рас­пространения сейсмических волн резко возрастают и достигают 8 — 8,2 км/с.

Земная поверхность и примерно 25-километровая часть земной коры формируются под воздействием:

1)эндогенных процессов (текто­нические или механические и магматические процессы), благода­ря которым создается рельеф земной поверхности и формируются толщи магматических и метаморфических горных пород;

2) экзо­генных процессов, вызывающих денудацию (разрушение) и вы­равнивание рельефа, выветривание и перенос обломков горных пород и переотложение их в пониженных частях рельефа. В резуль­тате протекания весьма разнообразных экзогенных процессов фор­мируются осадочные горные породы, составляющие самый верх­ний слой земной коры.

Выделяют два основных типа земной коры: континентальный (гранито-гнейсовый) и океанский (базаль­товый) с прерывистым осадочным слоем. Переход от коры континентального типа к коре оке­анического типа представлен на рис. 3.8.

В континентальной коре выделяют три слоя: верхний — осадоч­ный и два нижних, сложенных кристаллическими породами. Мощ­ность верхнего осадочного слоя меняется в широких пределах: от практически полного отсутствия на древних щитах до 10 — 15 км на шель­фах пассивных окраин континентов и в краевых прогибах плат­форм. Средняя мощность осадков на стабильных платформах со­ставляет около 3 км.

Под осадочным слоем находятся толщи с преобладанием в них магматических и метаморфических горных пород гранитоидного ряда, относительно богатых кремнеземом. Местами в областях расположения древ­них щитов они выходят на земную поверхность (Канадский, Бал­тийский, Алданский, Бразильский, Африканский и др.). Породы «гранитного» слоя обычно преобразованы процессами региональ­ного метаморфизма и имеют очень древний возраст (80% континентальной земной коры древнее 2,5 млрд. лет).

Под «гранитным» слоем располагается «базальтовый» слой. Вещественный состав его не изучен, но судя по данным геофизических исследований, предполагается, что он близок с породами океанской коры.

Как континенталь­ная, так и океанская кора подстилаются породами верхней ман­тии, от которой они отделяются границей Мохоровичича (граница Мохо).

В целом Земная кора состоит преимущественно из силикатов и алюмосиликатов. В ней пре­обладают кислород (43,13 %), кремний (26 %) и алюминий (7,45 %), главным образом представленные в форме оксидов, силикатов и алюмосиликатов. Средний химический состав земной коры приве­ден в табл. 3.6.

В земной коре континентального типа отмечается сравнительно высокое содержание долгоживущих радиоактивных изотопов урана 238 U, тория 232 Th и калия 40 K. Их наибольшая концентрация характерна для «гранитного» слоя.

Океаническая кора отличается от континентальной по химическому составу и строению, но так же имеет трехслойное строение

Самый верхний слой — осадочный — представлен песчано-глинистыми и карбонатны­ми осадками, отложившимися на небольших глубинах. На больших глубинах отла­гаются кремнистые илы и глубоководные красные глины.

Средняя мощность океанских осадков не превышает 500 м и только у под­ножия материковых склонов, особенно в районах крупных речных дельт, она возрастает до 12 —15 км. Вызвано это своеобразной бы­стротечной «лавинной» седиментацией, когда практически весь терригенный материал, выносимый речными системами с конти­нента, отлагается в прибрежных частях океанов, на материковом склоне и у его подножия.

Второй слой океанской коры в верхней части слагается поду­шечными лавами базальтов. Ниже располагаются долеритовые дайки того же состава. Общая мощность второго слоя океанской коры составляет 1,5 км и редко достигает 2 км. Под дайковым комплек­сом располагаются габбро и серпентениты, представляющие собой верхнюю часть третьего слоя. Мощность габбро-серпентинитового слоя достигает 5 км. Таким образом, общая мощность океанской коры без осадочного чехла составляет 6,5 — 7 км. Под осевой частью срединно-океанских хребтов мощность океанской коры сокращается до 3—4, а иногда и до 2 — 2,5 км.

Под гребнями срединно-океанских хребтов океанская кора залегает над очагами базальтовых расплавов, выделившихся из вещества астеносферы. Средняя плотность океанской коры без осадочного слоя составляет 2,9 г/см 3 . Исходя из этого общая масса океанской коры составляет 6,4 • 10 24 г. Океанская кора формируется в рифтовых областях срединно-океанских хребтов за счет поступления базальтовых расплавов из астеносферного слоя Земли и излияния толеитовых базальтов на океанское дно.

Содержание радиоактивных элементов в ней ничтожно мало. Океанская кора по своему составу примитивна и фактически представляет верхний слой дифференцированной мантии, сверху перекрытый тонким слоем пелагических осадков.

Литосфера. Залегающую выше астеносферы твердую плотную оболочку (включая земную кору) называют литосферой (греч. «литос» — камень). Характерным признаком литосферы является её жесткость и хрупкость. Именно хрупкостью объясняется наблюдаемое блочное строение литосферы. Она разбита крупными трещинами – глубинными разломами на крупные блоки — литосферные плиты.

Благодаря глобальной системе механических напряжений, чьё возникновение связано с вращением Земли, литосфера расколота на фрагменты – блоки разломами субмеридиального, субширотного и диагонального направлений. Эти разломы обеспечивают относительную независимость движения блоков литосферы относительно друг друга, чем и объясняется разница в строении и геологической истории отдельных литосферных блоков и их ассоциаций. Разделяющие блоки разломы, являются ослабленными зонами, по которым поднимаются магматические расплавы и потоки паров и газов.

В отличие от литосферы вещество астеносферы не обладает пределом прочности и может деформироваться (течь) при действии даже очень небольших нагрузок.

Химический состав земной коры. Распространенность элементов в земной коре характеризуются большим контрастом, достигающим 10 10 .Самые распространенные химические элементы (рис. 3.10) на всей Земле это:

— кислород (О2) – составляет 47 масс % земной коры. Он входи в состав около 2 тысяч минералов;

— кремний (Si) – составляет 29,5% и входит в более чем тысячу минералов;

— железо (Fe), кальций (Са), калий (К), натрий (Na), титан (Ti), магний (Mg) – составляют первые % массы земной коры;

На долю остальных элементов приходится около 1%.

А.Е. Ферсман предложил выражать числа кларка не в весовых, а в атомных процентах, что лучше отражает соотношения количеств атомов, а не их масс и сформулировал три основные закономерности:

1. Распространенность элементов в земной коре характеризуются большим контрастом, достигающим 10 10 .

2. Всего девять элементов O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, являются главными строителями литосферы, составляя 99,18% ее веса. Из них на первые три приходится 84,55%. На долю остальных 83 приходится менее 1% (рис.3.9.).

3. Ведущий элемент – кислород. Его массовый кларк оценивается в интервале 44,6 – 49%, атомный – 53,3 (по А.Е. Ферсману), а объемный (по В.М. Гольдщмидту) – 92%.

Таким образом, земная кора и по объему и по массе состоит главным образом из кислорода.

Если средние содержания элементов в коре в первом приближении можно считать неизменными на протяжении всей ее истории, то в отдельных ее участках идут периодические изменения. Хотя земная кора не является закрытой системой, ее обмен массами вещества с космосом и более глубокими зонами планеты пока не могут быть учтены количественно, выходят за пределы точности наших измерений и явно не повлияют на числа кларков.

Кларк. В 1889 г. американский геохимик Фрэнк Кларк впервые определил средние содержания химических элементов в земной коре. В честь него русский академик А.Е.Ферсман предложил называть «кларками» — средние содержания химических элементов в какой-либо природной системе — в земной коре, в горной породе, в минерале[13]. Чем выше природный кларк химического элемента, тем больше минералов, в состав которых входит этот элемент. Так, кислород встречается почти в половине всех известных минералов. Любая территория, которая содержит более кларка данного вещества, является потенциально интересной, так как там могут иметься промышленные запасы данного вещества. Такие участки исследуются геологами с целью выявления месторождений полезных ископаемых.

Некоторые химические элементы (например, радиоактивные) со временем изменяются. Так, уран и торий, распадаясь, превращаются в устойчивые элементы — свинец и гелий. Это дает основание предполагать, что в минувшие геологические эпохи кларки урана и тория были, очевидно, значительно выше, а кларки свинца — ниже, чем сейчас. По-видимому, это относится и ко всем другим элементам, подверженным радиоактивным превращениям. Изотопный состав некоторых химических элементов со временем меняется (например, изотоп урана 238 U). Предполагают, что два млрд. лет назад атомов изотопа 235 U на Земле было почти в шесть раз больше, чем сейчас.

3.4. Минералы

Минералы (лат. «минера«- руда) — это однородные по составу, внутренней структуре и свойствам природные химические соединения, которые образуются в недрах земли в результате естественных физико-химических реакций и обладают определенным химическими составом и комплексом физических свойств.

В настоящее время идентифицировано около 4 000 минеральных видов. Половина из них открыта за последние полвека с помощью современных ультрамикроскопических методов и не имеют широкого распространения. Более того, 96% относительной распространенности минералов приходится всего на 5 минеральных групп: полевые шпаты; силикаты Fe, Mg, Ca; кварц; окислы железа и слюды (табл. 3.7.). Из них больше половины приходится всего на одну группу – полевых шпатов. Такое соотношение связано с тем, что элементы, слагающие эти минералы, составляют основную массу земной коры – 98,5%. На все остальные минералы остается всего 4% от общей минеральной массы земной коры. Земная кора — это область, где идут геохимические процессы, постоянное перераспределение вещества.

В практическом отношении наибольший интерес представляют далеко не те минералы, которые имеют максимальное распространение. Новые технологии требуют все больше цветных металлов, редких, рассеянных и радиоактивных элементов. В связи с развитием техносферы миграционные циклы отдельных элементов в поверхностных частях земной коры все более ускоряются. Они же часто создают наибольшее экологическое давление на среду обитания человека.

Таблица 3.7. Относительная распространенность различных групп минералов и основных химических элементов, их составляющих.

% O Si Al Fe Ca Na K Mg Полевые шпаты 58 + + + + + + Силикаты Fe, Mg, Ca 16 + + + + + Кварц 15 + + Окислы Fe 4 + + Слюды 3 + + + + + + + +

Основные диагностические (отличительные) признаки минералов. По физическому состоянию минералы делятся на 3 группы:

1. аморфные (не имеющие упорядоченной кристаллической структуры – это, преимущественно, природные смолы и стекла),

2. жидкие (например, самородная ртуть, вода),

3. твердые (кристаллические).

Физические свойства минералов определяются их химическим составом и внутренним строением. Каждый минерал обладает определенным набором характеристик (признаков). Основные признаки минералов: внешний вид (форма выделения), цвет, цвет минерала в порошке (цвет черты или цвет следа), блеск, внутренние рефлексы, удельный вес (плотность), спайность, излом, твердость, особые свойства (такие как: теплопроводность, электропроводность, радиоактивность, а также оптические, люминесцентные, магнитные и др. свойства). Каждый минерал рассматривают в комплексе этих характеристик.

Внешний вид (форма выделения). Минералы встречаются в виде кристаллов, кристаллических двойников, сростков, зернистых сплошных, масс землистых, скоплений, налетов, натеков, жидкостей и т.д. Минимальный объём минерала, отражающий его характерные физико-химические особенности, называется «элементарной ячейкой«.

Кристаллы — (греч. «кристаллос» — лёд) имеют форму замкнутых многогранников. Кристаллы обладают симметрией, определяемой их кристаллической решеткой. Атомы и ионы в кристаллической решетке располагаются в постоянных точках (узлах) — в строго определенном для каждого минерала порядке. Углы между гранями кристалла также всегда постоянны. Основными элементами симметрии кристаллической решетки являются оси, плоскости симметрии и центр симметрии.

Сочетание элементов симметрии в каждом из типов кристаллов закономерны. Изучение их взаимоотношений позволило установить 32 класса симметрии кристаллов, которые могут быть объединены в более крупные единицы – «сингонии».

Сингония (симметрия) (греч. «син» — вместе, «гониа» — угол). Каждый кристалл ограничен гранями одной или нескольких простых форм. Среди них по степени симметрии выделяют семь сингоний.

Высшая сингония — кубическая. В ней ребра кристаллов расположены под прямыми углами по трем осям координат и равны между собой.

Средняя сингония — это тетрагональная (ребра по двум осям равны, все углы прямые), гексагональная (ребра по двум осям равны, два угла прямые, один равен 120°) и тригональная (все ребра равны, углы не равны 90°) сингонии.

К низшим сингониям относятся ромбичеческая, моноклинная, триклинная. Они характеризуются неравенством ребер, прямыми (ромбическая) или не равными 90° углами.

Подсчитано, что около 38% минералов кристаллизуется в триклинной и моноклинной, 23% — в ромбической, 10% — в тригональной, 7,5% — в гексагональной, 9,5% — в тетрагональной, 12% — в кубической сингониях.

Форма кристалла. Различают кристаллы:

— вытянутые в одном направлении (призматические, столбчатые, игольчатые, волокнистые);

— вытянутые в двух направлениях (таблитчатые, пластинчатые, листоватые, чешуйчатые);

— одинаково развитые по трем измерениям — изометричные (куб, октаэдр и др.).

Спайность — это свойство минералов раскалываться по ровным плоскостям в определенных кристаллографических направлениях. Оно обусловлено строением кристаллической решетки минералов. Число плоскостей спайности зависит от симметрии (сингонии) кристалла. Так, у сфалерита (кубическая сингония) имеется шесть разно-ориентированных плоскостей спайности.

Число спайных направлений и качество спайности являются очень характерным диагностическим признаком минералов.

Цвет минералов зависит от:

1. структурных особенностей минерала,

2. присутствия в них красящих элементов (хромофоров),

3. механических примесей.

Цвет очень обманчивый признак, так как может меняться в одном и том же минерале (например, флюорит или гранат — красный, зеленый, желтый, черный). Некоторые такие минералы имеют несколько названий в зависимости от своей окраски, например кварц. Чистый бездефектный кварц бесцветен – это горный хрусталь, но некоторые разновидности его окрашены в фиолетовый (аметист), золотистый (цитрин), дымчатый (раухтопаз) и черный (морион) цвета. Такая окраска зависит от посторонних примесей и наличия дефектов кристаллической структуры. С другой стороны есть минералы и с постоянной окраской, например, лазурит имеет всегда чернильно-синий цвет; малахит – зеленый, самородная сера – канареечно желтая. Иногда один и тот же кристалл в разных своих частях может иметь разную окраску. Например, если разрезать длинный кристалл турмалина вдоль оси, то он окажется послойно окрашенным в самые разнообразные цвета: розовые, зеленые, голубые, бурые, черные.

Цвет в порошке («цвет черты», «цвет следа») – цвет следа, остающегося на матовой шероховатой поверхности фарфоровой пластинки, оцарапанной каким-нибудь минералом. Это более устойчивый признак. Обычно цвет черты совпадает с цветом самого минерала. Но иногда между ними наблюдается резкое отличие. Например, темно-серый гематит имеет кроваво-красную черту, а соломенно-желтый пирит — черную.

Блеск – способность отражать свет. Он зависит от закономерностей строения кристаллической решетки минерала, характера химических связей (металлическая, ковалентная или ионная) и формы выделения минерала.

Плотность (удельный вес) – масса единичного объема вещества (г/см³). По плотности минералы подразделяются на 4 группы: легкие (до 2500 кг/м3), средние (2500-4000 кг/м3), тяжелые (4000-8000 кг/м3) и весьма тяжелые (более 8000 кг/м3) (табл. 3.8.).

№ Удельный вес (плотность) Характеристика Встречаются в земной коре Пример 1 Легкие до 2500 кг/м³. редко морская вода, янтарь, сера 2 Средние от 2500 до 4000 кг/м³. часто земная кора 3 тяжелые от 4000 до 8000 кг/м³. редко галенит (свинцовая руда) 4 весьма тяжелые более 8000 кг/м³. очень редко самородная ртуть.

Табл. 3.8. Шкала плотности

Обычно плотность определяют приблизительно (№1-№3) по весу куска минерала. Средняя плотность всей Земли (с ядром) по расчетам примерно равна 5500 кг/м³. Земная кора (поверхность Земли вглубь до 35 км) имеет среднюю плотность 2500 кг/м³.

Твердость («Шкала Мооса») – способность минералов сопротивляться внешнему воздействию (например, нанесению на них царапин). Твердость минералов обусловлена прочностью их кристаллической решетки, но твердость минерала не является синонимом его прочности (например, алмаз твердый, но он одновременно и хрупкий). Для составления шкалы твердости («Шкалы Мооса», Ф.Моос, 1811 г.) были взяты 10 наиболее известных минералов (минерал—тестов). Для них определили их относительную твердость (по десятибальной шкале) путем царапания более твердым минералом более мягкого (табл. 3.9.).