Лекции по "Геологии"

Модуль 1

Общие сведения о Земле: происхождение, строение, состав, экзогенные геологические процессы.

Лекция 1.

 Цели и задачи курса,  его связь с другими дисциплинами и отраслями геологических знаний. Методы исследования в геологии и роль геологических знание в развитии материалистического мировоззрения. Геология и развитие минерально-сырьевой базы страны.

Геология – наука о Земле. Она изучает состав, строение и историю развития Земли. Геология  (гр. Гео-Земля, логос - наука) - наука о Земле. Объект геологии – Земля. Геология изучает состав, строение и историю развития Земли. Состав изучают: минералогия - наука о минералах, петрография - наука о горных породах, геохимия - наука о распределении химических элементов в земной коре, гидрогеология - наука о подземных водах, наука о поисках месторождений полезных ископаемых;  строение Земли изучают – геофизика – комплекс наук, исследующих физическими методами строение Земли, ее физические свойства и процессы, происходящие в ее оболочках. Соответственно в геофизике выделяют физику т. н. твердой Земли (сейсмология, геомагнетизм, гравиметрия, разведочная геофизика и др.), гидрофизику и физику атмосферы. Геофизические исследования используются в прогнозе погоды, а также при освоении энергетических и сырьевых ресурсов Земли; структурная геология - раздел тектоники, изучающий формы залегания и деформации геологических тел, закономерности их размещения и сочетания в земной коре; геотектоника - отрасль геологии, изучающая развитие структуры земной коры и ее изменения под влиянием тектонических движений и деформаций, связанных с развитием Земли в целом; геоморфология - наука о рельефе суши, дна океанов и морей. Изучает внешний облик, происхождение, возраст рельефа, историю развития, современную динамику и закономерности распространения. Данные геоморфологии используются при поисках месторождений полезных ископаемых, проектировании дорог и сооружений. Геология тесно связана с физикой, химией, географией, астрономией, биологией. Она использует их законы и открытия. Практическое значение геологии – поиски и разведка месторождений полезных ископаемых.

История развития знаний о Земле подразделяется на три  этапа: Древний мир (Фалес; Анаксимандр Милетский, Гераклит, Эмпедокл, Геродот, Аристотель, Эратосфен Киренский, Гиппарх из Никеи, Плиний Старший, Клавдий Птолемей и др.); Средние века (Авиценна, Бируни, Туси (Насирэддин), Марко Поло, Леонарджо да Винчи и др.); Конец XV в. (Магеллан Фернандо, Агрикола (Георг Бауэр), Меркатор, Ермак Тимофеевич, Виллем Баренц); Новое время (середина XVII в. – XX в.): (Н. Стено, М.В.Ломоносов, Демаре, Геттон, А.Вернер, В.М.Севергин, В.Смит, Ж.Кювье, Е.П.Ковалевский, Ч.Дарвин, А.Вегенер, И.М. Губкин, А.Д. Архангельский, Е.Д. Обручев В.А., В.И.Вернадский, И.Д.Черский, А.П.Карпинский,Э.Зюсс, А.Грессли, Ч.Лайэль,А.Е.Ферсман и др.).

Лекция 2.

 Земля - планета Солнечной  системы. Наша Галактика я положение  в ней Солнечной системы. Основные  сведения о планетах Солнечной  системы и др. космических телах.  Гипотезы происхождения Земли и планет.

Вселенная – (гр. космос) – пространство, простирающееся за пределами земной атмосферы, со всеми присутсвующими в нем объектами. К которым относятся: космическая пыль, газ, звезды, планеты, астероиды, метеориты. С Земли мы наблюдаем лишь малую часть Вселенной – Метагалактику, состоящую из галактик. Галактика звездная система, которая состоит из звезд, газовых и пылевых туманностей и звездного рассеянного вещества. Наша Солнечная система расположена в Галактике Млечный Путь. Она состоит из звезды – Солнца, 9 планет с их спутниками, пояса астероидов, который разделяет планеты на две группы: планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты внешней группы – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Планеты внутренней группы характеризуются малыми размерами и большой плотностью, планеты внешней группы характеризуются большими размерами и малой плотностью. Солнце – огромный шар пылающей плазмы, в котором идут термоядерные реакции. Планеты вращаются вокруг Солнца и вокруг своей оси  по своим орбитам. Планеты делятся на две группы: планеты внутренней группы, внешней группы. Планеты первой группы расположены ближе к Солнцу. Они имеют малую массу, большую плотность от 4 до 5,7 г/см³, планеты внешней группы отделяются от малых планет поясом астероидов. Они имеют большие размеры, низкую плотность от 0,6 до 2,1 г/см³.  Астероиды – малые планеты, обращающиеся вокруг Солнца в основном между орбитами Марса и Юпитера.

Происхождение Вселенной.

Космогонические гипотезы

Гипотеза Канта  – Лапласа. Кант в 1755 разработал космогоническую гипотезу происхождения солнечной системы из первоначальной туманности. Гипотеза Канта: Вселенная состояла из первобытного хаоса, частицы которого были твердыми и неподвижными. На основе Закона  всемирного тяготения, хаос приобрел движение. Мелкие частицы соединились в небесные тела: Солнце, планеты и их спутники. Солнечная система – раскаленная и постепенно остывающая масса. Гипотеза Лапласа (1795г.): Солнечная система возникла из огромной туманности, состоящей не из твердых частиц, а из раскаленного космического газа. Туманность обладала движением. Сжатие привело к увеличению скорости и отделению колец, которые в дальнейшем образовали сгустки планет.

Достоинство гипотезы Канта-Лапласа: 1) Объяснение дисковидной формы Солнечной системы; 2) Однонаправленность движения тел.

Критика: Не соответствует закону сохранения момента количества движения, т.е. Солнечная система должна распадаться.

 Гипотеза Джинса – В результате прохождения вблизи Солнца другой звезды, из Солнца  была вырвана длинная сигарообразная струя магмы. Она послужила материалом для образования планет.

Достоинство: Объясняется вращение планет вокруг Солнца в одну сторону.

Критика: Маловероятно прохождение звезд друг относительно друга на близком расстоянии.

Современная гипотеза  происхождения Вселенной.

 Установлено, что Вселенная   сформировалась 10-18 млрд. лет назад. Вселенная в 2 раза старше Солнца. Возможная причина образования Вселенной – гигантский взрыв вещества и образование облачных скоплений водорода (H) и гелия (He). Дальнейшее сжатие скоплений привело к повышении. Температуры во внутренних частях «облаков» до миллионов градусов, т.е. к образованию звезд. В течение 18 млрд. лет происходил распад и образование звезд.

Примерно 4,6 млрд. лет  назад в одной из галактик Вселенной, удаленной от других галактик на десятки миллионов световых лет – в Галактике Млечного образовалась Солнечная система.

Лекция 3

Физико-химическая характеристика Земли. Геосферы: внешние и внутренние. Форма и размеры Земли, особенности  её поверхности.

Геофизические методы изучения внутреннего строения Земли. Масса и плотность Земли. Глубинное строение Земли. Вертикальная и латеральная неоднородность планеты. Представления об агрегатном состоянии масс внутри Земли и предполагаемый химический состав геосфер.

Принято считать,  что Земля имеет форму   геоида.  Радиус полярный  – 6356 м, радиус экваториальный – 6378 км, Масса Земли 5 976 млрд. т

Объем Земли                               1 083 230 000 000 км³

Площадь поверхности Земли             510 000 000 км²

Площадь суши                                      149 000 000 км²

Поверхность Мирового океана          361 000 000 км²

 Общие закономерности строения  земной поверхности отражает   гипсографическая кривая. Средняя высота материков составляет 875  м, а средняя  глубина океана - около 3800 м. В строении океанического дна выделяют шельф, континентальный склон, ложе Мирового океана, осложненное   глубоководными  впадинами (желобами) и срединно-океаническими хребтами.

Внешние геосферы. Земля окружена атмосферой. Нижний ее слой (тропосфера) простирается в среднем до высоты в 14 км; происходящие здесь процессы играют определяющую роль для формирования погоды на планете. Температура в тропосфере падает с увеличением высоты. Слой от 14 до 50-55 км называют стратосферой; здесь температура возрастает с увеличением высоты. Еще выше (примерно до 80-85 км) находится мезосфера, над которой наблюдаются (обычно на высоте около 85 км) серебристые облака. Для биологических процессов на Земле огромное значение имеет озоносфера — слой озона, находящийся на высоте от 12 до 50 км. Область выше 50-80 км называют ионосферой. Атомы и молекулы в этом слое интенсивно ионизируются под действием солнечной радиации, в частности, ультрафиолетового излучения. Наконец, на расстояниях более 1000 км газ настолько разрежен, что столкновения между молекулами перестают играть существенную роль, а атомы ионизированы более чем наполовину. На высоте порядка 1,6 и 3,7 радиусов Земли находятся первый и второй радиационные пояса. Гидросфера – водная оболочка земли, куда   входят все поверхностные и подземные воды, ледники. Биосфера – сфера органической жизни. Верхняя граница ограничена  озоновым экраном, а нижняя  граница по представлениям В.И.Вернадского должна лежать выше областей, где господствуют горячие пары воды и температура не опускается ниже 100⁰С, в среднем на уровне 3-4 км от уровня геоида. Т.е. положение этой границы определяется предельной (достаточно высокой) температурой, при которой могут существовать простейшие организмы.

Внутренние геосферы

  Основную роль в исследовании внутреннего строения Земли играют сейсмические методы, основанные на исследовании распространения в ее толще упругих волн, возникающих при сейсмических событиях — при естественных землетрясениях и в результате взрывов. К внутренним геосферам относятся:  литосфера, мантия, ядро, ограничивающиеся  разделами  I  и II порядка. Литосфера  - верхняя каменная оболочка  Земли, включающая земную кору и верхнюю мантию до кровли астеносферы Верхняя часть литосферы -  земная кора, она имеет неоднородное строение по горизонтали и вертикали. По вертикали в ней выделяются  осадочный, гранитный и базальтовый слои.  По горизонтали выделяют  следующие типы земной коры:   континентальный, океанический, субокеанический.  Литосфера  разбита на плиты, которые перемещаются по  астеносфере   с различной скоростью. Астеносфера, или сейсмический волновод -слой пониженной твердости, прочности и вязкости в верхней части мантии Земли на глубине около 50 км под океанами  и около 100 км под материками,  с нижней границей на глубинах примерно 250 - 300 км, в пределах которого лежат очаги  питания вулканов и осуществляется перемещение подкоровых масс,  являющееся причиной  тектонических  процессов. Мантия - оболочка Земли,  располагается между земной корой и ядром. Состоит  из двух слоев:  верхней мантии (до глубины 900 км) - она участвует в  горообразовательных  процессах; и нижней мантии (до глубины 2900 м). Ядро  - область внутри   Земли,   начиная   с   глубины   2900 км. Выделяют внешнее ядро (до глубины примерно  5000  км),  и внутреннее ядро Земли, которое располагается, начиная с глубины 5000 км до центра Земли. Между земными сферами существуют границы (разделы), характеризующиеся различием в прохождении сейсмических волн. Определены эти разделы сейсмическими приборами. Разделы первого порядка  - определяются резким  скачком в скоростях распространения сейсмических  волн  и фиксируют границы между главными оболочками Земли -  корой и мантией (раздел Мохоровичича),  мантией и ядром (раздел Вихерта-Гутенберга). Разделы второго порядка  - отмечают внутренние неоднородности в пределах Земной коры, мантии и ядра. Здесь изменяется скорость нарастания сейсмических скоростей с глубиной.

Геофизические поля Земли.

 Гравитационное поле  Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Оно отражает характер распределения масс недрах планеты и тесно связано с фигурой Земли. Гравитационное поле может быть представлено как сумма нормального (планетарного) поля, обусловленного массой, формой и скоростью вращения Земли и аномального поля. Аномалии силы тяжести являются следствием различий в строении реальной и идеальной Земли. Для каждой точки земной поверхности характерна своя сила тяжести, в центре Земли сила тяжести равна нулю. Особенностью гравитационного поля Земли является его сравнительное постоянство на определенных интервалах времени. При различных геотектонических процессах, приводящих к перемещению масс и частичной перестройке структуры Земли, происходят изменения и в гравитационном поле.

Тепловое поле. Тепловое поле Земли образуется за счет внешних и внутренних источников. Источником внешней энергии является солнечное излучение. Источниками внутреннего тепла является радиоактивный распад элементов, энергия гравитационной дифференциации вещества; остаточное тепло, сохранившееся со времени формирования планеты. По термпературным условиям Земную кору делят на верхнюю – гелиотермическую зону и нижнюю – геотермическую зону. В верхней зоне отмечаются суточные, сезонные, годовые и вековые колебания температуры. Глубина пояса постоянной температуры зависит от широты местности и теплофизических свойств пород. Ниже пояса постоянной температуры наблюдается прогрессивный разогрев недр земной коры, находящийся  в прямой зависимости от теплового потока. Последний определяется как произведение температурного, или геотермического градиента на теплопроводность пород. Тепловое поле характеризуется Геотермическим градиентом и Геотермической ступенью

Земля обладает также  магнитным полем. Земля действует как постоянный магнит. Геомагнитное поле  дипольное. Оно существует вокруг земного шара и внутри него. Оно простирается за пределы планеты на расстояние в 10 раз большее, чем радиус Земли. Магнитное поле асимметрично. Магнитный дипольный момент Земли, равный 7,98·10²⁵ единиц СГСМ, направлен примерно противоположно механическому, хотя в настоящее время магнитные полюсы несколько смещены по отношению к географическим. Угол между магнитной осью и осью вращения составляет около 11 1/2⁰ . Северный магнитный полюс находится среди островов Канады, а южный  - в Антарктиде. Их положение, впрочем, меняется со временем, и хотя эти изменения достаточно медленны, за геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. Напряженности магнитного поля на северном и южном магнитных полюсах равны соответственно 0,58 и 0,68 Э, а на геомагнитном экваторе — около 0,4 Э.

Склонение – ввиду того, что магнитный и географический полюсы не совпадают, стрелка компаса не указывает на истинный север или юг нигде, кроме как на одной линии, пересекающей восточную часть территории США в СЗ направлении – это линия нулевого склонения. К востоку т западу от нее стрелка компаса образует с географическим меридианом некоторый угол, называемый магнитным склонением.

Наклонение – другая характеристика геомагнитного поля измеряется с помощью магнитного инклинометра – стрелки, колеблющейся около градуированной вертикальной шкалы. Она указывает угол наклонения, определяемый как угол между магнитными силовыми линиями и горизонтальной плоскостью.