Геологическая картина мира

С конца XIX века - начала XX в. Геология расширила свои горизонты, в том числе и благодаря революционным идеям Владимира Ивановича Вернадского и Александра Евгеньевича Ферсмана, которые определили геологию, как науку о строении земли, её происхождении и развитии, которая основывается на изучении геологических процессов и земной коры в целом. По словам Вернадского, XX век, является периодом ломки коренных естественнонаучных представлений, когда история науки сама наталкивает человека на правильный путь решения многих актуальных проблем.

В.И. Вернадский (1863-1945) – выдающийся русский естествоиспытатель, минеролог и кристаллограф, основоположник геохимии и биогеохимии, организатор большого числа научных учреждений. Кафедра минералогии Московского университета, возглавляемая В.И. Вернадским, сыграла исключительную роль в развитии науки. В своих исследованиях и лекциях В.И. Вернадский выдвинул на первый план с одной стороны выяснение химической природы минералов, с другой вопросы их происхождения их изменений и преобразований в различных зонах земной коры. Прежнему описательному направлению минералогии он противопоставлял генетическую минералогию, или химию земной коры. Изучая минералы, как продукты химических процессов, протекающих в земной коре, Владимир Иванович естественным образом перешёл к истории отдельных химических элементов, или геохимии.

Геология является комплексной наукой, в ее состав входят многочисленные, зачастую разноплановые, дисциплины.

Химический состав Земли, процессы, концентрирующие и распыляющие химические элементы в различных сферах Земли, являются предметом геохимии. Земную кору – верхнюю твердую оболочку Земли слагают различные генетические типы горных пород (магматические, осадочные и метаморфические), состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Изучая такую иерархию – химические элементы - минералы – горные породы, можно судить о строении земной коры в различных структурных зонах. Ниже перечислен состав земной коры.

2.Строение земной коры.

В строении земной коры участвуют все описанные типы горных пород - магматические, осадочные и метаморфические, залегающие выше границы Мохо. Как в пределах континентов, так и в пределах океанов выделяются подвижные пояса и относительно устойчивые площади земной коры. На континентах к устойчивым площадям относятся обширные равнинные пространства - платформы (Восточно-Европейская, Сибирская), в пределах которых располагаются наиболее устойчивые участки - щиты (Балтийский, Украинский), представляющие собой выходы древних кристаллических горных пород. К подвижным поясам относятся молодые горные сооружения, такие, как Альпы, Кавказ, Гималаи, Анды и др.

Рис. 3.1. Обобщенный профиль дна океана (по О. К. Леонтьеву)

Материковые структуры не ограничиваются только континентами, в ряде случаев они протягиваются в океан, образуя так называемую подводную окраину материков, состоящую из шельфа, глубиной до 200 м, континентального склона с подножьем до глубин 2500-3000 м. В пределах океанов также выделяются стабильные области - океанские платформы - значительные площади ложа океана - обширные абиссальные (греч. "абиссос" - бездна) равнины глубиной 4-6 км, и подвижные пояса, к которым относятся срединно-океанские хребты и активные окраины Тихого океана с развитыми окраинными морями (Охотское, Японское и др.), островными дугами (Курильские, Японские и др.) и глубоководными желобами (глубиной 8-10 км и более) (рис. 3.1).

Рис. 3.2. Схема строения различных типов земной коры.

На первых этапах геофизических исследований выделялись два основных типа земной коры: 1) континентальный и 2) океанский, резко отличающиеся друг от друга строением и мощностью слагающих пород. В последующем стали выделять два переходных типа: 1) субконтинентальный ;2) субокеанский.

Континентальный тип земной коры. Мощность континентальной земной коры изменяется от 35-40 (45) км в пределах платформ до 55-70 (75) км в молодых горных сооружениях. Континентальная кора продолжается и в подводные окраины материков. В области шельфа ее мощность уменьшается до 20-25 км, а на материковом склоне (на глубине около 2,0-2,5 км) выклинивается. Континентальная кора состоит из трех слоев. Первый - самый верхний слой представлен осадочными горными породами, мощностью от 0 до 5 (10) км в пределах платформ, до 15-20 км в тектонических прогибах горных сооружений. Скорость продольных сейсмических волн (Vp) меньше 5 км/с. Второй - традиционно называемый "гранитный" слой на 50% сложен гранитами, на 40% - гнейсами и другими в разной степени метаморфизованными породами. Исходя из этих данных, его часто называют гранитогнейсовым или гранитометаморфическим. Его средняя мощность составляет 15-20 км (иногда в горных сооружениях до 20- 25 км). Скорость сейсмических волн (Vp) - 5,5-6,0 (6,4) км/с. Третий, нижний слой называется "базальтовым". По среднему химическому составу и скорости сейсмических волн этот слой близок к базальтам.

Рис. 3.3. Скоростная модель земной коры континентов (по Н. И. Павленковой).

Однако высказывается предположение, что он сложен основными интрузивными породами типа габбро, а также метаморфическими породами амфиболитовой и гранулитовой фаций метаморфизма, не исключается наличие и ультраосновных пород. Правильнее называть этот слой гранулито-базитовым (базит - основная порода). Его мощность изменяется от 15-20 до 35 км. Скорость распространения волн (Vp) 6,5-6,7 (7,4) км/с. Граница между гранитометаморфическим и гранулито-базитовым слоями получила название сейсмического раздела Конрада. Долгое время господствовало представление о том, что граница Конрада существует в континентальной коре повсеместно. Однако последующие данные глубинного сейсмозондирования показали, что поверхность Конрада далеко не всюду выражена, а фиксируется лишь в отдельных местах. Естественно возникают новые интерпретации строения континентальной земной коры. Так, Н. И. Павленковой и другими предложена четырехслойная модель (рис. 3.3). В этой модели выделяется верхний осадочный слой с четкой скоростной границей, обозначенной Ко. Ниже расположенные части земной коры объединены в понятие кристаллический фундамент, или консолидированная кора, внутри которой выделяются три слоя: верхний, промежуточный и нижний, разделенные границами К1 и К2. Отмечается достаточная устойчивость границы К2 - между промежуточным и нижним этажами. Верхний этаж характеризуется вертикально-слоистой структурой и дифференцированностью отдельных блоков по составу и физическим параметрам. Для промежуточного этажа отмечается тонкая горизонтальная расслоенность и наличие отдельных пластин с пониженной скоростью сейсмических волн (Vp) - 6 км/с (при общей скорости в слое 6,4-6,7 км/с) и аномальной плотностью.

На основании этого делается вывод, что промежуточный слой может быть отнесен к ослабленному слою, по которому возможны горизонтальные подвижки вещества. В настоящее время и другие исследователи обращают внимание на наличие отдельных линз в континентальной коре с относительно (на 0,1-0,2 км/с) пониженными скоростями сейсмических волн на глубинах 10-20 км, при мощности линз 5-10 км. Предполагают, что эти зоны (или линзы) связаны с сильной трещиноватостью и обводненностью пород.

Данные С. Р. Тейлора указывают также, что в пределах континентальной коры нет единого слоя с пониженной скоростью, а отмечается прерывистая расслоенность. Все сказанное свидетельствует о большой сложности континентальной земной коры и неоднозначности его интерпретации. Достаточно убедительным доказательством этого являются данные, полученные при бурении сверхглубокой Кольской скважины, достигшей уже глубины свыше 12 км. По предварительным сейсмическим данным, в районе заложения скважины граница между "гранитным" и "базальтовым" слоями должна бы быть встречена на глубине около 7 км. В действительности никакого геофизического "базальтового" слоя не оказалось. На этой глубине под мощной метаморфизованной вулканогенно-осадочной толщей протерозойского возраста были вскрыты плагиоклазовые гнейсы, гранито-гнейсы, амфиболиты - породы среднетемпературной стадии метаморфизма, процентное содержание которых увеличивается с глубиной. Что же послужило причиной изменения скорости сейсмических волн (от 6,1 до 6,5-6,6 км/с) на глубине около 7 км, где предполагалось наличие геофизического "базальтового" слоя? Возможно, что это связано с амфиболитами и их ролью в изменении упругих свойств пород. Возможно также, что указанная ранее (до бурения скважины) граница связана не с изменением состава пород, а с увеличением поля напряжения, обусловленного интенсивными деформациями и неоднократными проявлениями метаморфизма.

Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы – непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме – лавовых потоках. Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150-200 км.

Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы и другие, физические и химические исследования – рентгеноструктурные, спектрографические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.

3. Назначение и сфера исследования геологических наук

Физические свойства планеты Земля и изучением её физическими методами занимается геофизика. Земля в основном состоит из минералов. Изучением минералов, вопросами их генезиса, классификации определения занимается минералогия. Минералы образуют горные породы. Описанием и классификацией горных пород занимается петрография, а изучением их происхождения наука петрология. Земля – «живая», активно меняющаяся планета. В ней происходят движения, различающиеся по масштабу на многие порядки. Процессами самого крупного, планетарного масштаба занимается геодинамика. Она изучает связь процессов в ядре, мантии земной коре. Движения земной коры в меньшем масштабе, на уровне блоков земной коры изучает тектоника. Структурная геология занимается изучением, описанием и моделированием важнейших нарушений земной коры – разломов и складок. Микроструктурная геология изучает деформацию пород на микроуровне – в масштабе зёрен минералов и агрегатов.

Все геологические науки в той или иной степени имеет исторический характер, рассматривают существующие образования в историческом аспекте и занимаются в первую очередь выяснением истории формирования современных структур. Данные о последовательности важнейших событий в истории Земли обобщает историческая геология. История Земли делится на два крупнейших этапа – эона, по появлению организмов с твёрдыми частями, оставляющих следы в осадочных породах и позволяющих поданным палеонтологии определение относительного геологического возраста. С появлением ископаемых на Земле начался фанерозой – время открытой жизни, а до этого был криптозой или докембрий – время скрытой жизни. Геология до кембрия выделяется в особую дисциплину, так как занимается изучением специфических, часто сильно и многократно метаморфизованных комплексов и имеет особые методы исследования.

Палеонтология изучает древние формы жизни и занимается описанием ископаемых остатков, а также следов жизнедеятельности животных. Стратиграфия – наука об определении относительного геологического возраста осадочных горных пород, расчленении толщ пород и корреляции различных геологических образований. Одним из основных источников данных для стратиграфии является палеонтологические определения.

Различные отрасли геологии изучают принципы протекания геологических процессов. Геологические процессы видоизменяют земную кору и ее поверхность, приводя к разрушению и одновременно созданию горных пород. Экзогенные процессы обусловлены действием силы тяжести и солнечной энергии, а эндогенные – влиянием внутреннего тепла Земли и гравитации. Все процессы взаимосвязаны между собой, а их изучение позволяет использовать метод актуализма для познания геологических процессов далекого прошлого.

Геология полезных ископаемых изучает типы месторождений, методы их разведки и поиска. Отдельной наукой является геология горючих полезных ископаемых – нефти, горючего газа, угля.

Лозунг геологов «Menteet Malleo» – «умом и молотком». Молоток как главное орудие геологов остался в прошлом веке, сейчас на первый план выходит теоретическое мышление, что требует синтеза геологии с другими естественными, а также точными науками. Давно уже никто не открывает месторождений на ощупь, сначала нужно понять, как формируются месторождения и где их искать, а затем уже устраивать дорогостоящие экспедиции, разведку и бурение. В последние десятилетия геологи выработали методы на основе точных наук – математики, химии, физики – эффективно применять которые позволила новая теория, объединившая различные направления геологии. Мобилизм, или теория движения литосферных плит, дал колоссальный толчок развитию геологии был сразу воспринят российскими учеными.

В 1972 году на симпозиуме в США ученые многих стран впервые увидели на геофизических разрезах, как плита Наска движется под южно- американский континент и на ее изломе находятся очаги землетрясений, которые постоянно сотрясают Чили. Места, где плита погружается в мантию, зоны субдукции, очень опасны в сейсмическом отношении, но они также порождают крупные месторождения полезных ископаемых. Испанцы XVI века могли не заботиться о поиске золота, серебра и платины, они просто вывозили их из Центральной и Южной Америки галеонами, пока не кончилось все, что было на поверхности. Геолог XXI века действует иначе, он ищет древние зоны субдукции, потому что там возможны крупные месторождения драгоценных металлов. Руды Камчатки и Средней Азии именно такого происхождения.

Новые теории соединяют фундаментальные науки и геологию, увязывая между собой направления, прежде развивавшиеся каждое по своей внутренней логике: геохимию, геофизику и поисковую геологию. Теперь стало возможным создавать действительно глобальные концепции внутреннего строения Земли, этапов ее развития.