Геология Геология – одна из фундаментальных областей

Геология

Геология – одна из фундаментальных областей научного знания. Название ее образовано от греческих слов «Гея» - земля и «логос» - знание. Можно дать и более развернутое определение: Геология – область естествознания, занимающаяся изучением вещественного состава , строения и истории развития земной коры и Земли в целом.

Геология – обширный раздел естествознания, объединяющий множество связанных между собой научных дисциплин. Среди них можно выделить науки, изучающие вещественный состав земной коры, геологические процессы, их историческую последовательность и др. В качестве наиболее значимых геологических наук можно назвать следующие:

Минералогия – наука о минералах, их составе, свойствах и происхождении Минерал шеелит

Кристаллография – наука о кристаллической структуре минералов, формах и свойствах кристаллов, процессах в кристаллической среде, взаимодействия между кристаллами и окружающим веществом Турмалин-шерл

Петрография и литология – науки о горных породах, их составе и строении. С ними тесно связана петрология и седиментология.

Вулканология – наука о деятельности вулканов, продуктах вулканических извержений, формировании вулканических горных пород

Стратиграфия – изучает пространственное соотношение геологических тел в земной коре и последовательность их формирования во времени

Геоморфология – наука об образовании и развитии форм рельефа. Эта дисциплина рассматривается, как принадлежащая одновременно к числу и геологических, и географических наук.

Палеонтология – наука о развитии органического мира Земли в геологическом прошлом.

Также выделяются: структурная геология, тектоника, геохимия, геофизика, сейсмология, металлогения, гидрогеология, инженерная геология, сравнительная геология и другие геологические науки

Практическое применение геологии 1. Поиски месторождений полезных ископаемых

2. Определение геологических условий при строительстве

3. Прогнозирование и предупреждение опасностей, связанных с природными геологическими процессами

4. Изучение геологических аспектов устойчивости экологических систем

Земля в космическом пространстве, происхождение солнечной системы, строение земного шара и планет земной группы.

Галактика Млечного Пути – звездное скопление, к которому принадлежит и солнце

Основной компонент Солнечной системы – Солнце, на долю которого приходится 99, 87% ее общей массы.

Планеты – второй по значимости компонент в Солнечной системе.

Спутники планет отличаются тем, что вращаются не непосредственно вокруг Солнца, а вокруг планет.

Метеориты – небольшие космические тела, падающие на поверхность нашей планеты. Из всех космических объектов они наиболее доступны для изучения

Магнитосфера нашей планеты резко ассиметрична: она «сжата» в направлении от Земли к Солнцу, и вытянута в противоположном направлении.

Поле в целом дипольное - т. е. , имеются два полюса – северный и южный, но есть и недипольная составляющая, и наложенные внешние , и зменения которых вызывают колебания напряженности поля и его ориентировки (положения магнитных полюсов). Магнитные полюса Земли время от времени менялись местами. Это явление получило название инверсий магнитного поля.

Магнитное поле имеется не у всех планет. Современные модели объясняют возникновение магнитного поля Земли на основе «теории динамо» – вихревых токов в ионизированной жидкой среде, возникающих в недрах вращающегося планетного тела. Следовательно, для формирования у планеты магнитного поля нужны два условия: 1) наличие во внутренних частях оболочек со свойствами жидкости; 2) достаточно высокая скорость вращения вокруг своей оси.

В строении Земли отчетливо проявлены элементы вертикальной расслоенности.

Схема строения Луны – спутника Земли

Гравитационное поле свойственно любому планетному телу. Основные параметры его зависят от массы планеты. Гравитационное поле у Земли, как и у любой планеты, не вполне однородно. Сила тяжести в разных местах поверхности Земли неодинакова - их распределение зависит от глубинного строения Земли. Поэтому изучение положительных и отрицательных аномалий позволяет понять закономерности этого строения.

Тепловое поле связано с энергией глубинных процессов внутри Земли. Его структура также неоднородна. Это связано в первую очередь с тем, что существует два различных механизма переноса тепла из глубинных частей Земли к поверхности – кондуктивный и конвективный. При кондуктивном переносе происходит только передача тепловой энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, без перемещения самого вещества-теплоносителя.

При конвективном переносе нагретые массы, как более лёгкие, поднимаются к поверхности, а относительно холодные опускаются вниз. Конвективный перенос тепла на порядок более эффективен по сравнению с кондуктивным. Кроме того, кондуктивный перенос протекает относительно равномерно по всему объёму планеты, а конвективный сосредоточен в местах, где функционируют восходящие потоки глубинного вещества.

Внутреннее строение Земли. В разрезе нашей планеты можно выделить крупные вещественные оболочки, характеризующиеся различными свойствами – геосферы. Среди них выделяются: внешние геосферы - атмосфера, гидросфера, в нутренние - земная кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро.

Земная кора – внешняя из твёрдых оболочек. Распространена до глубин от 5 -10 км на одних участках и до 50 -70 км – на других. За её нижнюю границу принят рубеж, определяемый резким увеличением скоростей сейсмических волн, соответствующий увеличению плотности вещества - поверхность Мохоровичича, по имени хорватского геофизика, установившего этот рубеж в начале ХХ века.

Средняя плотность вещества земной коры – 3, 22 г/см 3. Температура в её пределах постепенно возрастает с глубиной, со средним градиентом 20ºС/км. Давление с глубиной также постепенно увеличивается – от 0 до 2, 2 млрд Па под океанами, и до 9, 7 млрд Па – под континентами → Поэтому почти весь объём земной коры находится в твёрдом состоянии, но в глубинных частях встречаются и отдельные очаги расплава.

Мантия расположена ниже земной коры, до глубины 2900 км. Плотность вещества в пределах мантии изменяется от 3, 64 г/см 3 в верхней её части до 9, 7 г/см 3 – в нижней, у границы с земным ядром. Температура в сравнении с земной корой существенно увеличивается → в верхней части мантии, на глубинах более 100 км она оценивается величинами порядка 1100ºС. У нижней границы мантии температура достигает примерно 4000ºС. Давление возрастает до величин порядка 1300 млрд. Па. Вещество мантии в целом твёрдое (хотя очаги расплава встречаются и здесь, причём их больше, чем в земной коре).

В условиях существующих здесь высоких температур и давлений даже твёрдое кристаллическое вещество способно к медленному пластическому течению со скоростями порядка нескольких сантиметров в год → конвекционный перенос тепловой энергии из глубинных частей к поверхности , возможный именно благодаря такой способности внутри мантии.

Мантия подразделяется на: верхнюю - до глубины около 1000 км; нижнюю - от 1000 до 2900 км. В пределах верхней мантии на глубинах от 45 -140 км до 300 -400 км выделяется зона, сложенная веществом наиболее пластичным, находящимся в частично расплавленном состоянии – астеносфера. Самая верхняя часть мантии вместе с земной корой образуют, в противоположность пластичной астеносфере, жесткую оболочку – литосферу.

Таким образом, понятия «литосфера» и «земная кора) в геологическом смысле – не одно и то же, хотя в географических науках эти термины обычно рассматриваются как синонимы.

Внешнее ядро распространяется до глубин около 5000 км (здесь также выделяется переходная зона, в интервале 4980 -5120 км). Плотность в пределах внешнего ядра изменяется вниз по разрезу от 11, 5 до 15 г/см 3. Температура в пределах внешнего ядра возрастает приблизительно с 4000 до 5000ºС. Давление – от 1300 до 3300 млрд Па. Помимо повышенной плотности, вещество внешнего ядра имеет ещё одно очень важное отличие от вещества мантии: оно не пропускает поперечные волны → имеет свойства жидкости. → Именно во внешнем ядре, согласно модели «динамо» , функционируют вихревые токи, ответственные за наличие у Земли магнитного поля.

Внутреннее ядро, в отличие от внешнего – твёрдое. Эта оболочка выделяется на глубинах от 5120 км до центра Земли (расстояние от поверхности около 6370 км). Плотность вещества внутреннего ядра изменяется в пределах 17, 3 -17, 9 г/см 3. Температура в самом центре Земли может достигать, по современным оценкам, 6000ºС. Давление более 3600 млрд. Па.

Географическая оболочка охватывает всю поверхность Земли и выделяется как вся область взаимодействия между атмосферой, гидросферой и земной корой. В её рамках происходит постоянный обмен веществом и энергией между тремя названными геосферами. Уникальность географической оболочки нашей планеты (в сравнении со всеми остальными планетами Земной группы) в том, что только на Земле существует гидросфера и, следовательно, взаимодействуют сразу три оболочки, находящиеся в разном агрегатном состоянии.

Биосфера может быть определена как часть географической оболочки, вещество которой постоянно вовлечено в процессы жизнедеятельности населяющих её живых организмов. В её состав входит не только вся совокупность самих живых организмов, но также практически весь объём гидросферы, верхняя часть литосферы и нижние слои атмосферы Земли. Биосфера – сложно организованная система, все компоненты которой связываются друг с другом процессами жизнедеятельности организмов, что многократно усложняет её структуру даже в сравнении с исходным состоянием географической оболочки.

Земная кора, ее состав и строение.

Один из основных аспектов изучения земной коры – исследование ее вещественного состава , который, несмотря на большое разнообразие, состоит из ограниченного набора химических элементов. Элементы, содержание которых составляют не менее десятых долей процента называют макроэлементами. В составе земной коры роль макроэлементов играют следующие: O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. Ti – в сумме они составляют 99, 48 %. Остальные элементы, на долю которых приходится около 0, 5% называются микроэлементами.

Формы нахождения химических элементов в земной коре разнообразны, но в основном они представлены в виде минералов. Минерал целестин

Минерал определяется как химически и физически обособленный в пространстве неорганический продукт природной физико-химической реакции, находящийся в кристаллическом состоянии (по А. А. Годовикову). Твёрдые природные вещества, не имеющие кристаллической структуры (аморфные) относятся к особой категории минералоидов.

Алюмосиликатная кристаллическая матрица

Наличие у минералов упорядоченной кристаллической структуры обуславливает возможность формирования ими естественным путем индивидов правильной геометрической формы – кристаллов. При этом внешняя форма кристаллов зависит от внутреннего кристаллической решетки, которая у каждого минерала индивидуальна – кубы, октаэдры, призмы, тетраидры и т. д.

Барит (роза)

Гипс (роза)

Кубическая форма кристалла пирита

Октаэдрическая форма кристаллов

В природных условиях часто наблюдается незакономерное срастание нескольких кристаллов друг с другом. Такие срастания называются минеральными агрегатами. Друзы кварца (слева) и пирита (справа)

Щетка кристаллов кварца на доломите

Жеода, выполненная халцедоном и кварцем Пример строения жеоды

Процесс расщепления кристалла и формирования сферолита (вверху); Конкреция арагонита (справа).

Почковидный агрегат гётита

Почковидные натечные агрегаты хризоколлы (слева) и малахита (справа).

Примазки и корочки малахита (зеленый) и азурита (синий).

Физические свойства минералов Способность кристаллов раскалываться (расщепляться) по определенным кристаллографическим направлениям параллельным действительно наблюдаемым или возможным граням кристалла, с образованием ровных блестящих плоскостей скола называется спайностью. В зависимости от того, насколько легко раскалываются минералы, различают спайность весьма совершенную , среднюю , несовершенную и весьма несовершенную.

Весьма совершенная спайность у слюды

Совершенная спайность (кальцит)

Классификация минералов

Примеры самородных элементов. Вверху: самородное серебро; внизу – самородный алмаз (модификация углерода)

Галогениды – соединения галогенов (Cl, F, Br, J). Вверху – флюорит; внизу – галит.

Сульфиды – сернистые соединения металлов и полуметаллов Антимонит Аурипигмент и реальгар Пирит и сидерит

Оксиды и гидроксиды Кварц (слева) и шпинель (справа)

Сульфаты – соли серной кислоты (Н 2 SO 4) Целестин (слева) и барит (справа)

Карбонаты Азурит (слева) и кальцит (справа)

Фосфаты – соли фосфорной кислоты. Из них самым широким распространением пользуется апатит.

Силикаты – соли кремниевой кислоты (H 4 Si. O 4) Микроклин (слева) и спессартин (справа).

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ Минералы встречаются в природе, как правило, не по отдельности, а в составе закономерно построенных агрегатов – горных пород. Горной породой называется природный агрегат минеральных и иных частиц, характеризующийся определённым составом и строением. Неминеральные вещества в составе горных пород могут быть представлены минералоидами и сложными органическими соединениями.

Осадочные горные породы образуются на поверхности земли в результате экзогенных процессов. Алевролит

Магматические горные породы образуются в результате застывания магматических расплавов. Мигматит

Метаморфические породы образуются в результате преобразования осадочных и магматических пород Пегматит