Предмет, задачи и методы геологии. Предпосылки развития науки
 Скачать 35.08 Kb.
|
|
Предмет, задачи и методы геологии. Предпосылки развития науки. Стимулами к развитию геологи с древних времен были предсказания геологических событий, потребность в полезных ископаемых и стремление познать мир (в том числе и Землю). Геология (geo – земля, logos – учение) – наука о Земле, ее строении, развитии и возникновении. Задачи геологии: Обеспечение сырьем отраслей промышленности; Определение особенностей строения и развития Земли. Основной постулат геологии гласит, что данная наука утверждает материалистическое мировоззрение. Основными документами геологии являются: Образцы горных пород (далее ГП) и минералов; Окаменелости; Геологические разрезы – наблюдаемые залегания ГП. Методы геологии: Метод геологического картирования (полевые наблюдения или непосредственные); Метод визуального исследования и лабораторных анализов; Палеонтологический метод (позволяет определить возраст породи и периодизацию истории развития жизни и Земли); Геофизические методы (основаны на изучении физических свойств пород: электропроводность, магнитность и плотность); Дистанционные методы (в основе их дешифрирования космо-фотоснимков, получаемых со спутников). Метод геологического картирования заключается в изучении обнажения и составлении по данным наблюдениям геологических карт. В свою очередь, обнажения делятся на естественные и искусственные (карьеры). Теоретическое и практическое значение геологии. Практическое значение геологии очень велико, т.к. развитие материальной культуры человеческого общества, рост общественного производства непрерывно связан с изучением и всесторонним освоением недр Земли. В наши дни вся мощная современная техника основана на использовании продуктов земных недр – металлов, нефти, угля, различных строительных материалов, подземных вод. Основное значение геологии – обеспечение сырьем отраслей промышленности. Общие сведения о Земле. Солнечная система – система космических тел, включающая помимо центрального светила – Солнца, девять больших планет, их спутники, множество малых планет, кометы, мелкие метеорические тела и космическую пыль, движущиеся в области преобладающего гравитационного действия Солнца. Земля – третья по отдаленности планета Солнечной системы. Наша планета является самой плотной, пятой по диаметру и массе среди всех планет и крупнейшей среди всех планет земной группы (Меркурий, Венера, Марс и Земля). Планета Земля сформировалась в 4.5-4.6 млрд. лет тому назад. Характеристики Земли: Средний радиус Земли равен около 6731 км.; Длина полярного радиуса Земли чуть больше – 6356 км; Экваториальный радиус составляет около 6738 км. Физические характеристики Земли: Площадь поверхности = 510,2*10^6 км2; Площадь мирового океана = 361*10^6 км2; Площадь поверхности суши = 149*10^6 км2; Объем Земли = 1,083*10^12 м3; Масса Земли = 5,976*10^24 кг; Плотность Земли = 5,518 г/см3; Горы занимают свыше одной трети поверхности суши. Она образует 6 материков и острова; Средняя соленость океана = 35 г/л; Средняя глубина океана = 3,8 км; Максимальная глубина 11022 м (Марианская впадина); Максимальная высота 8848 км (гора Джомолунгма в Гималаях – Эверест). В России Балтийская система высот и за уровень мирового океана принимают уровень Балтийского моря. Плотность Земли. С глубиной в Земле изменяются не только значения давления, силы тяжести, упругих свойств вещества, вязкости температуры, но и плотности. Плотность Земли = 5,518 г/см3; Плотность верхнего слоя = 2,71 г/см3; Плотность центра Земли = 70,2 г/см3. Скорее всего, столь высокая плотность центральных частей земного шара, обусловлено колоссальными давлениями, существующими в глубине Земли, в результате чего материя находится там в состоянии большого сжатия. Пока давление в Земле не достигнет известного критического предела – плотность изменяется постепенно, когда этот предел (1.3 млн атм.) достигнут, то вещество скачком переходит в более плотную «металлоподобную» фазу. Есть другие объяснения. Внутренние части Земли состоят из веществ большего удельного веса, чем земная кора, преимущественно из металлов. Так как плотность и твердость внутренних частей Земли сравнительно мало отличаются от плотности и твердости железа в обычных физических условиях, то большинство ученных придерживаются мнения, что земное ядро построено из железа и никеля. Первая гипотеза: не отрицая известной дифференциации вещества по удельному весу, главная причина изменения плотности материи внутри Земли в физических условиях возрастания давления полностью отрицает существование металлического ядра. Вторая гипотеза: Земля расслоена на оболочки, резко отличающиеся по своему химическому составу. Установлено, что средняя плотность планет тем выше, чем больше размеры планет. Пример:  Плотность Меркурия = 3,8 г/см3;   Плотность Марса = 3,93 г/см3; Плотность Земли = 5,518 г/см3; Геоконстанты: Максимальное расстояние от Земли до Солнца (афелий, 3 июня) = 152*10^6 км; Минимальное расстояние от Земли до Солнца (перигелий, 3 января) = 147*10^6 км; Среднее расстояние от Земли до Солнца = 149,509*10^6 км; Время прохождения света от Солнца до Земли = 8 минут 18 секунд; Период обращения Земли вокруг Солнца (тропический год) = 365 дней 5 часов 48 минут 46 секунд; Средняя скорость движения Земли по орбите = 29,76 км/с; Время полного оборота вокруг своей оси (звездные сутки) = 23 часа 56 минут 4,1 секунда. Первое движение Земли: вращение вокруг своей оси. Ось вращения имеет одно направление в пространстве все время. Наклон в 23 градуса. Вращение Земли вокруг своей оси приводит к смене дня и ночи. За этот временной промежуток звездных суток, освещенная Солнцем сторона находится в дне, а теневая –в ночи, а затем наоборот. Примечательно, что вращение Земли происходит против часовой стрелки. Второй движение Земли: обращение планеты по орбите вокруг Солнца. Угол наклона земной оси к плоскости орбиты – 60,5 градусов. Орбитальное движение приводит к чередованию времен года. Эти два движения наиболее важны для землян, потому что лежат в основе астрономических способов измерения времени, но они далеко не единственные. Третье движение Земли: прецессия. Это воронко образующее движение земной оси. Форма Земли. Долгое время, пока господствовала мифологическая картина мира (например, в Древней Греции во времена Гомера – 9-8 век до нашей эры), Земля считалась плоским диском, стоящем на трех слонах, китах, черепахе, которая со всех сторон омывалась водами океана и была покрыта сверху полукруглым небесным сводом. Так, постепенно утвердилось понятие о том, что Земля – это шар, неподвижно висящий в центре космоса без всякой опоры, а вокруг него вращаются по идеальным круговым орбитам Луна, Солнце и 5 известных тогда планет. Неподвижные звезды замыкали сложившуюся в идентичности геоцентрическую модель мира. Геофизические поля. Геоид – эквипотенциальная поверхность земного поля тяжести, приблизительно совпадающая со средним уровнем вод Мирового океана в невозмущенном состоянии и условно продолженная под материками. Форма Земли – эллипсоидально-геоидная форма. Радиусы Земли: 6356,76 км – по полюсам, 6378,14 – по экватору. Геофизическое поле (физическое поле) – это множество значений физических величин, количественно характеризующих естественное или созданное (искусственное) поле Земли в пределах определенной территории. Геофизические поля: Естественные: возникают в силу особенности состава и строении Земли без участия человека; Искусственные: с участием человека (бурение скважин, использование техники и т.д.). Поля: Электрические; Гравитационные; Тепловые; Магнитные. Электрическое поле. Наша планета в электрическом отношении представляет собой конденсатор, заряженный до 300 тысяч вольт. Внутренняя сфера (поверхность Земли) заряжена отрицательно, а внешняя сфера (ионосфера) – положительно. Наша атмосфера является изолятором. Почти все электрическое поле действует на заряды с определенной силой. Эта сила толкает положительные заряды вниз (вглубь Земли), а отрицательные – вверх (в облака). Электрические свойства ГП и минералов – это совокупность свойств, характеризующих способность минералов и ГП проводить ток. К основным электрическим свойствам относятся: Электропроводность; Электрическое сопротивление; Поляризуемость. Наибольшее значение в практике геологических и горных исследований имеет изучение удельного электрического сопротивления пород. Это относительная величина, которая зависит от: Сопротивления минерала, смягчающего ГП; От флюидов, заполняющих поры; От влажности, пористости, структуры породы, температуры и давления. В зависимости от электрических свойств ГП они делятся на хорошо-проводящих (самородные металлы), полупроводники (рудные металлы) и диэлектрики (породообразующие минералы). Минеральный скелет ГП проводит ток значительно хуже, чем природные растворы, заполняющие поры и трещины, поэтому с увеличением увлажненности ГП, их пористости – электрическое сопротивление уменьшается в 10-30 раз. При замерзании воды в горах сопротивление возрастает на 2-3 порядка. Удельное электрическое сопротивление ГП растет с увеличением их нефте-/газонасыщенности. Т.к. структура, пористость, влажность и т.д. различны. Наименьшее значение сопротивления характерно для осадочных ГП. Более высокое сопротивление имеют метаморфические ГП, при этом их сопротивление растет с увеличением степени метаморфизма. Наибольшее сопротивление наблюдается у изверженных ГП (магматических). На свойствах электрического поля основан важнейший метод геологии – электрокаротаж скважин. Электрокаротаж – это геофизические исследования в скважинах, основанные на измерениях электрического поля, возникающего непроизвольно или создаваемого искусственно. По характеру записи диаграмм электрического каротажа можно определить состав пород, слагающих разряд. Электроразведка (электрометрия) – площадное исследование, раздел разведочной геофизики, основанной на параметрах искусственного и естественного электрического поля. Гравитационное поле. Гравитационное поле – это силовое поле, обусловленное притяжением масс Земли. Гравитационным полем обладают все тела, имеющие массу покоя. Гравитационное поле оценивается ускорением силы тяжести. Нормальное ускорение силы тяжести на Земле уменьшается от 9,83 на полюсах до 9,78 на экваторе. Для каждой широты земного шара можно рассчитать определенное значение веса тела. Исходя из различной плотности ГП, слагающих Землю, в каждой точке можно измерить фактическое значение гравитационного поля. Отклонение измеренного значения гравитационного поля от расчетного называется гравитационной аномалией. Существует два вида аномалий: Региональная гравитационная аномалия – связана с крупными плоскостными неоднородностями в строении Земли; Локальная гравитационная аномалия – связана с наличием отдельных слоев или небольших геологических тел. Основным геофизическим методом гравитационного поля является гравиразведка. Метод основан на изучении распределения аномалий поля силы тяжести как вблизи земной поверхности, так и на акваториях, и в воздухе. Отрицательные гравитационные аномалии указывают на большой объем осадочных пород. Гравитационный метод применяется для решения широкого круга геологических задач: При тектонических районировании; При геологическом картировании; Изучение глубинного строения земной коры; Решение структурных задач; При поиске нефти, газа, угольных месторождений, железных руд и т.д. Основные типы геологических процессов и обуславливающие их причины. Условно все геологические процессы можно разделить на процессы внешней геодинамики (экзогенные) и процессы внутренней геодинамики (эндогенные). Экзогенные процессы возникают в результате взаимодействия каменной оболочки Земли с внешними сферами. Эндогенные процессы проявляются при взаимодействии внутренних сил Земли на каменную оболочку. Эндогенные процессы. Те изменения или процессы, которые протекают внутри земного шара, которые подчиняются силам, заложенным внутри Земли, и которые мало зависят от внешних влияний, это эндогенные процессы. Они вызывают различные движения земной коры – тектонические движения. С ними связаны процессы, вызывающие неоднородные составы ГП, их распределение по площади и условиям залегания. К эндогенным процессам относятся: Медленные колебательные тектонические движения земной коры. Они выражаются в поднятиях/опусканиях амплитуды и скорости; Тектонические движения земной коры. Они вызывают складчатые и разрывные нарушения ГП и создают различные структуры во времени и пространстве; Тектонические движения, создающие горные сооружения; Отдельный вид – магматизм (внедрение магмы). Его застывание на глубине с образованием различных тел, либо извержение лавы на поверхность. Метаморфизм первично-осадочных или магматических ГП; Землетрясения – особый вид тектонических движений, выражающийся в подземных ударах, вызванный внезапным смещением и сотрясением того или иного участия земной коры. Экзогенные процессы. К экзогенным процессам относят: Непрерывное перемещение горных и воздушных масс; Циркуляция воды в атмосфере, на поверхности и внутри Земли; Химические и физические превращения вещества под воздействием реакции выветривания, в разрушении, переносе и вторичном отложении ГП; Жизнедеятельность организма. По значению и роли различных внешних агентов экзогенные процессы разбиваются на: процессы выветривания -> геологическая деятельность ветра (далее ГД) -> ГД поверхностных проточных вод -> ГД подземных вод -> ГД озер и болот -> ГД ледников -> ГД морей и океанов. Экзогенные процессы разделяются на 3 группы: Выветривание – процесс изменения (разрушения) ГП и минералов, вследствие приспособления к условиям земной поверхности. Он состоит в изменении физических свойств минералов и ГП, которые сводятся к механическому разрушению, разрыхлению и изменению химических свойств под воздействием воды, кислорода, углекислого газа атмосферы, а также результата жизнедеятельности организма; Денудация – (лат. «обнажение») совокупность процессов разрушения ГП и способов продуктов разрушения в пониженные участки. Проявляется в пределах суши. Ее агенты: сила тяжести, текучие воды, ветер, движущиеся льды ледников; Аккумуляция – совокупность всех процессов накопления осадков, возникающих в пониженных участках рельефа Земли. Выветривание. Виды выветривания. Продукты и характеристика. Выделяется несколько форм проявления выветривания: Механическое или физическое. Дробление ГП и минералов без существенного изменения химических свойств; Химическое. Химические изменения вещества, приводящие к превращению исходных минералов в новые; Органическое или биологическое. Минералы и ГП физически или химически изменяются под воздействием жизнедеятельности организма, а также органического вещества, обращающегося при их разложении. Механическое или физическое выветривание. Важнейшим фактором механического выветривания является инсоляция, т.е. нагревание поверхности ГП солнечными лучами, возникающие вследствие попеременного нагрева и остывании периодического изменения объема породы. Она вызывает растрескивание, нарушая связи между минералами, а также и внутри самого минерала. Образование и рост трещин, растрескивающих породу на куски, идет тем интенсивнее, чем больше суточная амплитуда колебаний температуры. Наибольшие величины, более 40 градусов, возникают в субтропических пустынях и высокогорных областях. Образование трещин в ГП зависит от их свойств: слоистости, сланцеватости, наличие спайности у минералов. Породы распадаются на обломки и превращаются в глыбы, дресву и песок. При этом состав конечных продуктов разрушения целиком зависит от структуры, текстуры и минерального состава ГП. Породы с массивной текстурой, нагреваясь и остывая за день, на определенную небольшую глубину начинают растрескиваться и отслаиваться по кривым поверхностям, которые параллельны неровным поверхностям выхода ГП (чешуйчатые отдельности). Такой процесс называют чешуением. Породы со слоистой или сланцеватой текстурой под влиянием инсоляции распадается по плоскостям на плитки, либо расслаиваются или разлистовываются. Слоистая толща осадочных пород выветривается неоднородно, т.к. имеют различную степень цементации, т.е. одни легко распадаются на мелкий щебень, песок или глыбу, а другие долго сохраняют свою монолитность. Плотные трудно-выветриваемые ГП сохраняются в виде уступов, выступов, а легко-выветриваемые ГП осыпаются и на их месте образуются впадины. В результате возникает очень характерная скульптура выхода ГП, называемая формами выветривания (карнизы, столбы, останцы). Интенсивность и характер механического выветривания зависит не только от температурного решения, но и от конкретного минерального сложения породы, от ее теплоемкости и теплопроводности. Быстрее разрушаются темноокрашенные породы и минералы. Особое значение при механическом разрушении ГП имеет периодически замерзающая вода, проникающая в трещины. При замерзании вода расширяется. Образовавшийся лед давит на стенки трещин, разрывая даже очень твердые породы. Эта форма разрушения ГП называется морозным выветриванием. Оно широко развито в высокогорных и субполярных областях. В результате физического выветривания образуются особые формы ландшафта. Если выветривание происходит в горных областях, то продукты выветривания накапливаются на них в виде глыб и дресвяного материала. В результате создаются элювиальные россыпи. Элювий – это осадок, не подвергшийся переносу, т.е. накопившийся на месте. Типичные области физического выветривания – это каменистые пустыни или гамады. Это области, образующие террасовидные поверхности с вертикальными уступами между ними. На краю уступов пласты расчленяются на останцы конусовидной формы. Понижение между останцами покрыто россыпями каменных глыб и щебнем. Более мелкий материал уносится ветром. В процессе физического выветривания из массивных пород высвобождаются многие стойкие минералы, которые являются полезными ископаемыми: золото, платина, алмазы и т.д. Химическое выветривание. Химическое выветривание – разрушение ГП под воздействием воды, кислорода, углекислоты, органических кислот, содержанных в воздухе и в воде и воздействующих на поверхность пород растворяя их. Основные типы химического выветривания: Растворение – происходит под действием воды, стекающей по поверхности выхода ГП или просачивающейся под ее трещины и поры. Вода избирательно выносит только некоторые вещества. Сильнее всего растворяются хлориды (галит), сульфаты (гипс), карбонаты (известняк). В зависимости от величины частиц, на которые распалось вещество ГП, различают 2 типа растворов: истинные и коллоидные. В первом типе раствора вещество распадается до молекул и ионов. Особенностью данного типа растворов является то, что при определенном насыщении растворенное вещество выпадает из них в осадок (в твердое кристаллическое состояние – минерал). Во втором типе раствора вещество распадается лишь до частиц, превышающих размеры молекул. Коллоиды могут быть жидкие, вязкие и студнеобразные. Коллоиды способны свертываться под влиянием электролитов (способны проводить электрический ток). Под влиянием электролитов частицы коллоида слипаются в хлопья или комочки, которые начинают осаждаться, образуя гель (вещество, имеющее свойство твердого тела). Образование коллоидных растворов зависит от сложенного сочетания физико-химических факторов. Именно в форме коллоидных растворов выносится огромное количество продуктов химического выветривания. В целом, абсолютно нерастворимых веществ в природе не существует. Таким образом, процесс растворения участвует в выветривании любых минералов и ГП; Гидролиз – это разложение минерала с выносом части образующихся продуктов в сопровождении процессов гидратации. Он происходит при активном участии процесса растворения; Гидратация – процесс поглощения минералом воды. В этом процессе при присоединении воды к минералам происходит образование новых минералов. При гидратации увеличивается объем породы, что может привести к деформациям отложений (разрушение); Окисление – представляет собой взаимодействие ГП с кислородом и образование оксидов/гидроксидов, если присутствует вода. Подвержены, в первую очередь, минералы, содержащие железо, серу, ванадий, марганец, никель и другие металлы. Факторами окисления является кислород, воздух и вода. В присутствии влаги, металлы легко переходя в окиси, а сульфиды – в сульфаты. Карбонатизация – процессы присоединения углекислоты к продуктам изменения ГП, приводящий к образованию карбонатов, связанных с кальцием, железом и марганцем. Подавляющее большинство карбонатов хорошо растворяются в воде, и поэтому выносятся ею в подстилающие ГП, где часто в них и отлагаются, образуя стяжение (конкреции). Много карбонатов выносится в грунтовые воды, обуславливая их жесткость; Восстановление – является процессом, обратным окислению, заключающемся в потере веществом части или всего содержащегося в нем химически-связанного кислорода. Оно участвует в выветривании там, где нет свободного кислорода, когда сильным восстановителем является органическое вещество, которое сформировалось в результате отмирания большой растительности. Возникает серо-зеленая или сизая глинистая масса, иначе глей, которая подстилает обычно торфяники. Процесс образования глея называется оглеением. В результате химического выветривания образуются цепные полезные ископаемые: бокситы, железные руды, каолин и т.д. Биологическое выветривание. ГП на своих поверхностях содержат огромное количество микроорганизмов (на 1 грамм породы приходится до 1 млн бактерий). Как только порода начинает выветриваться (разрушаться), на ней сразу же поселяются бактерии, потом сине-зеленые водоросли, затем лишайники и мхи, которые растворяют и разрушают поверхностный слой ГП, а после их отмирания на породе образуются углубления, ямки, борозды, заполненные сухой биомассой отмерших организмов. Биота, поселившаяся на поверхности ГП, извлекает из нее необходимые для жизни химические элементы: фосфор, сера, кальций, калий, бром, стронций, магний, алюминий и натрий, однако биота и возвращает новые химические элементы, тем самым и происходит круговорот веществ, обусловленный химической активностью. Организмы могут участвовать в процессах химического выветривания, но косвенным путем. Например, выделяя кислород при фотосинтезе и образуя углекислый газ при отмирании растений, провоцируется образование агрессивных химических кислот, которые резко усиливают растворение и гидролиз минералов. Кроме этого, разрушение ГП организмами осуществляется физическим или химическим путем. Значительную роль в разрушении земной коры в ее верхней части играют земляные черви, муравьи и термиты, которые проделывают многочисленные земные ходы, способствуя проникновению вглубь почвы воздуха, влаги и углекислого газа. Почвообразование – сложный процесс преобразования ГП в почву, под влиянием внешних органических веществ из отмирающих наземных растений, образованных при участии микроорганизмов. Почва почти сплошным покровом облегает сушу. Растительные вещества привносят в почву такие элементы, как углерод, водород, кислород, а также клетчатку, азотистые соединения, железо, жиры, белки, органические кислоты и спирты. Преобразование органических веществ в почве происходит в зависимости от доступа к нему кислорода и разделяется на тление (свободный доступ кислорода, полное сгорание органического вещества), перегнивание (промежуточный этап с доступом кислорода) и гниение (без доступа к кислороду). Перегнивание ведет к образованию гумуса (перегной). Характер материнской породы влияет на облик почвы. В одной и той же климатической зоне почвы, находящиеся даже на разных породах, могут быть похожи друг на друга, и наоборот, в разных климатических зонах почвы, находящиеся на одной и той же породе, могут быть различны. |