Геология как система наук

Cальников В.Н.

Потылицына Е.С.

Лекция № 1.

Геология как система  наук

 

Ключевые слова и вопросы.

Проблемы геологии. Положение Земли в космическом пространстве. Общие параметры Земли. Возраст Земли. Происхождение Земли. Химический состав Земли. Вещественный состав земной коры.

 

Геология как система наук.

 

Основные вопросы геологии:

 

1. Земля в космическом пространстве, происхождение солнечной системы, строение земного шара и планет земной группы.
2. Земная кора, ее состав и строение.
3. Возраст земной коры.
4. Геологические процессы.
5. Эндогенные процессы.
6. Экзогенные процессы.
7. Главные структурные элементы тектоносферы.
8. Основные представления о причинах и закономерностях развития земной коры.

 

ГЕОЛОГИЯ – наука о строении Земли, ее происхождении и развитии.  Изучение Земли проводится всеми доступными методами с привлечением данных астрономии, астрофизики, физики, химии, биологии и других наук.

Геология долгое время смешивалась  с другими отраслями знаний.

Еще в XVIII веке на геологию смотрели как на отдел минералогии или физической географии; считали задачей этой науки разъяснение вопроса о происхождении Земли.

Геология как наука в понимании, близком к современной, оформилась в конце XVIII века.

Современная геология делится  на ряд взаимосвязанных отраслей, используемых при описании и исследовании Земли:

1. динамическую геологию;
2. историческую геологию;
3. геологию полезных ископаемых;
4. гидрогеологию;
5. региональную геологию;
6. геоэкологию и др.

Преобладающая часть конкретных вопросов, решаемых в настоящее время Геологией, относится к поверхностным частям планеты, ограниченным глубинами 10-15 км.

С целью изучения глубоких недр Земли  ставится вопрос о необходимости создания объединенной науки о Земле, в которой слились бы геология, геофизика и геохимические методы (Геономия). По сути это есть Геоэкология.

 

 

Проблемы геологии.

1. Происхождение человека и его место на Земле.
2. Геология антропогенеза и техногенеза.
3. Геоактивные зоны на Земле:

а) геопатогенные зоны;

б) комфортные зоны.

4. Геологические проблемы прогноза природных и техногенных катастроф.
5. Биоминералогия как часть геологии:

а) камни в почках, мочевом пузыре, в желчном пузыре, зубы и кости;

б) петрофицированная древесина (метасоматоз?);

в) камни – живые организмы?

 

Формы движения материи и геология.

 

Формы движения материи по Ф.Энгельсу:

1. Механическая – оперирует категориями “количество движения”.
2. Физическая – оперирует категорией “энергия”.
3. Химическая – оперирует категорией “соединения” (молекулы).
4. Биологическая – оперирует категорией “вид”.
5. Социальная – категория “формация”

Затем в 60-х годах была предложена новая классификация видов движений:

1. Ядерная.
2. Электромагнитная.
3. Механическая.
4. Химическая.
5. Геологическая.
6. Биологическая.
7. Социальная.

 

В 70-х годах советский философ  Б.М.Кедров (1985) предложил рассматривать виды движения материи как дихотомирующие категории (дихотомирование – раздвоение).

 

 

С появлением экологии встал вопрос о ее месте в ряду форм движения материи. Поэтому можно записать:

 

 

А.Д.Московченко (1991) предлагает свою классификацию видов движения материи, где вводит галактическую, планетную и кибернетическую форму (рис.1).

 

 

Рис.1. Основные формы  движения материи:

Г_а – галактическая (звезды и звездные ассоциации);

П – планетная (планетные  системы, планеты);

Г_е – геологическая (литосфера планет);

Б – биосферная (жизнь);

С – социальная;

К – кибернетическая;

Ф – физическая;

Х – химическая;

М – механическая.

Согласно классификации А.Д.Московченко (1991) форм движения материи, техника будет классифицироваться следующим образом:

1. механическая;
2. физическая;
3. химическая;
4. кибернетическая;
5. космическая (межпланетная, галактическая);
6. геотехника;
7. биотехника.

Общие сведения о Земле, ее внутреннем строении и агрегатном состоянии.

Многие геологические процессы, непосредственно наблюдаемые на земной поверхности имеют явное  глубинное происхождение.

Чтобы правильно понять их, нужно выяснить, чем сложена и как устроена Земля. Однако точных, однозначных сведений по этим вопросам еще нет. О внутреннем строении Земли имеются лишь отдельные гипотетические умозаключения, достоверность которых пока не может полностью гарантироваться. Более детально изучены внешние оболочки Земли: атмосфера и пояса частиц полей (рис.2).

 

Рис. 2. Галактика  в поперечном разрезе (а) и в плане (б). Большая часть материи сосредоточена в центре и в спиральных рукавах, но, кроме того, имеются шарообразные звездные скопления, состоящие из многих звезд, которые образуют сферическое "гало". Приблизительное положение Солнца в Галактике показано крестиком. (Из работ Д. Брауна, А. Массет, 1984).

 

Галактика наша представляет спиралеобразное  образование.

 

Общие параметры Земли.

 

1. Экваториальный радиус (а) -                                             6378,16 км

2. Полярный радиус (с) -                                                        6356,78 км

3. Сжатие планеты абсолютное (а-с) -                                  22 км

4. Площадь земной поверхности  -                                         5,10х10 ¹⁸ см²

5. Объем планеты -                                                                  1,083х10²⁷ см²

6.  Масса    -                                                                              5,976х10²⁷ г

7. Средняя плотность                                                              5,517 г/см³

8. Масса атмосферы -                                                              5,1х10²¹ г

9. Масса гидросферы -                                                            1,4х10²⁴ г

10.Масса земной коры -                                                          2,4х10²⁵ г

11.Масса мантии -                                                                   4,1х10²⁷ г

12.Масса ядра Земли -                                                             1,9х10²⁷ г

13.Давление в центре планеты  -                                             3657 кбар

14.Температура в центре планеты  -                                       4000-6000⁰С ?

15.Средний радиус орбиты -                                                   1,496х10⁸ км

16.Скорость движения по орбите -                                         29,77 км/с.

 

 

Возраст Земли

 

Минимальное значение возраста Земли, определенное радиометрическими методами по древнейшим горным породам, составляет примерно 3,5 млрд.лет.

Максимальные  величины по соотношению урана в  породах Земли составляют 6,0 млрд.лет.

По  отношению изотопов рубидия и  стронция, содержащихся в каменных метеоритах – 4,45 млрд.лет.

По  отношению изотопов свинца в каменных метеоритах – 4,5 млрд. лет, а в земных породах – 5,5 млрд.лет.

Принято считать, что метеориты и Земля  стали существовать как обособленные тела примерно – 4,5-5,0 млрд.лет (рис. 3, 4).

 

Рис. 3. Относительные  размеры Солнца, планет и их спутников. Показаны только семь самых крупных  спутников, остальные выглядели  бы на этой схеме просто точками. Показана ориентировка осей вращения планет (если она известна). Расстояние между телами - не в масштабе. (Плоскости орбит планет приблизительно перпендикулярны плоскости чертежа. – Перев.). (Из работы Д. Брауна, А. Массет, 1984).

Солнце – всего лишь одна из примерно 10¹¹ звезд, относящихся к нашей галактике.

Рис.4. Концентрические зоны Земли. Земная кора имеет толщину 5 - 40 км, мантия - 2900 км, внешнее ядро - 2220 км; радиус внутреннего ядра равен 1255 км. (Д. Браун, А. Массет, 1984)

 

 

 

 

 

 

 

 

Оболочки  Земли.

1. атмосфера;
2. гидросфера;
3. литосфера;
4. техносфера;
5. биосфера.

Атмосфера (от греч. аtmos – пар и sphaira – шар) – газовая (воздушная) среда вокруг Земли, вращающаяся вместе с нею.

Гидросфера (от греч. hydor – вода и сфера) – совокупность всех водных объектов Земли (океанов, морей, озёр, рек, водохранилищ, болот, подземных вод, ледяного и снежного покрова, водных частиц и т.п.).

Литосфера – верхняя твердая оболочка Земли. Мощность литосферы неопределена и колеблется, вероятно, от 50 до 200 км. Мощность верхней её части – земной коры – достигает 30-60 км под континентами и 5-10 км под океанами. На суше – это область развития экосистемы суши.

Биосфера (от греч. bios – жизнь и сфера) – всё живое вещество, динамически охватывающее верхнюю часть литосферы, гидросферу и нижнюю часть атмосферы. 

 

Происхождение Земли

 

По современным данным. Наша Галактика образовалась 8-15 млрд. лет назад.

Звезды, подобные Солнцу, продолжают возникать и в настоящее время  из холодных газопылевых межзвездных  облаков, когда плотность последних возрастает настолько, что они становятся гравитационно неустойчивыми.

Предполагается, что из такого газопылевого, преимущественно водородно-гелиевого облака примерно 4,6-4,5 млрд. лет назад образовалось Солнце.

Планеты возникали путем конденсации  вещества того же облака и одновременно с Солнцем.

Земля и другие планеты первоначально были холодные и однородные, затем произошел разогрев под воздействием:

А) гравитационного уплотнения;

Б) ударов крупных метеоритов;

В) распада радиоактивных элементов.

Разогрелись породы до нескольких тысяч градусов.

Произошло плавление вещества планеты, расслоение по удельному весу с образованием основных геосфер: ядра, мантии, земной коры, гидросферы и атмосферы.

Эти процессы относятся, в основном, к интервалу 4,5-3,5 млрд.лет, но

частично осуществляются и в  наше время: вулканическая деятельность, истечение глубинных растворов и газов.

 

 

 

Рис.5. Земля не имеет  идеальной формы геоида. Ее действительная форма показана жирной линией. На широте бермудского треугольника радиус Земли меньше, чем он должен был бы быть в соответствии с формой геоида. (Из работ З. Кукала,1989).

 

 

 

 

 

 

 

 

Химический состав Земли

Мантия и ядро, составляющие 99% объема Земли, недоступны для непосредственного  изучения.

Общее представление о составе Земли, благодаря исследованиям В.И.Вернадского, А.Е.Ферсмана и В.М.Гольдшмидта было сформировано уже в начале ХХ-го века.

 

Слои Земли

 

Рис. 6. Сектор земного шара.

 

Первоначально было открыто ядро Земли.

Р.Д.Ольдгем в 1906 году обратил внимание на то, что продольные сейсмические волны (волны Р) пересекают Землю  по диаметру и приходят в точку с эпицентральным расстоянием 180⁰ позднее, чем можно было ожидать, считая вещество планеты однородным.

Поперечные сейсмические волны (волны  S) дальше эпицентрального расстояния 103⁰ вообще не проходят. То есть пересечь Землю в диаметральном и субдиаметральном направлениях они не способны.

Из этого следует, что внутри планеты, начиная с глубины 2900 км, располагается жидкое ядро. Внутреннее ядро твердое. Граница между ядром  и мантией носит имя Б.Гутенберга – исследователя, впервые определившего глубину ее положения.

Вторая отчетливая поверхность  раздела внутри Земли располагается на глубинах 10-15 км под океаном и 40-70 км под континентами.

Она открыта югославским геофизиком А.Мохоровичичем в 1909 году и называется “границей Мохоровичича” или сокращенно “Мохо”, или “границей М.”.

Граница разделяет высокоскоростную мантию Земли и сравнительно низкоскоростную верхнюю гипергенную оболочку планеты или земную кору.

 

Таблица №1

Химический состав земной коры (по Ф.Кларку, 1920)

 

Элементы	В процентах по весу
Кислород	50,02
Кремний	25,80
Алюминий	7,30
Железо	4,18
Кальций	3,22
Натрий	2,36
Калий	2,28
Магний	2,08
Прочие	2,76