ГЕОЛОГИЯ
ГЕОЛОГИЯ, наука о
строении и истории развития Земли.
Основные объекты исследований –
горные породы, в которых запечатлена
геологическая летопись Земли, а
также современные физические процессы
и механизмы, действующие как
на ее поверхности, так и в недрах,
изучение которых позволяет понять,
каким образом происходило развитие
нашей планеты в прошлом.
Земля постоянно
изменяется. Некоторые изменения
происходят внезапно и весьма
бурно (например, вулканические извержения,
землетрясения или крупные наводнения),
но чаще всего – медленно (за
столетие сносится или накапливается
слой осадков мощностью не
более 30 см). Такие перемены не
заметны на протяжении жизни
одного человека, но накоплены
некоторые сведения об изменениях
за продолжительный срок, а при
помощи регулярных точных измерений
фиксируются даже незначительные
движения земной коры. Например,
таким образом установлено, что территория
вокруг Великих озер (США и Канада) и Ботнического
залива (Швеция) в настоящее время поднимается,
а восточное побережье Великобритании
– опускается и затапливается.
Однако значительно
более содержательная информация
об этих изменениях заключается
в самих горных породах, представляющих
собой не просто совокупность
минералов, а страницы биографии
Земли, которые можно прочесть,
если владеть языком, которым
они написаны.
Такая летопись
Земли весьма продолжительна. История
Земли началась одновременно
с развитием Солнечной системы
примерно 4,6 млрд. лет назад. Однако
для геологической летописи характерны
фрагментарность и неполнота,
т.к. многие древние породы
были разрушены или перекрыты
более молодыми осадками. Пробелы
должны восполняться посредством
корреляции с событиями, происходившими
в других местах и о которых
имеется больше данных, а также
методом аналогий и выдвижением
гипотез. Относительный возраст
пород определяется на основании
комплексов содержащихся в них
ископаемых остатков, а отложений,
в которых такие остатки отсутствуют,
– по взаимному расположению
тех и других. Кроме того, абсолютный
возраст почти всех пород может
быть установлен геохимическими
методами. См. также РАДИОУГЛЕРОДНОЕ
ДАТИРОВАНИЕ.
Геологические
дисциплины.
Геология выделилась
в самостоятельную науку в
18 в. Современная геология подразделяется
на ряд тесно взаимосвязанных
отраслей. К ним относятся: геофизика,
геохимия, историческая геология, минералогия,
петрология, структурная геология, тектоника,
стратиграфия, геоморфология, палеонтология,
палеоэкология, геология полезных ископаемых.
Существуют также несколько междисциплинарных
областей исследований: морская геология,
инженерная геология, гидрогеология, сельскохозяйственная
геология и геология окружающей среды
(экогеология). Геология тесно связана
с такими науками, как гидродинамика, океанология,
биология, физика и химия.
ПРИРОДА ЗЕМЛИ
Кора, мантия и
ядро.
Бóльшая часть сведений
о внутреннем строении Земли получена
косвенно на основании интерпретации
поведения сейсмических волн, которые
регистрируются сейсмографами.
В недрах Земли
установлены два основных рубежа,
на которых происходит резкая
смена характера распространения
сейсмических волн. Один из них,
с сильной отражающей и преломляющей
способностью, расположен на глубине
13–90 км от поверхности под
материками и 4–13 км – под
океанами. Он называется границей
Мохоровичича, или поверхностью Мохо (М),
и считается геохимической границей и
зоной фазового перехода минералов под
влиянием высокого давления. Эта граница
разделяет земную кору и мантию. Второй
рубеж находится на глубине 2900 км от поверхности
Земли и соответствует границе мантии
и ядра (рис. 1). См. также ЗЕМЛИ СТРОЕНИЕ.
Температуры.
На основании
того, что из вулканов извергается
расплавленная лава, сложилось представление,
что недра Земли раскалены.
По результатам температурных
измерений в шахтах и нефтяных
скважинах установлено, что с
глубиной температура земной
коры непрерывно повышается. Если
бы такая тенденция сохранялась
вплоть до ядра Земли, то
его температура составила бы
ок. 2925° С, т.е. значительно превышала бы
точки плавления обычно встречающихся
на земной поверхности пород. Однако на
основании данных о распространении сейсмических
волн считается, что бóльшая часть недр
Земли находится в твердом состоянии.
Решение вопроса
о температуре земных недр, тесно
связанной с ранней историей
Земли, имеет большое значение,
но до сих пор он остается
дискуссионным. Согласно одним
теориям, Земля первоначально
была раскаленной, а затем остыла,
согласно другим – первоначально
была холодной, а затем разогрелась
под действием тепла, генерируемого
в процессе распада радиоактивных
элементов и высокого давления
на глубине.
ГЕОЛОГИЯ
Земной магнетизм.
Обычно считается,
что магнитное поле создается
внутри Земли, однако механизм
его возникновения недостаточно
ясен. Магнитное поле не может
быть результатом постоянной
намагниченности железного ядра
Земли, поскольку температура
уже на глубине нескольких
десятков километров значительно
ниже точки Кюри – температуры,
при которой вещество утрачивает
свои магнитные свойства. Кроме
того, гипотеза постоянного магнита
в фиксированном положении противоречит
отмечаемым изменениям магнитного
поля в настоящее время и
в прошлом.
Остаточная намагниченность
сохраняется в осадочных и
вулканических породах. Частички
магнетита, осаждающиеся в спокойных
водоемах, а также магнитные минералы
в лавовых потоках при температуре
ниже точки Кюри остывают и
ориентируются по направлению
силовых линий локального магнитного
поля, существовавшего во время
образования пород. Палеомагнитные
исследования горных пород позволяют
установить положение магнитных
полюсов, которые существовали
во время осадконакопления и
оказывали воздействие на ориентировку
магнитных частиц. Полученные результаты
свидетельствуют о том, что
либо магнитные полюса, либо участки
земной коры со временем существенно
меняли свое положение по отношению
к оси вращения Земли (первое
представляется маловероятным). Имеются
также веские доказательства
того, что материки перемещались
относительно друг друга. Например,
положения магнитного полюса, определенные
по палеомагнитным данным для
пород одного и того же возраста
в Северной Америке, Европе
и Австралии, пространственно
не совпадают. Эти факты подтверждают
гипотезу, согласно которой материки
образовались из единого праматерика
в результате его деления на отдельные
части и последующего их раздвижения.
См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ.
Гравитационное
поле Земли.
Гравитационными
исследованиями установлено, что
земная кора и мантия под
воздействием дополнительных нагрузок
прогибаются. Например, если земная
кора всюду имела бы одинаковую
мощность и плотность, то следовало
бы ожидать, что в горах (где
масса пород больше) действовала
бы бóльшая сила притяжения, чем на равнинах
или в морях. Однако примерно с середины
18 в. было замечено, что гравитационное
притяжение в горах и вблизи них меньше
предполагаемого (если допустить, что
горы представляют собой просто дополнительную
массу земной коры). Этот факт объяснялся
наличием «пустот», которые интерпретировались
как разуплотнившиеся при нагревании
породы или как соляное ядро гор. Такие
объяснения оказались несостоятельными,
и в 1850-х годах были предложены две новые
гипотезы.
В соответствии
с первой гипотезой, земная
кора состоит из блоков пород
разных размеров и плотности,
плавающих в более плотной
среде. Основания всех блоков
располагаются на одном уровне,
а блоки, характеризующиеся низкой плотностью,
должны быть большей высоты, чем блоки,
имеющие высокую плотность. Горные сооружения
принимались за блоки низкой плотности,
а океанические бассейны – высокой (при
одинаковой общей массе тех и других).
Согласно второй
гипотезе, плотность всех блоков
одинакова и плавают они в
более плотной среде, а различная
высота поверхности объясняется
их разной мощностью. Она известна
как гипотеза горных корней, поскольку
чем выше блок, тем глубже он погружен
во вмещающую среду. В 1940-х годах были получены
сейсмические данные, подтверждающие
представление об утолщении земной коры
в горных областях. См. также ТЯГОТЕНИЕ
(ГРАВИТАЦИЯ).
Изостазия.
Всякий раз,
когда на земную поверхность
поступает дополнительная нагрузка
(например, в результате осадконакопления,
вулканизма или оледенения), земная
кора прогибается и проседает,
а когда эта нагрузка снимается
(в результате денудации, таяния
ледниковых покровов и пр.), земная
кора поднимается. Этот компенсационный
процесс, известный как изостазия,
вероятно, реализуется посредством
горизонтального переноса масс в
пределах мантии, где может происходить
периодическое расплавление материала.
Установлено, что некоторые участки побережья
Швеции и Финляндии за последние 9000 лет
поднялись более чем на 240 м, главным образом
вследствие таяния ледникового покрова.
Поднятые побережья Великих озер в Северной
Америке сформировались также в результате
изостазии. Несмотря на действие таких
компенсационных механизмов, крупные
океанические впадины и некоторые дельты
обнаруживают значительный дефицит массы,
в то время как некоторые районы Индии
и Кипр – существенный ее избыток.
Вулканизм.
Происхождение
лавы.
В некоторых
районах земного шара магма
во время вулканических извержений
изливается на земную поверхность
в виде лавы. Многие вулканические
островные дуги, по-видимому, связаны
с системой глубинных разломов.
Центры землетрясений располагаются
примерно на глубине до 700 км
от уровня земной поверхности,
т.е. вулканический материал поступает
из верхней мантии. На островных
дугах он часто имеет андезитовый
состав, а поскольку андезиты
по своему составу сходны с
континентальной земной корой,
многие геологи считают, что
континентальная кора в этих
районах наращивается за счет
поступления мантийного вещества.
Вулканы, действующие
вдоль океанических хребтов (например,
Гавайского), извергают материал
преимущественно базальтового состава.
Эти вулканы, вероятно, сопряжены
с мелкофокусными землетрясениями,
глубина которых не превышает
70 км. Поскольку базальтовые лавы
встречаются как на материках,
так и вдоль океанических хребтов,
некоторые геологи предполагают,
что непосредственно под земной
корой существует слой, из которого
поступают базальтовые лавы. См.
также ВУЛКАНЫ.
Однако неясно,
почему в одних районах из
мантийного вещества образуются
и андезиты, и базальты, а в
других – только базальты. Если,
как теперь полагают, мантия действительно
является ультраосновной породой
(т.е. обогащена железом и магнием),
то лавы, произошедшие из мантии,
должны иметь базальтовый, а
не андезитовый состав, поскольку
минералы андезитов отсутствуют
в ультраосновных породах. Это
противоречие разрешает теория
тектоники плит, согласно которой
океаническая кора поддвигается
под островные дуги и на
определенной глубине плавится.
Эти расплавленные породы и
изливаются в виде андезитовых
лав.
Источники тепла.
Одной из нерешенных
проблем проявления вулканической
активности является определение
источника тепла, необходимого
для локального плавления базальтового
слоя или мантии. Такое плавление
должно быть узколокализованным,
поскольку прохождение сейсмических
волн показывает, что кора и
верхняя мантия обычно находятся
в твердом состоянии. Более
того, тепловой энергии должно
быть достаточно для плавления
огромных объемов твердого материала.
Например, в США в бассейне
р.Колумбия (штаты Вашингтон и Орегон)
объем базальтов более 820 тыс. км3; такие
же крупные толщи базальтов встречаются
в Аргентине (Патагония), Индии (плато Декан)
и ЮАР (возвышенность Большое Кару). В настоящее
время существуют три гипотезы. Одни геологи
считают, что плавление обусловлено локальными
высокими концентрациями радиоактивных
элементов, но такие концентрации в природе
кажутся маловероятными; другие предполагают,
что тектонические нарушения в форме сдвигов
и разломов сопровождаются выделением
тепловой энергии. Существует еще одна
точка зрения, согласно которой верхняя
мантия в условиях высоких давлений находится
в твердом состоянии, а когда вследствие
трещинообразования давление падает,
она плавится и по трещинам происходит
излияние жидкой лавы. См. также ВУЛКАНИЗМ.
Геохимия и
состав Земли.
Определение химического
состава Земли является трудной
задачей, поскольку ядро, мантия
и бóльшая часть коры недоступны для непосредственного
опробования и наблюдений и делать выводы
приходится на основе интерпретации косвенных
данных и аналогий.
Земля как гигантский
метеорит.
Предполагают, что
метеориты представляют собой
обломки ранее существовавших
планет, по своему составу и
строению имевших сходство с
Землей. Существует несколько типов
метеоритов. Наиболее известны и
довольно часто встречаются железные
метеориты, состоящие из металлического
железа и железо-никелевых сплавов,
которые, как полагают, составляли ядра
существовавших планет и по аналогии должны
быть идентичны земному ядру по плотности,
составу и магнитным свойствам.