Лекция 1. Геология – фундаментальная наука о Земле

Предмет и задачи геологии. Геология и человек. Значение геологии для подготовки бакалавров экологии и природопользования. Разделы геологии.

Вопросы для предварительного обсуждения:

1. Как Вы представляете себе науку геологию? Что Вам придется изучать? Напишите несколько геологических понятий, которые, на Ваш взгляд, наиболее полно будут характеризовать ту науку, которую Вам придется изучать.

2. Геология – «гео γῆ» - земля и «логос λόγος» - слово, знание, наука, учение. Геология – наука о Земле (изучает Землю).

География – «гео» - земля и «графос» - письмо. География – наука о Земле (описывает Землю).

Эти термины объясняются очень похоже. Чем геология отличается от географии?

3. Кратко охарактеризуйте следующие понятия, известные Вам со школы:

4. Как Вы думаете, зачем будущим экологам изучать геологию?

5. Где требуется работа геолога?

Строительство зданий, мостов, дорог, гидроузлов и прочих сооружений (что произойдет, если в их создании не будут участвовать геологи?).

Разведка и добыча полезных ископаемых: может ли этот процесс происходить без участия геологов? Почему?.

Проектирование территорий для различных нужд (создание парковых зон, выделение сельско-хозяйственных угодий и т.п.): может ли этот процесс происходить без участия геологов? Почему?

Решение проблемы подземного захоронения ядерных отходов.

Проблема военной геологии с наведенными (антропогенными) катастрофами направленного действия (в местах дислокации армии противника).

Сохранение жизни человека и его среды обитания от грозных явлений природы (вулканические извержения, землетрясения, сели, наводнения, оползни и т.п.). Нужна ли в этой сфере деятельность геологов?

Исследования того, что есть вокруг нас, в том числе и в Космосе – далеком и близком, и какие процессы происходят. Могут ли эти исследования проходить без участия геологов? Почему?.

6. Из чего делают: цемент, охру (краска от бежевых до коричневых тонов), оконное стекло, поваренную соль, инструмент для резки камня?

7. Зачем это все требуется знать экологу?

8. Геология – фундаментальная наука о Земле. Что означает слово «фундаментальная»?

Геология – комплекс наук о составе, строении, истории развития земной коры и размещённых в ней полезных ископаемых. В настоящее время под геологией понимают историю Земли в обширном смысле этого слова, т. е. не только жизнь минеральную нашей планеты и те физические и химические изменения, которые в ней произошли, но и естественную историю всего организованного мира, населяющего земную поверхность.

Геология не только в область естественных наук, но и в обширную область человеческих знаний внесла новый элемент — время, который дает возможность обнять более широким духовным взором экономию природы и показать, как длинен и последователен был путь, которым выработалась окружающая нас природа.

Ниже перечислены разделы геологии.

Геология полезных ископаемых изучает типы месторождений, методы их поисков и разведки.

Гидросфера - раздел геологии, изучающий жидкую оболочку планеты.

Геохимия - раздел геологии, изучающий химический состав Земли, процессы, концентрирующие и рассеивающие химические элементы в различных сферах Земли.

Геофизика - раздел геологии, изучающий физические свойства Земли, включающая также комплекс разведочных методов: гравиразведка, сейсморазведка, магниторазведка, электроразведка различных модификаций и пр.

Изучением Солнечной системы занимаются следующие разделы геологии: космохимия, космология, космическая геология и планетология.

Минералогия - раздел геологии, изучающий минералы, вопросы их генезиса, квалификации. Изучением пород, образованных в процессах, связанных с атмосферой, биосферой и гидросферой Земли, занимается литология. Эти породы не совсем точно называются ещё осадочными горными породами[1]. Многолетнемёрзлые горные породы приобретают ряд характерных свойств и особенностей, изучением которых занимается геокриология.

Литология - раздел геологии, изучающий породы, образованные в процессе, связанными с атмосферой, биосферой и гидросферой Земли.

Петрология - раздел геологии, изучающий происхождение горных пород.

Петрография - раздел геологии, изучающий происхождение горных пород, образованных при высоких температурах и давлениях.

Геобаротермометрия — наука, изучающая комплекс методов определения давления и температур образования минералов и горных пород.

Земля — «живая», активно меняющаяся планета. В ней происходят движения, различающиеся по масштабу на многие порядки..

Структурная геология - раздел геологии, изучающий нарушения земной коры.

Микроструктурная геология - раздел геологии, изучающий деформацию пород на микроуровне, в масштабе зёрен минералов и агрегатов.

Геодинамика - наука, изучающая процессы самого планетарного масштаба в результате эволюции Земли. Она изучает связь процессов в ядре, мантии и земной коре.

Тектоника - раздел геологии, изучающий движение Земной коры.

Историческая геология - отрасль геологии, изучающая данные о последовательности важнейших событий в истории Земли. Все геологические науки в той или иной степени имеют исторический характер, рассматривают существующие образования в историческом аспекте и занимаются в первую очередь выяснением истории формирования современных структур. История Земли делится на два крупнейших этапа — эона, по появлению организмов с твёрдыми частями, оставляющих следы в осадочных породах и позволяющих по данным палеонтологии провести 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 докембрия 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 организмов.

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.

Геохронология - раздел геологии, определяющий возраст пород и минералов.

Основные принципы геологии

Геология — наука историческая, и важнейшей её задачей является определение последовательности геологических событий. Для выполнения этой задачи с давних времён разработан ряд простых и интуитивно очевидных признаков временных соотношений пород.

Интрузивные взаимоотношения представлены контактами интрузивных пород и вмещающих их толщ. Обнаружение признаков таких взаимоотношений (зоны закалки, даек и т. п.) однозначно указывает на то, что интрузия образовалась позже, чем вмещающие породы.

Секущие взаимоотношения также позволяют определить относительный возраст. Если разлом рвёт горные породы, значит он образовался позже, чем они.

Ксенолиты [2] и обломки попадают в породы в результате разрушения своего источника, соответственно они образовались раньше вмещающих их пород, и могут быть использованы для определения относительного возраста.

Принцип актуализма постулирует, что геологические силы, действующие в наше время, аналогично работали и в прежние времена. Джеймс Хаттон сформулировал принцип актуализма фразой «Настоящее — ключ к прошлому».

Утверждение не совсем точное. Понятие «сила» — понятие не геологическое, а физическое, к геологии имеющее опосредованное отношение. Правильнее говорить о геологических процессах. Выявление сил, сопровождающих эти процессы, могло бы стать главной задачей геологии, чего, к сожалению, нет.
«Принцип актуализма» (или метод актуализма) являются синонимом метода «аналогии». Но метод аналогии не является методом доказательства, он является методом формулирования гипотез и, следовательно, все закономерности, полученные методом актуализма, должны были бы пройти процедуру доказательства их объективности.
В настоящее время принцип актуализма стал тормозом в развитии представлений о геологических процессах.

Принцип первичной горизонтальности утверждает, что морские осадки при образовании залегают горизонтально.

Принцип суперпозиции заключается в том, что породы находящиеся в не нарушенном складчатостью и разломами залегании, следуют в порядке их образования, породы залегающие выше моложе, а те которые находятся ниже по разрезу — древнее.

Принцип финальной сукцессии постулирует, что в одно и то же время в океане распространены одни и те же организмы. Из этого следует, что палеонтолог, определив набор ископаемых остатков в породе, может найти одновременно образовавшиеся породы.

Лекция 2. Планета Земля в космическом пространстве

Образование Вселенной. Солнечная система, ее строение и происхождение. Форма и размеры Земли, ее орбитальное движение и осевое вращение. Строение Земли. Внешние и внутренние оболочки Земли. Строение земной коры, мантии, ядра. Состав и состояние вещества земной мантии и ядра.

Геологическая история Земли начинается примерно 20 миллиардов лет назад с момента Большого взрыва и образования Вселенной.

Вселенная (Космос, Природа) – это весь материальный, энергетический и информационный мир.

Теория расширяющейся Вселенной, или Большого Взрыва, впервые была создана в России в 1922 г. А. А. Фридманом

Исходно Вселенная представляла собой сингулярность (это не вещество и не энергия).

Сингулярность в физике — точка пространства, содержащая бесконечное (либо очень большое) количество энергии или материи (например, космологическая сингулярность — состояние Вселенной в начальный момент Большого взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества). Время отсутствовало.

После Взрыва температура и плотность начали уменьшаться.

Модель «горячей» Вселенной:

Через 0,01 секунду после взрыва, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны и некоторые другие частицы. При этом могли осуществляться обратимые реакции (аннигиляция):

е^- + е⁺ → 2γ (электрон + позитрон → 2 кванта энергии - фотоны). Эта смесь существовала 8 секунд после взрыва (равновесное состояние).

Затем это равновесие (симметрия) нарушились и возникли нуклоны: протоны и нейтроны.

Через 3 минуты из нуклонов образовалась смесь ядер легких химических элементов (2/3 водорода и 1/3 гелия).

Впоследствии из этого дозвездного вещества образовались остальные химические элементы (в результате ядерных реакций).

Эта Модель «горячей» Вселенной была создана Г.Гамовым

Найдены свидетельства Большого Взрыва:

Разбегание галактик: Все галактики и звезды удаляются от нас, а самые далекие из них движутся с большей скоростью. (Эдвин Хаббл, 1929). Открытие сделано на основе эффекта Допплера. Реликтовое излучение. (Американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон, 1964). Что же такое реликтовое излучение? Согласно теории большого Взрыва Вселенная возникла приблизительно 14 млрд. лет назад в результате грандиозного взрыва, создавшего пространство и время, всю материю и энергию, которые нас окружают. Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения, названного инфляцией, которая радикально изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тыс. лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало этy среду, и, когда темпеpaтypa упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов. Так же в результате расширения первоначальное излучение стало куда менее интенсивным, но не пропало совсем. Именно его и обнаружили будущие нобелевские лауреаты.
Реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную, и, если мы могли бы видеть микроволны, все небо пылало бы с поразительно одинаковой яркостью во всех направлениях. Эта однородность является одной из главных причин, по которой это излучение считают теплом, оставшимся от Большого Взрыва. Но как может локальный источник создать подобную однородность? Оказывается, этому способствует сам процесс расширения пространства. Чтобы наглядно понять, как это происходит, представьте себе такую большую и очевидную неоднородность, как гора Джомолунгма. Теперь начните мысленно растягивать эту гору в ширину, оставляя высоту неизменной. Если как следует постараться и растянуть ее в ширину, скажем, на миллион километров, то получится почти идеально плоская поверхность - перепад высот в 8 км (высота горы) будет практически незаметен на таком колоссальном масштабе. Именно это и происходит при расширении пространства после большого Взрыва - все неоднородности сглаживаются. Но возникшие после инфляции крошечные изменения в плотности материи в ранней Вселенной должны были оставить отпечаток на реликтовом излучении в форме температурных колебаний от точки к точке.

Далее сформировались огромные газовые облака, которые через 1 миллиард лет своего существования начали под воздействием гравитации сжиматься.

Так формировались звезды и их гигантские скопления – галактики.

Любая звезда возникает в результате коллап­са космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структу­ры приведет к очень высоким температурам, в центре «сгустка» на­чинаются ядерные реакции, т. е. происходит превращение Н₂ в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звез­да начинает светиться:

4H → He

_______ _______

4,03252 4,00389

Четыре протона в атомных единицах весят - 4,03252. Но хорошо известно, что ядро атома гелия в тех же единицах весит 4,00389. Дефект массы равен 0,02863. Это вещество превращается в колоссальное количество энергии.

В таком случае ежесекундная потеря Солнцем 4 600 000 г. массы

Поскольку потеря массы в ходе превращения водорода в гелий составляет 0,73% всей массы сливающегося водорода, ежесекундная потеря 4 600 000 т массы означает, что каждую секунду 630 000 000 т водорода превращаются в гелий.

Эта модель лишь иллюстрирует процесс всеобщего расширения нашего трехмерного пространства. Две любые точки раздувающейся сферы убегают друг от друга, причем чем более они удалены, тем выше скорость разлетания.