Геология

ГЕОЛОГИЯ

Учебное пособие для студентов средних

специальных учебных заведений обучающихся

по специальностям 130503 «Разработка

и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

и 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин»

ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ

«ИН-ФОЛИО»

УДК 26.325.4я723

ББК 553.98(075.32)

Л17

Лазарев В.В.

Геология: учеб. пособие для СПО / В.В. Лазарев. — Вол-

­гоград: Издательский Дом «Ин-Фолио», 2010. — 384 с: илл.

Учебное пособие составлено в соответствии с примерной программой по дисциплине Геология для студентов техникумов и колледжей, обучающих­ся по специальности 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений» и 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Изложены основные положения по изучению основ общей геологии, ми­нералогии и петрографии, исторической и структурной геологии, геологии нефти и газа, поиска и разведки, нефтегазопромысловой геологии.

Данное учебное пособие может быть полезно и при изучении других дис­циплин, связанных с добычей нефти и газа, а также для освоения рабочих профессий нефтяного профиля.

УДК 26.325.4я723

ББК 553.98(075.32)

IЗВN978-5-903826-32-2 ©Лазарев В.В., 2010

© Издательский Дом «Ин-Фолио». 2010

© Оформление, Издательский Дом «Ин-Фолио», 2010

ВВЕДЕНИЕ

Геология - наука о земле

Геология — это наука о строении Земли, ее происхождении и раз­витии. Геология изучает: положение (позицию) планеты Земля во Вселенной; строение Земли; процессы, происходящие в ее недрах и на поверхности; основы кристаллографии, минералогии, петро­графии и геохимии; основы исторической и структурной геоло­гии, гидрогеологии, инженерной геологии, геологии месторожде­ний нефти и газа; методы поисковых и разведочных работ, их ста­дийность; нефтепромысловую геологию; геолого-промысловый контроль за разработкой залежей; шахтную геологию; охрану недр и окружающей среды. При изучении геологических проблем при­влекаются также данные геофизики, физики, химии, астрономии, геодезии, биологии, физической географии и др.

Геологические знания имеют большое практическое и познава­тельное значение. Они позволяют;

• осуществлять поиски и разведку месторождений полезных ис­копаемых;

• обеспечивать промышленность необходимыми видами мине­рального сырья;

• изучать свойства недр для строительства зданий, сооружений, дорог, подземных хранилищ;

• устанавливать функциональные законы развития органиче­ского и неорганического мира;

• выявлять и находить пути предотвращения опасных явлений и процессов в окружающей среде.

Разделы геологии

Каждая геологическая наука (раздел геологии), имея общую цель - изучение Земли, в то же время решает свои задачи:

Кристаллография — наука о внутреннем строении вещества, кри­сталлических формах и кристаллохимических связях.

Минералогия — изучает минералы (минералы — вещества с устой­чивым составом и внутренним строением), их химический состав, строение, свойства, условия образования, применение в промыш­ленности.

Петрография — наука о горных породах (устойчивых ассоциаций минералов), которая рассматривает минеральный состав пород, их происхождение, формы залегания, связь с месторождениями полез­ных ископаемых.

Гидрогеология — изучает подземные воды, их состав, происхо­ждение, условия залегания, законы движения.

Геохимия — наука о распределении химических элементов в зем­ной коре, их миграции (перемещении), рассеянии и концентрации,

участии в процессах рудообразования, формировании загрязнения окружающей среды.

Геофизика и геофизические науки — изучает физические явления и процессы, протекающие в Земле и ее оболочках, разрабатывает ме­тоды поиска и разведки месторождений полезных ископаемых и на­блюдения за состоянием окружающей среды (мониторинг): гравиме­трия — изучает поле силы тяжести; магнитометрия — магнитное поле Земли; сейсмология — поля упругих колебаний; радиометрия — иони­зационное излучение; электроразведка — электрические поля.

Историческая геология — изучает историю и закономерности раз­вития Земли, земной коры, изменения ее поверхности, атмосферы, гидросферы и биосферы.

Палеонтология — биологическая наука, изучающая по ископае­мым останкам организмов и следам их жизнедеятельности историю растительного и животного мира Земли.

Стратиграфия — раздел исторической геологии, рассматриваю­щий историческую последовательность образования слоев осадоч­ных, вулканических и других горных пород.

Геотектоника и структурная геология — изучает внутреннее стро­ение земной коры, формы залегания горных пород, их образование и развитие во времени и пространстве.

Геоморфология — изучает рельеф нашей планеты и его связь с ге­ологическим строением земной коры.

Инженерная геология — наука о свойствах горных пород и грун­тов, процессах, происходящих в них под воздействием природных и техногенных факторов.

Геология нефти и газа — изучает их состав, свойства, закономер­ности миграции и образования залежи, свойства пород-коллекторов, типы и формы их залегания, физику пласта, пластовые давления и температуру, ВНК и ГНК, состав, строение и местоположение не­фтегазоносных провинций.

Шахтная и рудничная геология — изучает геологические и инже­нерно-геологические и гидрогеологические условия в пределах участков разрабатываемых месторождений полезных ископаемых.

Геоэкология (экологическая геология) — изучает опасные геологи­ческие процессы и явления в окружающей среде.

История развития геологии как науки

Как наука геология стала оформляться во второй половине XVII] века. В это время делаются попытки объяснить происхождение Все­ленной и Земли (научные работы французского естествоиспытателя Ж. Бюффона, немецкого философа И. Канта, выдающегося русско­го ученого М.В. Ломоносова).

Значительным событием периода становления геологии в Рос­сии был выход в свет работ М. В. Ломоносова «Слово о рождении ме­таллов от трясения Земли» (1757 г.) и «О слоях земных» (1763 г.).

Развитию прикладного (практического) направления геологии в России способствовали геологические экспедиции 1768—1773 гг., организованные по замыслу М.В. Ломоносова (пять экспедиций), перед ними стояла задача: описание природных ресурсов России.

В 1755 г. в Москве по инициативе М.В. Ломоносова был открыт университет, а в 1773 г. в Санкт-Петербурге было образовано горное училище (ныне Санкт-Петербургский горный институт). В Герма­нии широкой известностью пользовалась Фрейбергская горная ака­демия (Саксония). Профессор академии А.Г. Вернер (1750—1817 гг.) и его ученики сыграли большую роль в популяризации геологиче­ских знаний в Западной Европе. Ученый дал правильное объясне­ние происхождению осадочных пород и попытался разделить их по возрасту.

В 1869 г. Д.И. Менделеев открыл периодический закон химиче­ских элементов, оказавший влияние на развитие химических мето­дов в геологии.

Научные открытия и практические исследования расширили круг вопросов, изучаемых геологией, и способствовали появлению новых отраслей геологических знаний. В начале XX столетия появляются ге­охимия, гидрогеология, геофизические науки, геоморфология. Даль­нейшее развитие получают геотектоника, стратиграфия, минерало­гия. Основное внимание ученые уделяют изучению строения Земли и ее оболочек, практические приложения геологии широко исполь­зуются при обнаружении и разработке месторождений полезных ис­копаемых.

Бурное развитие теоретической и практической геологии в Рос­сии и странах СНГ началось после революции 1917 года. Плано­мерное геологическое изучение территории СССР сопровождалось открытиями многочисленных месторождений полезных ископае­мых, в том числе и крупнейших нефтегазовых провинций.

Неоценимый вклад в освоение нефтяных и газовых месторож­дений внес ученый И.М. Губкин (1871—1939 гг.). Его исследова­тельские работы «Учение о нефти», «Урало-Волжская нефтеносная область» способствовали открытию Западно-Уральских, Западно- Сибирских и других месторождений нефти и газа.

В настоящее время геологи изучают глубины Земли, Мирового океана, исследуют Землю из космоса, широко используют компью­терную технику. Появились новые отрасли геологических знаний — морская и космическая геология, планетология, геоинформатика, ге­оэкология и другие.

Роль геологии в развитии нефтяной промышленности

Состояние развития нефтяной промышленности страны, как и любой другой сырьевой отрасли индустрии, зависит от целого ряда

факторов, и прежде всего, природного характера, т. е. от наличия сы­рьевой базы, ее количественной и качественной характеристики.

Всего в пределах России выделяется 14 нефтегазоносных про­винций. Лишь четыре из них имеют развитую нефтяную промыш­ленность и оказывают огромное, а подчас и определяющее влия­ние на общее экономическое состояние региона. К ним относят­ся Западно-Сибирская, Волго-Уральская, Тимано-Печорская и Северо-Кавказская провинции (провинции перечислены в соответ­ствии с их значимостью в настоящее время). Значимость провинций определяется наличием в них и количеством крупных месторожде­ний.

Натерритории России выявлено в обшей сложности 65 месторож­дений. Их начальные извлекаемые запасы — более 100 млн. т. В тече­ние нескольких десятилетий, по мере накопления опыта разработки старых и освоения новых крупных месторождений в регионах Волги, Урала и Западной Сибири, они развивались и совершенствовались с максимальным учетом особенностей геологического строения объ­ектов разработки и условий залегания в них углеводородов.

Разработка недр России ведется почти 150 лет. Добыча нефти за это время составила 13,7 млрд. т, из них около 45% добыто за по­следние 12 лет. Накопленная добыча нефти по крупным и уникаль­ным месторождениям России составляет 9,3 млрд. т, из которых 6,2 млрд. т добыто из девяти месторождений с начальными извлека­емыми запасами более 300 млн. т. Только из двух месторождений, Самотлорского и Ромашкинского, входящих в десятку крупнейших месторождений мира, добыто 4,1 млрд. т нефти.

Все большее число крупнейших и уникальных высокопродук­тивных месторождений вступает в позднюю стадию разработки. Из 58 месторождений рассматриваемого типа в 29 (в половине из них), выработка начальных извлекаемых запасов превысила 50%. В их число входят все крупнейшие месторождения Волго-Уральской провинции и 17 месторождений Западной Сибири. Все нефтя­ные месторождения на поздней стадии разработки превращаются в сложно построенные объекты, зачастую с трудно извлекаемыми запасами, что требует их рационального извлечения в современных экономических условиях.

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ГЕОЛОГИИ

Земля и Вселенная

1.1.1. Солнечная система

В состав Солнечной системы входят звезда Солнце, планеты, вращающиеся вокруг него, естественные спутники этих планет, мел­кие космические тела, называемые астероидами, кометы, метеори­ты, пыль и газ в рассеянном состоянии. Диаметр Солнечной систе­мы около 12 млрд. км.

В центре Солнечной системы расположено Солнце — ближайшая к Земле звезда. В нем сосредоточено 99,86% массы вещества Солнеч­ной системы. Наше Солнце — это раскаленная водородно-гелиевая газовая сфера, слегка разбавленная примесью всех остальных хими­ческих элементов. Источником энергии Солнца служат постоянно протекающие на нем ядерные реакции. Солнце излучает огромное количество энергии, однако до планет доходит лишь малая ее часть.

Вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, близким к окруж­ностям, вращаются девять планет с запада на восток. Ближе всех к Солнцу расположена орбита Меркурия, далее следуют орбиты Ве­неры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона. Планеты не обладают способностью самосвечения из-за недостаточ­но высокой температуры.

Планеты Солнечной системы подразделяются на внутренние — планеты земного типа и внешние. К внутренним — относятся ближай­шие к Солнцу — Меркурий. Венера, Земля и Марс, к внешним — осталь­ные. Внутренние и внешние планеты сильно отличаются по плотности и массе, так как внутренние состоят из твердых материалов, имеют вы­сокую плотность (4,00—5,62 г/см¹) и небольшую массу. А внешние, на­оборот, отличаются низкой плотностью (0,71—2,47 г/см³) и значитель­ной массой, что свидетельствует об их газовом составе.

Различия средних плотностей внутренних планет объясняются неодинаковым химическим составом, разным соотношением сили­катного и металлического материалов. Ближайшие к Солнцу плане­ты отличаются более высоким содержанием металлического железа. На основании этого ученые делают вывод, что по мере удаления от Солнца степень окисления железа возрастала.

Вокруг большинства планет, за исключением Меркурия, Венеры и Плутона, вращаются естественные спутники, характеризующиеся значительно меньшими, чем их планеты, размерами.

Астероиды представляют собой небольшие космические тела не­правильной формы. Самый крупный из них, астероид Церера, име­ет в поперечнике 770 км, остальные — до нескольких километров. В Солнечной системе насчитывается свыше 1600 астероидов, при­чем подавляющее большинство их образует так называемый Пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпитера.

Кометы (хвостатые звезды) состоят из ядра, комы и хвоста. Ядро образовано протопланетным веществом, окруженным снегом и льдом, загрязненными пылью. Оно окружено светящейся обо­лочкой — комой, в состав которой входят сильноразреженные газы и пыль. Ядро и кома представляют собой голову кометы, которая движется вокруг Солнца по сильно вытянутой орбите. С приближе­нием к Солнцу от головы кометы отделяется ионный хвост, который формируется под воздействием солнечного ветра.

Метеориты — это тела, залетающие в атмосферу Земли из кос­мического пространства. По составу метеориты разделяют на камен­ные, железо-каменные и железные. Наиболее часто на поверхность Земли выпадают каменные метеориты — хондриты, состоящие из зернышек размером 1 мм и менее, называемых хопдрами. Ахондрито- вые метеориты подобны земным изверженным породам.

Наибольший интерес представляют малораспространенные углистые хондриты, содержащие продукты взаимодействия сили­катов с водой, а также органические соединения. Ученые полагают, что углистые хондриты с самой низкой плотностью (2,2 г/см³) наи­более близки к тому протопланетному веществу, из которого воз­никли планеты и астероиды.

1.1.2. Галактика

Солнечная система является частью более крупной системы, на­зываемой звездным скоплением. Оно, в свою очередь, представляет собой составную часть еще более крупной системы звезд, звездных скоплений и ассоциаций, газовых и пылевых туманностей, отдель­ных атомов и частиц, рассеянных в межзвездном пространстве, на­зываемое — Галактикой. В состав нашей Галактики входят звездные скопления Млечного Пути. В нем насчитывается более сотни мил­лиардов звезд. Он представляет собой гигантское спиралеобразное скопление звезд в форме линзы. Солнце — сравнительно небольшая по размерам звезда. Его масса в 2,3 раза меньше массы средней звез­ды Галактики.

Расстояние между звездами измеряется в световых годах. Свето­вой год — это путь, пройденный светом за один год. В поперечнике размер Галактики достигает 100 тыс. световых лет.

Тела каждой звездной системы связаны силами взаимного при­тяжения и имеют общее движение в пространстве. Все тела, входя­щие в состав Галактики, движутся вокруг ее оси, проходящей через центральную часть Млечного Пути, в созвездии Стрельца. Полный оборот вокруг оси Галактика совершает более чем за 200 млн. лет.

1.1.3. Строение Вселенной

В настоящее время твердо установлено, что Вселенная состоит из галактик, подобно нашей, объединенных в скопления и сверхско­пления. Галактики и их скопления удаляются друг от друга, обуслов­ливая расширение Вселенной. Скорость разлета галактик возраста­ет с увеличением расстояния между ними. Рассчитано, что от начала расширения Вселенной нас отделяет 10 млрд. лет. До этого ее веще­ство находилось в горячем состоянии в виде почти однородной рас­ширяющейся плазмы. К такому выводу ученые пришли в результа­те открытия в 60-х годах реликтового высокотемпературного элек­тромагнитного излучения, оставшегося от начала расширения Все­ленной. Революционным с точки зрения познания Вселенной сле­дует считать установление советскими учеными, возглавляемыми В.А. Любимовым (1980 г.), факта отличия от нуля массы покоя элек­тронных нейтрино. Полученная величина 6* 10 ³² г еще подлежит тщательной проверке, однако это открытие уже сейчас позволи­ло астрофизикам следующим образом представить гипотезу разви­тия и строения Вселенной с учетом тяготения нейтрино (И. Нови­ков, 1980 г.).

В первые мгновения расширения плазмы под действием грави­тационной неустойчивости в ней образовались случайные малень­кие сгустки. Уже через секунду снижение плотности расширяющихся сгустков позволило нейтрино, обладавшим в этот период огромной энергией, вылетать из них с околосветовой скоростью. Это приве­ло к сглаживанию образующихся неоднородностей в распределении нейтрино. Такое сглаживание могло иметь место до тех пор, пока скорость нейтрино позволяла им вылетать из расширяющихся сгуст­ков. Ученые оценивают этот период в 300 лет, а размеры участков, на которых произошло выравнивание, соответственно в 300 свето­вых лет. Падение скорости нейтрино на больших расстояниях не по­зволило им покинуть пределы расширяющихся сгустков. Нейтрино скапливались в них, а сами сгустки усиливались тяготением, уплот­нялись, расширялись, тем самым давая начало отдельным облакам из нейтрино. Естественно, масса этих облаков в сфере радиусом 300 световых лет при указанной выше массе покоя нейтрино составит 10 ¹⁶ солнечных масс, что почти в 30 раз больше общей массы всех скоплений галактик, оцениваемой в 3 • 10¹³ солнечных масс.

Академик Я.Б. Зельдович убедительно доказал, что возникаю­щие подобным образом облака должны были быть сплюснутыми, по форме напоминающие блины. Хаотично располагаясь в простран­стве, невидимые нейтринные облака — «блины» создают ячеистую структуру, влияющую на формирование пространственных структур обычного вещества Вселенной, т.е. галактик, их скоплений, сверх­скоплений.

Первоначально обычное вещество Вселенной (кроме нейтрино) представляло собой горячую плазму. Расширяясь, плазма охлажда-

лась и постепенно превращалась в нейтральный газ. К концу перво­го миллиона лет с начала расширения давление в нейтральном газе упало, и дальнейшая его эволюция происходила под влиянием поля тяготения возникающих нейтринных облаков. Нейтральный газ стя­гивался к их центральной части, постепенно сгущался, тем самым давая начало будущим звездам, галактикам и их скоплениям. Так как масса и средняя плотность последних во Вселенной в 30 раз меньше этих же параметров электронных нейтрино, то расположение и дви­жение галактик и их скоплений должно определяться невидимыми нейтринными облаками.

Действительно, наблюдениями советских астрономов во главе с Я.Э. Эйнасто и ряда американских ученых установлено, что ско­пления и сверхскопления галактик во Вселенной сосредоточены в тонких слоях, имеющих ячеистую структуру, что согласуется с ги­потезой об ее связи с ячеистой структурой нейтринных облаков.

Изучение квантов реликтового излучения позволило установить однородность Вселенной на участках с размерами в сотни миллио­нов световых лет. Это в свою очередь дало ответ на одну из принци­пиальных проблем: крупнейшей структурной единицей Вселенной является сверхскопление галактик с размерами в десятки миллио­нов световых ле г.

1.1.4. Методы изучения Вселенной

Современная наука значительно расширила возможности позна­ния Вселенной, существенно увеличилась и техническая оснащен­ность, что позволяет комплексно изучать космическое простран­ство.

Изучение метеоритов

Метеориты являются великолепным материалом для изучения Вселенной, так как по их составу можно судить об ее веществе. Ис­следование метеоритов показало, что они состоят из тех же самых элементов, что и Земля. Этот факт служит ярким подтверждением единства материи во Вселенной.

Изучение метеоритов раздвигает границы наших познаний о внутреннем строении Земли, поскольку они являются обломками разных частей космических тел. Метеориты несут весьма ценную информацию об истории возникновения планет Солнечной систе­мы. По данным ядерной хронологии, их возраст, равный примерно 4,5—4,6 млрд. лет, почти совпадает с возрастом Земли.

Изучение космического пространства

с помощью телескопов и радиотелескопов

Мощные телескопы дают возможность фотографировать кос­мические тела и отдельные участки неба, в комплексе с различны­ми приборами позволяют определять светимость, температуру, ре-

льеф космических тел и т. п. С помощью телескопов изучают спек­тры светил, их изменение, а по характеру спектра делают выводы о движении космических тел, химическом составе их вещества, типе реакций, протекающих в них. Значительно расширило возможности познания Вселенной применение радиотелескопов.

Изучение космического пространства с помощью

искусственных спутников, космических станций и кораблей

Начало этому виду изучения космического пространства было положено 4 октября 1957 г., когда в Советском Союзе впервые в мире на околоземную орбиту был выведен искусственный спутник Земли. 12 апреля 1961 г. гражданин Советского Союза Ю. Гагарин первым совершил космический полет вокруг Земли на пилотируе­мом корабле «Восток». Еще через несколько лет советский космо­навт А. Леонов впервые вышел в открытый космос.

В Советском Союзе впервые в мировой практике были успеш­но осуществлены полет автоматического космического аппара­та «Луна-16» на другое небесное тело и возвращение его на Землю. Долгое время на Луне работал автоматический аппарат «Луноход-1», который позволил установить общий тип пород, слагающих поверх­ность лунного моря, исследовать характер распространенности мел­ких кратеров и камней. В результате успешной работы автоматиче­ской станции «Луна-20» решена задача взятия грунта из труднодо­ступного материкового района Луны.

С помощью советских автоматических станций получены цен­ные сведения об атмосфере Венеры. Впервые осуществлена мягкая посадка космического аппарата на поверхность Марса, а станции «Марс-2» и «Марс-3» стали искусственными спутниками Марса. За время полета по орбитам они передали большой объем информации о физических особенностях планеты и окружающего ее космическо­го пространства.

Особо ценную информацию дал лунный грунт, доставленный на Землю советскими автоматическими станциями и американски­ми космонавтами. Материал поверхности Луны несет на себе от­печатки как первичных процессов, приведших к образованию ма­теринских горных пород, так и последующих воздействий, многие из которых отсутствуют на поверхности Земли. Однако вследствие своих особенностей Луна во многих отношениях оказалась «закон­сервированной» в течение длительного геологического времени, поэтому можно ожидать, что на Луне найдут отражение процессы, сходные с процессами, происходившими на ранних этапах форми­рования Земли.

Новой страницей в изучении Космоса и Земли явились беспри­мерные исследования советских космонавтов на космических стан­циях типа «Салют». Фотографирование различных районов нашей страны с помощью многофокусных аппаратов позволило внести

коррективы в тектоническое районирование, наметить перспектив­ные участки для поисков полезных ископаемых, изучить с помошыо снимков характер созревания хлебов, сохранность лесонасаждений и т.п. Наши космонавты проводили исследования по выращиванию кристаллов, характеризующихся уникальными свойствами; прово­дили эксперименты по пайке материалов, не поддающихся этому на Земле; вели наблюдение за жизнедеятельностью микроорганизмов в условиях невесомости; осуществляли с помощью специальных ап­паратов астрономические наблюдения и т.п. Стыковка с «Салю­том-6» транспортных кораблей, дозаправка его двигателей и своев­ременная корректировка орбиты позволили создать на орбите прото­тип космической станции по изучению космоса.

1.1.5. Гипотеза образования планет Солнечной системы

С давних пор проблема образования Земли и Солнечной систе­мы в целом привлекала к себе внимание выдающихся ученых. Реше­нием ее занимались И. Кант, П. Лаплас, Д. Джине, советские уче­ные—академики О.Ю. Шмидт, В. Г. Фесенков, А.П. Виноградов и др. Предложенные ими гипотезы отражали достигнутый к тому времени уровень знаний, однако окончательного решения этой проблемы не получено до сих пор. В свете современных научных достижений ги­потеза образования Солнечной системы сводится к следующему.

В пределах нашей Галактики, вблизи ее экваториальной пло­скости, располагался неоднородный газопылевой диск, состоящий из медленно вращающихся газопылевых облаков. В состав обла­ков входили преимущественно атомы водорода, за счет увеличения плотности которых и могло происходить их образование. Плотность атомов водорода в таком облаке достигает 1000 атом/см³, что в 10 ООО раз превышает их плотность в нормальном межзвездном простран­стве Галактики. Наряду с водородом в состав облака могли входить углерод, азот, кислород, микронные пылевидные частицы. Внутри облаков происходит хаотическое, турбулентное движение вещества.

С увеличением размера и плотности облако под действием сил тяготения начинает сжиматься. Гравитационное сжатие почти всей массы первично холодного облака (— 220 °С) ведет к уплотнению его до состояния Протосолнца. В центре последнего становятся воз­можными термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением в виде взрыва огромного количества энергии и вещества. По мнению акад. А.П. Виноградова, из выброшенного около 5,5 млрд. лет назад взрывами вещества вокруг Протосолнца образовалось горячее плаз­менное облако (протопланетное облако). На первом этапе формиро­вания планет происходило охлаждение протопланетного облака, по­теря газов в космическое пространство и конденсация части его ве­щества в твердые частицы. Первыми конденсировались наиболее ту­гоплавкие химические элементы: вольфрам, титан, молибден, пла­тина и др., а также их окислы. Таким образом, раскаленное газовое

вещество вновь превращалось в холодное газопылевое облако. Про- топланетное облако с течением времени теряло энергию в результа­те столкновения «пылинок». Происходило его уплощение, движение вещества в нем упорядочивалось, становилось близким к круговому. Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденсации пы­левидного вещества образовался широкий кольцеобразный диск, ко­торый распадался на отдельные холодные кучности вещества — рои твердых частиц газа. Они взаимодействовали друг с другом, смеши­вались, соударялись, сращивались, подвергаясь космическому облу­чению. Происходило образование отдельных фаз вещества, главным образом силикатов, железо-никелевого металлического сплава, суль­фидов и т.п. В результате агломерации этих фаз возникли каменные и другие метеориты. Этот же процесс стяжения холодного вещества протопланетного облака привел к образованию и протопланет Сол­нечной системы около 5 млрд. лет назад. Сформировавшись как ге­ологическое тело, Протоземля еще не стала планетой. Она являлась холодным скоплением космического вещества, однако именно с это­го времени начинается ее до геологическая эволюция.

Под влиянием таких факторов, как удары метеоритных тел, гра­витационное уплотнение и выделение тепла радиоактивными эле­ментами, начался разогрев верхних частей Протоземли. Сначала плавилось железо, затем силикаты. Это привело к возникновению здесь пояса жидкого железа. Вследствие дифференциации вещества «более легкий силикатный материал должен был всплыть наверх, а тяжелый металл сконцентрироваться в центре планеты. Вязкие, преимущественно силикатные массы образовали первичную ман­тию Земли, а металлические массы — ее ядро. Так, по-видимому, около 4,6 млрд. лет назад сформировалась планета Земля.

Внутренние планеты, расположенные ближе к Солнцу, образо­вались путем конденсации высокотемпературной фракции, богатой железом. Чем дальше от Солнца, тем меньше у планет содержание металлического материала. Так, Меркурий на 2/3 состоит из метал­лического железа, а Марс — на 1/4. В астероидальном кольце фор­мировались преимущественно хондритовые астероиды, в которых возрастало содержание низкотемпературной фракции. И, наконец, главной составной частью внешних планет являются газы, почти це­ликом состоящие из неразделенного солнечного вещества.

1.1.6. Специальные термины

Астероиды — небольшие космические тела неправильной формы.

Галактика — крупная система звезд, звездных скоплений и т.д., рассеянных в межзвездном пространстве.

Квазары — огромные неустойчивые сверхзвезды, окруженные оболочкой из разряженного газа.

Кометы — хвостатые звезды

Метагалактика — галактики, объединенные в гигантскую систе­му галактик.

Метеориты — тела, залетающие из космического пространства.

Световой год — путь, пройденный светом за один год.

Хондриты — каменные метеориты.

Контрольные вопросы

1. Что входит в состав Солнечной системы?

2. Почему планеты Солнечной системы не светятся как Солнце?

3. У каких планет Солнечной системы нет естественных спутни­ков?

4. Между орбитами каких планет расположен пояс астероидов?

5. Что называется астероидом, метеоритом, кометой?

6. Состав метеоритов?

7. Что входит в состав нашей Галактики?

8. В чем измеряется расстояние между звездами?

9. Из чего состоит Вселенная?

10. В чем проявляется расширение Вселенной?

11. Когда образовались протопланеты Солнечной системы?

12. Когда сформировалась планета Земля как геологическое тело?

13. Из каких элементов состоят метеориты?

14. Что позволяют определить телескопы и радиотелескопы?

15. Когда и где был выведен на околоземную орбиту первый в мире искусственный спутник Земли?

1.2. Общая характеристика Земли

1.2.1. Форма и размеры Земли

На основании наблюдений за удаляющимся и приближающим­ся кораблем древние философы пришли к заключению, что Земля — правильный шар. В конце XVII в. французскими учеными было за­мечено, что часы в приэкваториальной части Южной Америки идут медленнее, чем в Париже, на 2,5 мин в сутки. Значит, влияние силы тяжести на маятник в Париже и на экваторе различное. И. Ньютон объяснил это явление тем, что Земля сплюснута у полюсов и име­ет форму эллипсоида вращения — сфероида. Впервые сжатие Земли (отношение разницы между длинами экваториального и полярного радиусов к длине экваториального радиуса) определил Ф. Бессель в 1841 г. По его расчетам, оно равно 1/299,2.

Размеры и форма Земли определены советскими учеными Ф.А. Красовским и др. Согласно их измерениям, форма Земли представ­ляет собой эллипсоид вращения с длиной экваториального радиуса 6378,245 км и полярного радиуса 6356,863 км. Осью вращения слу­жит малая полярная ось. Сжатие Земли составляет 1/298,3; площадь ее поверхности 510 100 934 км²; объем 1083 819 780 000 км³. Для ге

одезических и картографических работ на территории СССР при­няты размеры эллипсоида Красовского. Однако эллипсоид Кра- совского лишь теоретически описывает поверхность Земли. Топо­графическая поверхность ее с высочайшими горными вершинами и глубокими океанскими впадинами имеет значительные отклоне­ния от поверхности эллипсоида вращения. Наиболее близка к топо­графической поверхности Земли поверхность, которая может быть получена, если мысленно продолжить уровень Мирового океана под материками. Тело, описанное такой поверхностью, свойствен­но только фигуре Земли и называется геоидом. Поверхность геои­да во всех точках перпендикулярна к направлению силы тяжести, вследствие чего ускорения силы тяжести в этих точках одинаковы. Для получения возможно меньших отклонений поверхности геоида от поверхности сфероида необходимо сфероид правильно ориенти­ровать внутри геоида. Сфероид, ориентированный таким образом, называется референц-эллипсоидом.

1.2.2. Понятие о массе и плотности Земли

Знание массы Земли позволяет определить массу Солнца, других планет Солнечной системы, Галактики и т.п.

Наиболее точными измерениями установлено, что масса Зем­ли равна 5,98.1027 г. Чтобы определить среднюю плотность Земли, достаточно ее массу разделить на объем. Средняя плотность Земли 5,517 г/см³. Так как плотность пород, залегающих на поверхности Земли и на глубинах, достигнутых бурением, не превышает 3—3,3 г/см³, то на больших глубинах плотность вещества должна дости­гать 12 г/см³.

1.2.3. Магнетизм Земли

У Земли есть магнитное поле, причины существования которо­го не установлены. Магнитное поле имеет два магнитных полюса и магнитную ось. Положение магнитных полюсов не совпадаете по­ложением географических. Магнитные полюсы расположены в Се­верном и Южном полушариях несимметрично относительно друг друга. В связи с этим линия, соединяющая их, — магнитная ось Зем­ли — образует с осью ее вращения угол до 11 °.

Магнетизм Земли характеризуется магнитной напряженностью, склонением и наклонением. Магнитная напряженность измеряется в эрстедах.

Магнитным склонением называется угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиана в данном месте. Посколь­ку магнитная стрелка указывает направление магнитного меридиа­на, то магнитное склонение будет соответствовать углу между маг­нитным и географическим меридианами. Склонение может быть восточным и западным. Линии, соединяющие на карте одинако-

вые склонения, называются изогонами. Изогона склонения, равно­го нулю, называется нулевым магнитным меридианом. Изогоны ис­ходят из магнитного полюса, расположенного в Южном полушарии, и сходятся в магнитном полюсе, находящемся в Северном полушарии.

Магнитным наклонением называется угол наклона магнитной стрелки к горизонту. Линии, соединяющие точки с равным наклоне­нием, называются изоклинами. Нулевая изоклина называется маг­нитным экватором. Изоклины, подобно параллелям, вытягиваются в широтном направлении и изменяются от 0 до 90°.

Плавный ход изогон и изоклин в некоторых местах земной по­верхности довольно резко нарушается, что связано с существовани­ем магнитных аномалий. Источниками таких аномалий могут слу­жить крупные скопления железных руд. Самая крупная магнитная аномалия — Курская. Магнитные аномалии могут быть вызваны так­же разрывами в земной коре — сбросами, взбросами, в результате чего происходит соприкосновение пород с различными магнитны­ми характеристиками и т.п. Магнитные аномалии широко использу­ются для поиска месторождений полезных ископаемых и изучения строения недр.

Величины магнитных напряженностей, склонений и наклоне­ний испытывают суточные и вековые колебания (вариации).

Суточные вариации вызываются солнечными и лунными воз­мущениями ионосферы и проявляются больше летом, чем зимой, и больше днем, чем ночью. Гораздо значительнее интенсивность вековых вариаций. Считается, что они обусловлены изменениями, происходящими в верхних слоях земного ядра. Вековые вариации в разных географических точках различны. Внезапные, длящиеся несколько суток, магнитные колебания (магнитные бури) связаны с солнечной активностью и наиболее интенсивно проявляются в вы­соких широтах.

1.2.4. Теплота Земли

Земля получает тепло из двух источников: от Солнца и из соб­ственных недр. Тепловое состояние поверхности Земли почти пол­ностью зависит от нагрева ее Солнцем. Однако под влиянием мно­гих факторов происходит перераспределение солнечного тепла, попавшего на поверхность Земли. Различные точки земной по­верхности получают неодинаковое количество тепла вследствие наклонного положения оси вращения Земли относительно пло­скости эклиптики.

Для сравнения температурных условий введены понятия о сред­несуточных, среднемесячных и среднегодовых температурах на от­дельных участках поверхности Земли. Наибольшие колебания тем­ператур испытывает верхняя толща Земли. Вглубь от поверхности суточные, месячные и годовые колебания температур постепенно

уменьшаются. Толща земной коры, в пределах которой породы ис­пытывают влияние солнечного тепла, называется гелиотермической зоной. Глубина этой зоны варьирует от I до 30 м. Под гелиотермиче­ской зоной располагается пояс постоянной температуры, где сезон­ные колебания температуры не сказываются. В районе Москвы он находится на глубине 20 м.

Ниже пояса постоянной температуры расположена зона гео­термии. В этой зоне происходит повышение температуры с глуби­ной за счет внутренней теплоты Земли — в среднем на 1 °С каждые 33 м. Этот интервал глубин называется геотермической ступенью. Прирост температуры при углублении внутрь Земли на 100 м назы­вается геотермическим градиентом. Величины геотермической ступе­ни и градиента обратно пропорциональны и различны для разных районов Земли. Их произведение — величина постоянная и равна 100. Если, например, ступень равна 25 м, то градиент равен 4°С. Раз­личия в величинах геотермической ступени могут быть обусловле­ны разной радиоактивностью и теплопроводностью горных пород, гидрохимическими процессами в недрах, характером залегания гор­ных пород, температурой подземных вод, удаленностью от океанов и морей.

Величина геотермической ступени изменяется в широких преде­лах. В районе Пятигорска она равна 1,5 м, Ленинграда — 19,6 м, Мо­сквы — 38,4 м, в Карелии — более 100 м, в районе Поволжья и Баш­кирии — 50 м и т.д. Главным источником внутренней теплоты Земли является радиоактивный распад веществ, сосредоточенных в основ­ном в земной коре. Предполагают, что теплота в ней увеличивает­ся в соответствии с геотермической ступенью до глубины 15—20 км. Глубже происходит резкое возрастание величины геотермической ступени. Специалисты считают, что температура в центре Земли не превышает 4000 °С. Если бы величина геотермической ступени со­хранилась одинаковой до центра Земли, то температура на глубине 900 км равнялась бы 27 000°С, а в центре Земли достигла бы пример­но 193 000 °С.

1.2.5. Специальные термины

Геоид — геометрическая фигура Земли, ограниченная уровнем Мирового океана, мысленно продолженным под материками.

«Вечная мерзлота» — зона многолетнемерзлых пород — пояс (зона) постоянной температуры, где среднегодовая температура ниже 0°С.

Вариации — изменения (часто колебательные).

Гелиотермическая зона — толща земной коры, в пределах которой породы испытывают влияние солнечного тепла.

Геотермическая ступень — глубина, на которую нужно опустить­ся, чтобы температура повысилась на один градус.

Геотермический градиент — прирост температуры при углублении на каждые 100 м

Зона (пояс) постоянной температуры — зона земной коры, в кото­рой не сказываются колебания поверхностных температур.

Изогоны — линии, соединяющие на карте одинаковые магнитные склонения.

Изодинамы — линии, соединяющие на карте точки с одинаковым значением магнитной напряженности.

Изоклины — линии, соединяющие точки на карте с одинаковым магнитным наклонением.

Магнитное наклонение — угол наклона магнитной стрелки к го­ризонту.

Магнитное склонение — угол отклонения магнитной стрелки от географического меридиана.

Магнитные аномалии — нарушение плавного хода изогон и изо­клин в некоторых местах земной поверхности.

Магнитные бури — внезапные, длящиеся несколько суток маг­нитные колебания, связанные с солнечной активностью.

Магнитный экватор — нулевая изоклина.

Нулевой магнитный меридиан - изогона склонения, равного нулю.

Референц-эллипсоид — сфероид, правильно ориентированный внутри геоида.

Сфероид — эллипсоид вращения.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается поверхность геоида от эллипсоида и сфероида?

2. Какие параметры имеет магнитное поле Земли?

3. Чем характеризуется магнетизм Земли?

4. Почему появляются магнитные аномалии?

5. Для чего используется знание месторасположения магнитных аномалий?

6. Из каких источников получает Земля тепло?

7. Какие показатели введены для сравнения температуры на от­дельных участках поверхности Земли?

8. Что является источником внутренней теплоты Земли?

9. Чем обусловлены различия в величинах геотермической сту­пени?

10. Как распределить термические зоны и пояса в земной коре, начиная с поверхности?

1.3. Строение Земли

Земля состоит из оболочек различной плотности, концентриче­ски располагающихся вокруг центрального ядра.

Внешние оболочки — атмосфера и гидросфера — самые легкие, они составляют ничтожную долю массы планеты. Основную ее часть составляют земная кора, мантия и ядро.

Особая сфера Земли, населенная организмами, получила назва­ние биосферы. Она охватывает часть атмосферы, непосредственно прилегающую к поверхности Земли (преимущественно тропосферу), всю гидросферу и поверхностные слои земной коры не более 3 км.