Реферат: Геология как наука
Геология является комплексной наукой, в ее состав входят многочисленные, зачастую разноплановые, дисциплины.
Химический состав Земли, процессы, концентрирующие и распыляющие химические элементы в различных сферах Земли, являются предметом геохимии. Земную кору – верхнюю твердую оболочку Земли слагают различные генетические типы горных пород (магматические, осадочные и метаморфические), состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Изучая такую иерархию – химические элементы - минералы - горные породы, можно судить о строении земной коры в различных структурных зонах. Ниже рассматриваются все указанные части вещественного состава земной коры.
Химические изменения в земной коре определяются преимущественно геохимической историей главных породообразующих элементов, содержание которых составляет свыше 1%. Вычисления среднего химического состава земной коры проводились многими исследователями как за рубежом (Ф. Кларк, Г.С. Вашингтон, В.М. Гольдшмидт, Ф.Тейлор, В. Мейсон и др.), так и в Советском Союзе (В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, А.П. Виноградов, А.А. Ярошевский и др.).
Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы – непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме – лавовых потоках. Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150-200 км.
Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы и другие, физические и химические исследования – рентгеноструктурные, спектрографические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.
2. Назначение и сфера исследования геологических наук
Физические свойства планеты Земля и изучением её физическими методами занимается геофизика. Земля в основном состоит из минералов. Изучением минералов, вопросами их генезиса, классификации и определения занимается минералогия. Минералы образуют горные породы. Описанием и классификацией горных пород занимается петрография, а изучением их происхождения наука петрология. Земля – «живая», активно меняющаяся планета. В ней происходят движения, различающиеся по масштабу на многие порядки. Процессами самого крупного, планетарного масштаба занимается геодинамика. Она изучает связь процессов в ядре, мантии и земной коре. Движения земной коры в меньшем масштабе, на уровне блоков земной коры изучает тектоника. Структурная геология занимается изучением, описанием и моделированием важнейших нарушений земной коры – разломов и складок. Микроструктурная геология изучает деформацию пород на микроуровне – в масштабе зёрен минералов и агрегатов.
Все геологические науки в той или иной степени имеет исторический характер, рассматривают существующие образования в историческом аспекте и занимаются в первую очередь выяснением истории формирования современных структур. Данные о последовательности важнейших событий в истории Земли обобщает историческая геология. История Земли делится на два крупнейших этапа – эона, по появлению организмов с твёрдыми частями, оставляющих следы в осадочных породах и позволяющих по данным палеонтологии 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 животных. 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.
Различные отрасли геологии изучают принципы протекания геологических процессов. Геологические процессы видоизменяют земную кору и ее поверхность, приводя к разрушению и одновременно созданию горных пород. Экзогенные процессы обусловлены действием силы тяжести и солнечной энергии, а эндогенные – влиянием внутреннего тепла Земли и гравитации. Все процессы взаимосвязаны между собой, а их изучение позволяет использовать метод актуализма для познания геологических процессов далекого прошлого.
Геология полезных ископаемых изучает типы месторождений, методы их разведки и поиска. Отдельной наукой является геология горючих полезных ископаемых – нефти, горючего газа, угля.
Лозунг геологов «Mente et Malleo» – «умом и молотком». Молоток как главное орудие геологов остался в прошлом веке, сейчас на первый план выходит теоретическое мышление, что требует синтеза геологии с другими естественными, а также точными науками. Давно уже никто не открывает месторождений на ощупь, сначала нужно понять, как формируются месторождения и где их искать, а затем уже устраивать дорогостоящие экспедиции, разведку и бурение. В последние десятилетия геологи выработали методы на основе точных наук – математики, химии, физики – эффективно применять которые позволила новая теория, объединившая различные направления геологии. Мобилизм, или теория движения литосферных плит, о котором подробнее будет рассказано ниже, дал колоссальный толчок развитию геологии и был сразу воспринят российскими учеными.
В 1972 году на симпозиуме в США ученые многих стран впервые увидели на геофизических разрезах, как плита Наска движется под южноамериканский континент и на ее изломе находятся очаги землетрясений, которые постоянно сотрясают Чили. Места, где плита погружается в мантию, зоны субдукции, очень опасны в сейсмическом отношении, но они также порождают крупные месторождения полезных ископаемых. Испанцы XVI века могли не заботиться о поиске золота, серебра и платины, они просто вывозили их из Центральной и Южной Америки галеонами, пока не кончилось все, что было на поверхности. Геолог XXI века действует иначе, он ищет древние зоны субдукции, потому что там возможны крупные месторождения драгоценных металлов. Руды Камчатки и Средней Азии именно такого происхождения.
Новые теории соединяют фундаментальные науки и геологию, увязывая между собой направления, прежде развивавшиеся каждое по своей внутренней логике: геохимию, геофизику и поисковую геологию. Теперь стало возможным создавать действительно глобальные концепции внутреннего строения Земли, этапов ее развития. Хотелось бы подробнее рассмотреть здесь эволюцию взглядов на причины протекания геологических процессов и формирования поверхности Земли.
В морфологическом плане крупнейшие элементы земной поверхности - континенты и океанические впадины. В свою очередь, в строении каждого из них тоже присутствуют неоднородности. И континенты, и океаны разделяются на области активного тектонического развития - геосинклинали и стабильного развития - платформы. У каждой области мы отмечаем свой набор геологических формаций и последовательность в их образовании, формы залегания осадочных толщ, проявление магматизма и метаморфизма.
3. Сущность геотектонических гипотез
На разных этапах развития геологических знаний ученые пытались найти причину таких различий и на основе известных причинно-следственных связей создать гипотезу, объясняющую различие и особенности в строении и развитии земной коры. Такие гипотезы называют геотектоническими.
Первая гипотеза возникла во второй половине XVIII века и получила название гипотезы поднятий. Ее предложили М.В. Ломоносов, немецкие ученые А. фон Гумбольдт и Л. фон Бух, шотландец Дж. Хаттон.
Суть гипотезы в следующем – поднятия гор вызваны подъемом из глубин Земли расплавленной магмы, которая на своем пути оказывала раздвигающее действие на окружающие слои, приводившее к образованию складок, пропастей разной величины. Ломоносов впервые выделил два типа тектонических движений – медленные и быстрые, вызывающие землетрясения.
В середине XIX века на смену этой гипотезе пришла гипотеза контракции французского ученого Эли де Бомона. В ее основе была космогоническая гипотеза Канта и Лапласа о происхождении Земли как первоначально раскаленного тела с последующим постепенным охлаждением. Этот процесс приводил к уменьшению объема Земли, и в результате Земная кора сжималась, и возникали складчатые горные сооружения подобные гигантским «морщинам». Для своего времени это была прогрессивная гипотеза, достоинством которой является разработка учения о геосинклинальном, орогенном и платформенном этапах развития земной коры. Но с позиций этой гипотезы было трудно объяснить, почему смятие происходит в определенных зонах, и почему этот процесс был периодическим.
В середине XIX века англичанин Д. Эйри и священник из Калькутты Д. Пратт открыли закономерность в положениях аномалий силы тяжести – высоко в горах аномалии оказывались отрицательными, т.е. обнаруживался дефицит массы, а в океанах аномалии были положительными. Чтобы объяснить это явление предложили гипотезу, согласно которой земная кора плавает на более тяжелом и вязком субстрате и находится в изостатическом равновесии, которое нарушается действием внешних радиальных сил.
Эта гипотеза, не имея широкого самостоятельного значения, тем не менее, в части движения земной коры по субстрату легла в основу другой геотектонической гипотезы.
Космогоническую гипотезу Канта-Лапласа сменила гипотеза О.Ю. Шмидта о первоначальном твердом, холодном и однородном состоянии Земли. Возникла необходимость иного подхода в объяснении формирования земной коры. Такую гипотезу предложил В.В. Белоусов. Называется она радиомиграционная. Суть этой гипотезы:
1. Основной энергетический фактор – радиоактивность. Разогрев Земли с последующим уплотнением вещества происходил благодаря теплу радиоактивного распада. Радиоактивные элементы на начальных этапах развития Земли распределялись равномерно, и поэтому разогрев был сильным и повсеместным.
2. Нагревание первичного вещества и его уплотнение привело к разделению магмы или ее дифференциации на базальтовую и гранитную. В последней концентрировались радиоактивные элементы. Как более легкая, гранитная магма «всплывала» в верхнюю часть Земли, а базальтовая погружалась вниз. При этом происходила и температурная дифференциация. В то время как, верхняя гранитная часть остывала и кристаллизовалась, внутренняя часть за счет внутреннего разогрева расширялась, воздействовала на твердую оболочку и та начинала растрескиваться. По образовавшимся трещинам устремлялись лавы. Это приводило к потере энергии и охлаждению подкоровых областей. В местах наибольшего охлаждения происходило сжатие, земная кора прогибалась, и зарождались геосинклинали. В результате каждого геосинклинального цикла внедрялись гранитные магмы, и с ними происходила миграция радиоактивных элементов в верхнюю часть земной коры. Следствием этого явилось постепенное охлаждение внутренних частей Земли, которое привело к переходу от активных тектонических движений к более спокойным, т.е. от геосинклинального состояния к платформенному.
Недостатком этой гипотезы можно считать то, что с ее позиций трудно объяснить периодичность и синхронность тектонических процессов. Устранить этот недостаток должна была гипотеза пульсации. Согласно этой гипотезе Земля периодически испытывает периоды расширения, сменяющиеся периодами сжатия. В периоды расширения развиваются вертикальные движения, появляются разрывы в земной коре, интенсивно проявляется магматизм. В периоды сжатия происходит складкообразование, затухает магматизм.
Если проанализировать перечисленные гипотезы, то можно отметить для них общее:
1. Преобладание вертикальных (или радиальных) тектонических движений в процессе формирования земной коры.
2. Признание стабильного (фиксированного) положения отдельных частей земной коры относительно подстилающей мантии.