Что есть геология?

От автора

Данная работа ориентирована на широкий круг читателей, в большей степени на школьников (их родителей) и людей, интересующихся геологией. Надеюсь Вам, дорогой читатель, геология поможет выбрать интересующее направление в науке или поможет полезно скоротать время.

Некоторым специалистам в своей отрасли она необходима для карьерного роста и лучшего понимания своей специальности. Буду очень рад, если вы начнете изучение данной дисциплины после прочтения этой книги.

Итак, начнем погружение в волшебный мир, окружающий нас каждый день!

Введение

Геология – это целый ряд научных дисциплин, изучающих окружающий нас мир. Она относится к фундаментальным наукам (изучает природу), но включает в себя и множество прикладных дисциплин.

Естественно, вы понимаете, что те же поиски полезных ископаемых относятся к прикладной (практической) области, а изучение закономерностей таяния ледников – к фундаментальной (теоретической).

Круг объектов исследования геологии не ограничивается изучением поверхностных явлений и горных пород на Земле. Геологи рассматривают процессы и явления, начиная с изучения кристаллического строения минералов и заканчивая изучением Солнечной системы и объектов за ее пределами.

Откуда мы берем информацию

Сегодня никого не удивишь, сказав, что Земля «круглая» или что температура в ядре нашей планеты достигает 6 000 оС (что примерно соответствует температуре на поверхности Солнца). Никто даже не удивится, если вы скажете, что на месте Уральских гор раньше было теплое море или жизнь на Земле возникла более 3,5 млрд. лет тому назад.

Действительно, много удивительных открытий на сегодняшний день являются обыденностью. Но откуда мы знаем, что это не выдумки фантастов, что Африка действительно разделяется на две части, а Тихий океан подныривает под Евразию.

В первую очередь мы наблюдаем некоторые явления «вживую». Например, издревле люди замечали, что океан не плоский, а немного закругляется, а корабли, приходящие из моря, появляются не сразу – а словно выходят из него. А флот под командованием Фернана Магеллана и вовсе совершил кругосветное путешествие вокруг Земли, которое закончилось в 1522 году.

Великий российский ученый М.В. Ломоносов, наблюдавший морские ракушки на Альпах, сделал выводы, что на месте гор, когда то был океан. И сегодня наблюдения также занимают ведущее место в научном познании. Астронавты видят планеты из открытого космоса, а астрономы наблюдают их в телескопе.

Однако, наблюдения в последнее время совершенствуются. Теперь их проводят с помощью различной аппаратуры: те же микроскопы и теодолиты, фотоаппараты и мощные телескопы.

Чтобы заглянуть вглубь недр предпринимались попытки глубокого бурения скважин. Так самая глубокая скважина в мире находится на территории России (Мурманская область) на Кольском полуострове и имеет глубину более 12 км. Частицы породы, которые были доставлены с той глубины, значительно помогли в изучении Земли. Но радиус планеты равен приблизительно 6 400 км, что во много раз больше длины Кольской сверхглубокой скважины.

Таким образом, можно говорить о глубинности методов исследований. Другой немаловажный метод – сейсмика. Ее глубинности достаточно, чтобы достать до ядра планеты (6400 км), но данный метод является косвенным методом изучения недр.

Представьте себе, что вам необходимо измерить глубину колодца: вы, как юный инженер, бросаете в него камень и засекаете время, через которое услышите звук, подтверждающий, что камень приземлился. Зная ускорение (g=9,8 м/c2), с которым падает камень и время падения, вы с легкостью установите глубину колодца с некоторой точностью.

Также и сейсмологи: после крупных землетрясений мощные колебания Земли распространяются до больших глубин и отражаются от каждого слоя планеты. Скорости распространения волн различны в разных средах, соответственно и время, пока волна отразится и вернется различно. Некоторые границы Земли имеют резкие черты отличия слагающих толщ, что хорошо заметно на чувствительной сейсмической аппаратуре.

Данные методы не являются единственными, однако все они бесполезны без грамотных специалистов, которые сумеют правильно сынтерпретировать полученные результаты. Полученную информацию из различных источников важно собрать и увязать в едином ключе.

Планета Земля

Ни для кого не секрет, что наша Земля является планетой. Иначе говоря, она летит с невероятной скоростью, рассекая космическое пространство. Говоря о том, что Земля «круглая», многие имеют ввиду не плоскую фигуру – круг, а круглое сечение планеты. Потому что наша планета имеет форму шара, она шарообразная.

Хотя, на самом деле, Земля – далеко не идеальный шар. Если же не принимать во внимание многочисленные горные хребты и океанические впадины, а также другие воздымания и опускания рельефа различных форм, то математики называют форму Земли трехосным эллипсоидом.

Именно модель трехосного эллипсоида используется для различных математических вычислений астрономами. Однако геологи придумали свое особое название формы Земли – геоид. Поэтому, если вас спросят какой формы Земля, можно смело ответить: «Земля имеет форму геоида».

Наверняка каждый из вас знает, что Земля вращается не только вокруг Солнца, но и вокруг своей оси. Каждый оборот планеты вокруг Солнца обуславливает календарный год, а вокруг оси – продолжительность суток.

Однако не все знают, что при вращении Земля то отдаляется от Солнца, то вновь приближается – пик отдаления Земли от Солнца соответствует январю, а приближения – июню. То есть чем дальше мы от Солнца, тем холоднее.

Но не стоит думать, что Солнце приносит лишь пользу: не будь у Земли электромагнитного защитного поля, солнечная радиация сожгла бы всё на поверхности. Выходит, то же явление, что вращает стрелку компаса, защищает нашу планету от гибели. Точнее защищает жизнь её обитателей.

Откуда же у Земли электромагнитное поле? На сегодняшний день считается, что середина нашей планеты – ядро – вращается относительно остальной части планеты, что приводит к возникновению того самого поля. Чтобы разобраться в этом вопросе подробнее, обратимся к строению Земли.

Вероятно, каждый из нас возился в огороде, и каждый знает, что такое почва. Да, это тот самый плодородный участок земной поверхности, на котором растет трава и другая растительность. Почва является домом не только для растений, но и для многих живых организмов царства животные, ни говоря уже о микроорганизмах.

Помимо почвы, каждый из нас если и не возился в глине, то видел её. Глина, как и все камни, которые нам приходится видеть, является горной породой. Под почвой практически всегда есть глина, а под глиной всегда есть каменные глыбы, блоки различных размеров. И так до глубины, измеряемой десятками (иногда и первой сотней) километров. Это, казалось бы, мощное твердое покрытие, носит название земной коры.

Земная кора не единственный слой Земли, не единственная её геосфера. Под ней находится более мощный слой, называемый мантией. Мантия не особо изученная часть нашей планеты, она покрыта такими же загадками, как и космос. Однако, благодаря изучению глубинных разломов и сейсмическим данным, были сделаны некоторые выводы о толщине этой геосферы (этого слоя Земли) и её состава.

Ядро находится глубже мантии (на глубине превышающей 2 200 км). Считается что центральная (внутренняя) часть ядра твердая, а внешняя – слегка подплавленная. Нет, она не жидкая, она твердая, но более вязкая, нежели внутреннее ядро.

Популярно сравнение Земли с куриным яйцом: скорлупа – её оболочка, подобна земной коре. Яичный белок сравнивают с мантией, а желток – с ядром. Если яйцо не доварить, то получится вязкий желток, напоминающее в некотором приближении внешнее ядро. Хотя сверхвысокие температуры и давления недр не позволяют в полной мере правильно представить картину строения планеты.

Так откуда же у Земли защитное поле? Причем здесь все эти геосферы? А притом, дорогой друг, что ни будь у Земли подобного строения – не было бы электромагнитного поля. Представь себе вращение колеса автомобиля или велосипеда: диск вращается под действием некоторой силы, а камера и покрышка вращается вместе с диском. Это возможно благодаря тому, что диск и покрышка жестко закреплены друг с другом.

А если на диск одеть покрышку большего размера (диаметра), тогда что? Тогда диск и покрышка не будут жестко закреплены друг с другом. Середина (диск) будет вращаться быстрее периферии (покрышки).

То же происходит с Землей. Внешнее ядро представляет собой некоторую подплавленную массу, следовательно, ядро и остальная часть Земли закреплены не намертво между собой. Поэтому при вращении планеты ядро и мантия вращаются с различиями в скорости. Значит, они вращаются относительно друг друга, что приводит к созданию электромагнитного поля, подобно динамо-машине.

Тектоника плит

Еще в начале XX века ученый Альфред Вегенер заметил, что очертания некоторых материков схожи так, будто они отломлены друг от друга. Кроме того, ранее было замечено, что флора и фауна окраинов этих континентов очень похожи. Поэтому в 1912 году Вегенером была предложена теория дрейфа континентов. Однако, в научном мире данная теория показалась смехотворной, даже видным ученым того времени, за что и была высмеяна.

В 60-ые годы прошлого столетия при глубинном изучении дна океанов, были выявлены некоторые особенности строения океанической коры, которые заставили вернуться к теории дрейфа континентов.

Как оказалось, континенты на самом деле смещаются относительно друг друга, но не по океанской коре, как полагал Вегенер, а по вязко-пластичной астеносфере. Астеносфере – это то, что находится в верхней части мантии.

Важным моментом является то, что материки движутся относительно друг друга со скоростями не превышающими 10 см в год (обычно 2-3 см). Эта теория называется тектоникой плит. Но почему эти плиты двигаются? Какая сила способна перемещать огромные материки?

На сегодняшний день нет объяснения единого механизма движения литосферных плит, однако не вызывает сомнений, что эти движения происходят за счет тепловых потоков – за счет конвективных течений, как говорят специалисты.

Мы уже отмечали, что температура ядра достигает порядка 6 000 градусов. Представьте картину, что в одном месте из горячего ядра тепловой поток поднимается на поверхность (учитывая колоссальный размер ядра и колоссальную температуру), а в другом – опускается.

Если материки двигаются относительно друг друга, то значит ли это, что раньше они были совсем на других местах? Разумеется, значит. В настоящий момент считается, что материки неоднократно соединялись вместе и разделялись на отдельные континенты. Например, сегодня материк Евразия является целостным и состоит из Восточно-Европейской и Сибирской, Аравийской и Индийской древних платформ. Первые две платформы когда-то были частями Лавразии, а последние – Гондваны – древних материков.

Структурная геология

Рассмотрев важные факторы, движущие материки, необходимо понять какие изменения происходят в породах, слагающих толщи континентов. Главнейшим фактором меняющим структуру толщ является тектоника, хотя не только она способна к столь серьезным изменениям.

Изначально все породы Земли имеют горизонтальное положение. Но под влиянием неких сил (той же тектоники) сминаются в различные причудливые формы. Изучением этих различных форм и занимается структурная геология, причем структурная геология является неким ответвлением геотектоники.

Давайте проведем эксперимент: возьмите тетрадку и согните ее. Только что вы получили складку – так и горные породы при различных деформациях могут сминаться в складки. Но горные породы более твердые и хрупкие, нежели тетрадные листы. Как породы не разрушаются при смятии?

Немаловажным фактором деформаций горных пород является геологическое время. А именно: горные породы испытывают колоссальное давление на протяжении тысяч и миллионов лет, постепенно деформируясь в различные структуры.

Другой эксперимент: положите на доску что-нибудь тяжелое, но так, чтоб она не сломалась. Через пару месяцев увидите, что доска прогнулась, но не сломалась.

Положите лист бумаги на стол, затем еще один и так листов 10. Какой из этих листов вы положили первым? Естественно самый нижний скажите вы – и это правильно! В природе тоже все закономерно: чем глубже породы, тем они древнее. Геологи этот принцип называют принципом стратиграфии Стенона.

Давайте вернемся к нашему первому эксперименту: мы погнули тетрадку – теперь можем погнуть эти 10 листов бумаги. В обоих случаем мы получаем то, что называется складкой. Если складка обращена вверх (в сердцевине – в ядре – складки залегают более древние отложения), то она называется антиклиналью, в противном случае – синклиналью.

Складка состоит из двух крыльев, расположенных по бокам от ядра. Если эти крылья рассматривать по отдельности, то можно называть их моноклиналями. Но в структурной геологии существуют и другие структуры – например, трещины и разломы.

Наверняка вы видели трещины на различных предметах. Природа их более или менее ясна. Тоже касается и разломов – они отличаются от трещин тем, что блоки пород с одной стороны разлома смещены относительно другой.

Рассмотрим наиболее распространенные разломные структуры – это сбросы и взбросы. Первые – структуры растяжения, вторые – структуры сжатия. То, что находится по обе стороны от разлома, называется крылом.

Одно крыло сброса или взброса всегда как-бы лежит на другом – это потому, что разлом не находится в строго вертикальном положении (такое маловероятно). Если висячее крыло находится выше лежащего, то это взброс, если же висячее крыло ниже лежащего – то это сброс.

Горные породы

Что такое горная порода? Посмотрите на камни, которые можно найти на улице. Не важно, где они лежат и в каком виде – они горные породы. Однако, если каменный блок искусственный, то он не является породой, потому что горные породы – естественные ассоциации минералов.

В зависимости от происхождения (в зависимости от генезиса) горные породы разделяют на магматические, метаморфические и осадочные1.

Если порода образовалась за счет застывания магматического расплава, например, после извержения вулкана, то она называется магматической. Магматические породы принято делить на вулканические и плутонические. Конкретно после изливания лавы на поверхность образуются вулканические породы, а если лава застыла на глубине, то образованная порода носит название плутонической.

Чем эти породы отличаются друг от друга? Почему необходимо их разделять? Вулканические породы образуются при непосредственном контакте с атмосферой, поэтому они быстро остывают. Например, вулканическое стекло (обсидиан из фильма «Игра престолов») образовалось при быстром остывании лавы и поэтому имеет структуру стекла.

А плутонические породы образовались медленнее, они остывали постепенно. При медленном остывании магматического расплава происходит разделение (дифференциация) и тяжелая часть расплава опускается вниз, а легкая поднимается вверх. Пузырьки газа успевают высвободиться, кристаллы – вырасти. Обычно плутонические породы тяжелее своих вулканических аналогов.

Осадочные породы образуются после разрушения пород (будь то магматические, метаморфические или даже те же осадочные), транспортировки разрушенных частиц и накопления их в некоторых опущенных частях рельефа. Например, в горах под воздействием солнечных лучей в породе образовались трещины. Когда горная порода нагревается, она расширяется, как и любой другой материал. Но порода состоит из различных компонентов, каждый из которых расширяется по-разному.

В породе образовались трещины, которые наполнились дождевой водой. Осенью температура опускается ниже нуля, а следовательно вода превращается в лед и увеличивается в объеме – вследствие этого, трещины становятся больше. При каждом увеличении и уменьшении температуры порода все больше и больше разрушается. А тут еще и дерево растет из трещины…

Камни то и дело скатываются с гор, конечно, это происходит медленно. Разрушаясь и скатываясь вниз, в конечном итоге уже частично разрушенные породы попадают в речные каналы. Река продолжает разрушать породу, параллельно пытаясь ее унести. Самые больше обломки ждут, пока станут меньше и отправятся в путешествие, обломки поменьше – волокутся и катятся по дну, а мелкие «плывут».

В конечном итоге маленькие речки впадают в крупные, те в свою очередь впадают в озера и моря. Так и материал, переносимый реками, попадает в участки, где и скапливается. Обломки копятся продолжительное время, новые обломки ложатся на старые. В конечном итоге обломки оказываются под высоким давлением и некоторой температурой, где и образуется новая порода, называемая осадочной.

Это не единственный путь образования осадочных пород. Некоторые элементы материнской породы полностью растворяются в воде и переносясь в озеро или океан могут откладываться в виде солей или других осадочных образований. Некоторые породы могут появляться за счет отмирания организмов, например, коралловые рифы. Все это относится к широкому классу осадочных пород.

Тем не менее, все породы в конечном итоге оказываются под другими породами, то есть оказываются все ниже и ниже поверхности Земли, пока какая-нибудь сила, способная двигать континенты, не поднимет их на поверхность.

Если горная порода опустится на достаточную глубину, где давления и температуры столь велики, то осадочная или магматическая порода может преобразоваться в метаморфическую. Метаморфические породы образуются из других типов пород и имеют большую плотность. Сюда можно отнести мрамор, который образуется из известняка (известняк – осадочная порода).

Однако невероятная сила, движущая континенты, может сделать так, что метаморфические породы расплавятся в составе магмы и вновь поднимутся на поверхность, и образуют магматическую породу. Метаморфические породы могут подняться на поверхность и без существенных изменений, но и тогда они разрушатся и конечном итоге преобразуются в осадочную породу.

Все горные породы образуются друг из друга, но различными путями. Нельзя говорить о том, какая порода образовалась раньше. Хотя, рассматривая самую распространенную теория происхождения Земли, можно сказать, что поверхность планеты изначально была расплавленной. Местами она затвердевала – эти участки и послужили основой для материков. Механизм затвердевания расплавленной поверхности больше подходит образованию магматической породы, а значит она образовалась первой – из нее все остальные типы пород.

Полезные ископаемые

Некоторые горные породы невероятно полезны в хозяйстве (в народном тоже). Например, глина…. Казалась бы, ведь глины довольно много, зачем она нужно? А нет, глина наиболее широко применяется в строительстве – трудно представить многие сооружения без участия глины. В строительстве применяют и гипсы – то, что накладывают на руку после перелома. Гипс легко твердеет, и поэтому его используют в качестве одного из составляющих строительных цементов.

Какие еще полезные ископаемые вы знаете? Разумеется, все знают про нефть и газ. Да, в нашей стране это особенно актуально. Ведь их продажа составляют половину бюджета нашей страны!

Нефть – маслянистая жидкость, из которой путем перегонки получают бензин и керосин. Также из нефти получают пластик, некоторые лекарства, утеплители и даже одежду. Например, сегодня практически все шприцы и медицинские маски делают из пластика, полученного из нефти.

В недрах газ и нефть наиболее часто встречаются вместе, однако, в различных соотношениях. Газ может добываться как самостоятельно, так и в составе нефти – тогда он называется попутным. Применяется газ не так широко как нефть, но и его основное использование – топливное. Газ и нефть имеют общее название – углеводороды.

Помимо углеводородов, наша страна располагает такими ресурсами, как уголь, железо, никель, свинец, калийные соли, золото, алмазы и другие немаловажные полезные ископаемые.

Ресурсы и полезные ископаемые – это те горные породы, которые экономически выгодно извлекать. Полезное ископаемое не всегда можно назвать горной породой. Например, железная руда – горная порода. А железо – это полезное ископаемое. Пусть это не вводит вас в заблуждение, ведь железо – промышленное название типа полезного ископаемого.

Резюмируя…

Практически всё вокруг, если и не является горной породой, то состоит из таковых. Конечно, кроме органического мира. Зачастую породы скрыты под почвенным слоем или под слоем техногенных сооружений.

Мы повсеместно используем ресурсы Земли для комфортабельной жизни, но забываем о том, что большинство ресурсов невозобновляемы. Для правильного использования ресурсов, для их поисков, рационального извлечения и использования необходимы знания геологии.

Полезные ископаемые залегают в недрах, в слоях Земли. Слои могут иметь различные формы, а полезные ископаемые залегают только в определенных структурах. Образование структур в большей степени происходит за счет действий эндогенных процессов, главным из которых является тектоника.

Вулканы и глубинные внедрения магматического расплава происходят на стыке литосферных плит и в местах подныривания одной плиты под другую. В местах разделения плит (в дивергентных границах) образуется новая океаническая кора, а в местах их сочленения (в конвергентных границах) и происходит то самое подныривание океанической плиты под континентальную.

В местах вулканизма и глубинного внедрения магматического раствора-расплава образуются магматические породы за счет остывания лавы. В течении миллионов лет магматические породы либо погружаются в глубь земной поверхности, либо разрушаясь транспортируются в углубленные формы рельефа. В первом случае образуются метаморфические породы за счет сверхвысоких давлений и температур. Во-втором – осадочные породы, образованные за счет переотложения первичной породы.

Любые типы горных пород могут образовываться из других, даже из пород того же типа. Например, осадочные горные породы могут образоваться из тех же осадочных.

В геологии все взаимосвязано. А разделение геологии на отдельные дисциплины весьма условно. Так, например, различные породы образуются лишь в определенных тектонических условиях, а петрография (наука, изучающая горные породы) отдельна от геотектоники. Даже петрография и литология относятся к различным дисциплинам, хоть и отличаются только тем, что литология изучает осадочные горные породы, а петрография – магматические и метаморфические. А мы ведь знаем, что они [породы] образуются друг из друга.

Заключение

Мы с вами рассмотрели только некоторые выжимки из некоторых разделов геологии. Разумеется, это не вся геология, но возможно, именно она поможет кому-то определиться с выбором профессии в будущем. Возможно, именно эта информация поможет некоторым увидеть целостную картину развития процессов на Земле.

Автор попытался написать данную книгу наиболее доступным и понятным читателю языком, но включил некоторые профессиональные термины. Это было сделано намеренно – ведь заинтересовавшийся читатель сможет обратиться к дополнительной литературе.

В данной работе нет ссылок на источники, потому что она не претендует на роль учебника и тем более научного издания. Книга написана для широкого круга читателей с целью привлечения молодежи к изучению геологических дисциплин.

Написание работы помогло и писателю, ведь и он для себя сумел подчеркнуть моменты, в которых необходимо углубить свои знания. За что он и признателен Вам.

Спасибо за прочтение данной книги! Надеюсь, она была полезна вам, а главное – интересна.

1

Существуют более обширные классификации, однако мы придержимся упрощенной.