«А.М. Плякин ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ Учебное пособие 2-е издание Рекомендовано Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования Московский государственный горный университет в качестве учебного ...»

Федеральное агентство по образованию

Государственное учреждение высшего профессионального образования

Ухтинский государственный технический университет

А.М. Плякин

ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ

Учебное пособие

2-е издание

Рекомендовано Государственным образовательным

учреждением высшего профессионального образования

«Московский государственный горный университет» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Нефтегазовое дело»

Ухта 2008 Учебное издание Плякин Анатолий Митрофанович

ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ

Учебное пособие УДК 551.1/ П Плякин, А.М.

Основы геологии [Текст]: учеб. пособие / А.М. Плякин. – 2-е изд. – Ухта: УГТУ, 2008. – 152 с.

ISBN 5-88179-348-Х Учебное пособие предназначено для студентов нефтегазовых специальностей направления 130500 «Нефтегазовое дело» по дисциплине «Геология». В нём содержатся сведения об объектах и предметах геологии, экзогенных и эндогенных геологических процессах и результатах их деятельности. Приводятся материалы об условиях формирования, типах и условиях залегания осадочных, магматических и метаморфических горных пород, даются общие понятия о фациях, формациях и их типах.

Рекомендовано Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Московский государственный горный университет» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Нефтегазовое дело». Регистрационный номер рецензии 147 от 17.09.2008 г.

МГУП.

Рецензенты: профессор, доктор геол.-мин. наук А.И. Елисеев, кафедра исторической и региональной геологии МГУ.

Редактор В.П. Кипрова Технические редакторы Л.П. Коровкина, Д.Б. Коровкин Корректор О.В. Мойсеня © Ухтинский государственный технический университет, 2004, © Плякин А.М., 2004, ISBN 5-88179-348-Х План 2008 г., позиция 59. Подписано в печать 30.09.08 г.

Компьютерный набор. Гарнитура Times New Roman.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Усл.- печ. л. 9,3. Усл.- изд. л. 8,0. Тираж 500 экз. Заказ № 223.

Ухтинский государственный технический университет.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.

Отдел оперативной полиграфии УГТУ.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие предназначено для студентов нефтегазовых специальностей.

Пособие состоит из трёх главных частей. В первой части приводятся общие сведения о предметах и объектах, изучаемых геологией, о геологическом времени и методах определения относительного и изотопного возраста горных пород, о нашей планете Земля, её внутреннем строении, физических полях планеты, а также о геофизических методах изучения её геологического строения.

Во второй части рассматриваются проблемы, связанные с геологической деятельностью экзогенных геологических процессов: атмосферных (ветер, выветривание, ледники) и гидросферных (поверхностные текучие воды, моря, озера, болота, подземные воды). Как результат этой деятельности рассматриваются условия формирования и залегания осадочных горных пород.

Третья часть посвящена эндогенным геологическим процессам: магматизму, метаморфизму и тектоническим процессам. Наряду с изложением материала по названным процессам, большое внимание уделено формам тел магматических горных пород и основным тектоническим структурам земной коры.

Книга имеет своей целью также оказание теоретической, методической и практической помощи студентам специальностей «Геология нефтяных и газовых месторождений», «Прикладная геохимия, минералогия и петрология» и «Геофизические методы исследований» в изучении дисциплины «Общая геология». Она поможет им ориентироваться в учебной и научной геологической литературе, рассматривающей вопросы образования осадочных горных пород, являясь как бы «ядром» дисциплины, знание которого для студентов геологических специальностей является обязательным. Книга может использоваться студентами при прохождении учебных геологических практик после I курса вместе с другими учебными пособиями по геологической практике. Она предназначена для использования при изучении дисциплины «Геология» студентами нефтегазовых («Бурение скважин», «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», «Проектирование и эксплуатация месторождений газа») и других специальностей («Промышленно-гражданское строительство»).

Автор выражает искреннюю благодарность за предоставленные ему фотографии Д. Темнову, за выполнение рисунков Т.А. Плякиной, за поддержку при выполнении учебного пособия профессору О.С. Кочеткову, научному редактору, профессору В.А. Копейкину, а также доценту Е.В. Колониченко, оказавшему помощь в подготовке электронного варианта фотографий и рисунков для учебного пособия.

ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ

1. 1. Цели и задачи курса Общая геология – первый фундаментальный теоретический курс по геологическим дисциплинам, с которым знакомится студент. Он является введением в избранную геологическую специальность и дает общие представления о геологических процессах, результатах их деятельности, выраженных в горных породах и минералах, а также о многочисленных геологических дисциплинах, изучение которых предстоит студентам после курса «Основы геологии».

Основы геологии – это первое знакомство с увлекательной, во многом творческой, и очень важной во всех отношениях областью знаний. Можно сказать, что основы геологии – это азбука геологических знаний, основа, на которую в процессе обучения нанизывается целый «букет» более основательных, детальных, глубоких знаний по более конкретным направлениям. В курсе «Основы геологии» студент впервые знакомится с наиболее употребительными геологическими терминами, которые раскрывают суть геологических процессов, явлений и образований, поэтому знание терминологии является одновременно и знанием сущности геологических процессов. В связи с этим студентам уже с первых лекций необходимо вести свой собственный геологический словарик, постепенно пополняя словарный терминологический запас. Для его заполнения можно использовать конспекты лекций, учебные пособия, учебники, словари, научную литературу. Надо сразу же понять, что работа со словарем, его составление и пополнение принесут очень большую пользу в изучении геологических наук и значительно облегчат изучение последующих дисциплин.

Главная задача при изучении основ геологии заключается в том, чтобы студенты поняли и усвоили сущность экзогенных и эндогенных геологических процессов, условия их проявления, зависимость от внешних или внутренних сил, а также результаты этих процессов, выраженные в материальном веществе: минералах, горных породах и условиях их залегания. В процессе изучения дисциплины каждый студент должен приобрести определенный запас теоретических знаний, который позволит успешно продолжать геологическое образование и даст возможность понять более сложные геологические явления, изучаемые другими науками и дисциплинами. Задачей курса является также приобретение некоторых практических навыков по распознаванию минералов и слагаемых ими горных пород осадочного, магматического и метаморфического происхождения, по чтению и построению геологических карт, геологических разрезов и других графических материалов при геологических исследованиях. При изучении курса студенты должны познакомиться с горным компасом, ориентированием с его помощью на местности, замерами элементов залегания горных пород.

Что же такое геология?

Наименование этой науки происходит от греческих слов «гео» – земля и «логос» – наука. Это слово было введено в употребление только в конце XVIII века, хотя попытки систематизации геологических наблюдений, не говоря уже об использовании геологических знаний и опыта в практической деятельности человека, предпринимались значительно раньше.

Современная геология – это обширная область научных знаний о планете Земля: ее происхождении, внутреннем строении и особенностях развития, о формировании и размещении полезных ископаемых в пределах отдельных регионов планеты и в целом для всей Земли.

Коротко науку геологию можно определить как науку о происхождении, развитии и строении Земли. Ее можно рассматривать как составную часть наук о Земле, таких как геофизика, климатология, геодезия, биология и т.д., а также как составную часть планетологии, изучающей все планеты Солнечной системы.

Геология как единая наука просуществовала до второй половины XIX века, когда из нее в результате накопления большого объема знаний начали выделяться самостоятельные науки: стратиграфия, минералогия, петрография, литология, тектоника, учение о фациях и многие другие, сначала представляющие непосредственно отдельные области чисто геологических знаний, а затем и находящиеся на стыке геологии с другими областями знаний: геофизика, геохимия и др. Это было вызвано необходимостью все более глубокого изучения узких геологических направлений.

В геологии так же, как в других науках, имеются свои объекты и свои предметы изучения. Поскольку главным объектом изучения этой науки является Земля, мы поговорим о более «мелких» объектах изучения, которыми являются составные части планеты, такие как атмосфера, гидросфера, литосфера и биосфера.

Атмосфера Земли – это её воздушная оболочка, состоящая из смеси газов, среди которых преобладают азот и кислород. Важную роль играют водород, углекислый газ и содержащиеся в небольших количествах другие газы и водяные пары, а также разная по составу и происхождению пыль. Обладая изменяющимися температурой, количеством осадков, давлением водяных паров и прочими характеристиками, атмосфера является одним из важнейших геологических объектов, производящих интенсивную и очень объемную геологическую деятельность (работу).

Гидросфера – водная оболочка, покрывающая более 70% поверхности Земли. Она включает в себя все воды Мирового океана, рек с их притоками, озер, болот, а также подземные воды. В гидросфере происходят очень разнообразные геологические процессы, приводящие к образованию разных по составу и строению горных пород.

Литосфера – твердая наружная оболочка Земли толщиной от 50 до 250 км.

Состоит литосфера из горных пород разного происхождения и слагающих их минералов. В ее состав входят земная кора и верхняя часть верхней мантии.

В литосфере происходят активные эндогенные геологические процессы.

Биосфера – сложная внешняя оболочка Земли, населенная живыми организмами: животными и растениями. Она включает в свой состав нижнюю часть атмосферы с бактериями и другими живыми организмами, поверхность Земли и верхнюю часть литосферы с обитающими в этой зоне растениями и животными, а также гидросферу в пределах зоны обитания разнообразных живых организмов.

Предметами изучения геологии являются минералы, горные породы, месторождения полезных ископаемых, ископаемые органические остатки и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли (экзогенные) и в её недрах (эндогенные).

Минерал – это природное химическое соединение или химический элемент, однородный по составу и строению, образованный на поверхности Земли или в ее недрах в результате естественных физико-химических и термодинамических условий. Минералы могут быть получены искусственным путем. Большинство естественных минералов являются твердыми кристаллическими (кварц, мусковит, альбит, ортоклаз и проч.) или аморфными веществами (опал, вулканическое стекло и др.). Встречаются также жидкие минералы – вода, самородная ртуть и др. и газообразные (метан, углерод, сероводород и проч.).

Горные породы представляют собой естественные ассоциации природных минералов, образованных примерно в одинаковых условиях. Поэтому первичные горные породы характеризуются определенным сообществом первичных минералов – парагенезисом, образованным при сходных, близких условиях. В последующем первичный парагенезис может изменяться в процессе преобразования горных пород, в результате чего в их составе могут появляться вторичные минералы, образованные уже в других, отличных от первичных, условиях (при выветривании, метаморфизме и проч.).

По составу горные породы бывают мономинеральными, т.е. состоящими из одного минерала (например гипс, ангидрит, известняк, кварцевый песок и др.) и полиминеральными, образованными несколькими породообразующими минералами. Такие породы представлены гранитами, в обязательном порядке содержащими в своем первичном составе кварц, хотя бы один минерал из группы полевых шпатов (альбит, ортоклаз, микроклин и др.), слюдистый минерал (мусковит, биотит, серицит), а также другие минералы (например роговую обманку или др.); диоритами, диабазами и проч.

По происхождению (генезису) различают три группы горных пород: магматические, осадочные и метаморфические. Существует и группа переходных горных пород, представляющих собою сообщество магматического (вулканического) и осадочного материала и называющихся вулканогенно-осадочными или осадочно-вулканогенными в зависимости от соотношения слагающего эти породы материала.

Горные породы изучают в естественных (рис. 1) или искусственных (рис. 2) обнажениях (карьерах, канавах, шахтах и т.д.).

Рис. 1. Естественное обнажение горных пород.

Рис. 2. Искусственное обнажение горных пород в карьере кирпичных глин.

Магматические горные породы образуются из магмы в процессе её продвижения к поверхности Земли, остывания, затвердевания и кристаллизации.

Если образование горных пород происходит на поверхности Земли, то такие породы называются эффузивными, если магма остывает и превращается в горную породу в недрах Земли, то такие породы называются интрузивными.

Осадочные горные породы образуются из осадка на поверхности литосферы. Они являются результатом деятельности экзогенных геологических процессов. Осаждение вещества происходит при этом в водной (гидросфера) или воздушной (атмосфера) среде. Вещество осадка может быть представлено обломками – продуктами механического разрушения любых ранее образованных горных пород, и в этом случае оно является исходным материалом для обломочных (терригенных, механогенных) горных пород. Вещество может быть образовано в результате химического разрушения исходных горных пород и образования нерастворимого осадка – в таком случае оно является исходным материалом для хемогенных горных пород. Наконец, вещество может быть создано в результате жизнедеятельности организмов (растений и животных) и состоять из продуктов их жизнедеятельности или из частей самих организмов (стволы растений, раковины животных и т.д.) – в таком случае оно является исходным материалом для органогенных (биогенных) горных пород. В природе весьма распространены и, пожалуй, преобладают осадочные горные породы, имеющие в своем составе различный первичный исходный материал: обломочный, хемогенный и органогенный. В зависимости от соотношения этого материала в сформированной горной породе осадочного типа выделяют несколько смешанных типов пород, например, обломочно-хемогенный, хемогенно-органогенный, органогенно-обломочный, органогенно-хемогенный и другие.

Метаморфические горные породы образуются из любых ранее образованных горных пород (осадочных, магматогенных или метаморфогенных) в результате воздействия на них высоких температур, высоких давлений и химически активных веществ. В зависимости от сочетания этих условий воздействия на породу, места проявления метаморфизма выделяют несколько типов метаморфических горных пород: породы регионального и контактового метаморфизма, динамометаморфизма и др.

Месторождения полезных ископаемых являются понятиями геологоэкономическими. В зависимости от типов руд, содержания полезных компонентов в руде, а также от состояния развития техники и технологии, экономического развития общества понятие месторождения может со временем изменяться. Так, некоторые богатые месторождения прошедших времен к настоящему времени не могут уже называться месторождениями в связи с тем, что они уже отработаны.

Наоборот, некоторые проявления полезных ископаемых по мере развития техники и технологии извлечения полезных компонентов могут переходить в разряд месторождений. Поэтому правильнее, видимо, понимать под месторождением полезного ископаемого скопления минералов или горных пород в количестве и с качеством, позволяющими при современном состоянии развития науки, техники и технологии экономически целесообразно извлекать их из недр Земли. Понятно, что совершенствование техники, науки и технологии может приводить к переводу таких скоплений минералов или горных пород в разряд месторождений, которые ранее ими не были. Как и горные породы, месторождения полезных ископаемых классифицируются по условиям образования, и среди них выделяют, прежде всего, магматические, осадочные и метаморфические, а также некоторые специфические типы, такие как гидротермальные и др.

Ископаемые органические остатки – остатки твердых скелетов животных и растений, их отпечатки на поверхностях напластования горных пород (рис. 3, 4, 5). Изучением органических остатков (раковин, спор, пыльцы и т.д.) занимаются науки палеонтология и палеоботаника. Изучая их, геологи устанавливают время и условия образования горных пород, в которых обнаружены эти остатки. Определение времени образования горных пород и условий их формирования производится на основании знаний об эволюции растительных и животных организмов на нашей планете.

Рис. 3. Органические остатки в девонских породах Тимана. Фото Рис. 5. Органические остатки в известняках девона. Фото Д. Темнова Геологические процессы. Геология изучает динамические геологические процессы, которые происходят на поверхности Земли и в ее недрах. Процессы, происходящие на поверхности Земли (ветер, выветривание, реки, моря, ледники, подземные воды), называются экзогенными. Именно в результате деятельности этих процессов образуются осадочные горные породы и осадочные полезные ископаемые.

Геологические процессы, происходящие в недрах Земли (магматизм, метаморфизм, тектонические движения, землетрясения), называются эндогенными. В результате эндогенных геологических процессов образуются магматические и метаморфические горные породы и полезные ископаемые.

Прежде чем говорить о процессах, происходящих в недрах Земли, познакомимся в общих чертах с нашей планетой, как космическим телом, её происхождением, составом и строением.

Общие сведения о Земле. Земля является одной из многочисленных форм проявления материи, распространённой во Вселенной в разных видах: от одиночных элементарных частиц до огромных туманностей.

Движение и взаимное расположение частиц в космическом пространстве контролирует и определяет сила тяготения, которую называют гравитацией. Она является одной из главных движущих сил эволюции космической материи. Под действием гравитации газовые туманности образуют плотные сгустки, в недрах которых могут происходить термоядерные реакции, приводящие в некоторых случаях к образованию в центрах этих сгустков молодых звёзд. Развитие молодых звёзд зависит от их массы и происходит в разных вариантах по-разному:

1. Из лёгких звёзд, имеющих массу менее 1,2 массы Солнца, при прекращении сжатия в их недрах образуется так называемый «белый карлик», на поверхности которого в результате продолжающегося сжатия происходит взрыв с образованием «красного гиганта».

Солнца), которые испытывают ещё более сильное сжатие, в результате разрушения атомной структуры вещество достигает критической плотности, при которой вся масса звезды сосредоточивается в небольшом объёме. Продолжающееся сжатие приводит также к взрыву с образованием «сверхновой» звезды, ядро которой представляет собой нейтронную звезду. Это ядро очень быстро вращается, создавая исключительно сильное магнитное поле. Нейтронные звёзды имеют мощное импульсное радиоизлучение и называются поэтому «пульсарами», оптическими или рентгеновскими, в зависимости от диапазона 3. У тяжёлых звёзд, с массой более 2,0 масс Солнца, в результате мощнейшего сжатия плотность в центре звёзды может достигать бесконечности. Такое состояние называется состоянием коллапса и заключается оно в том, что от таких звёзд не могут отрываться никакие частицы, даже световые. Такие звёзды поглощают всё и называются В Солнечной системе всего 9 планет, которые делятся на две группы:

1 – внутренние: Меркурий, Венера, Земля и Марс; 2 – внешние: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон.

Планеты внутренней, земной, группы обладают большой скоростью вращения вокруг осей, небольшими размерами и небольшой массой. Все они вращаются в направлении Солнца, за исключением Венеры, которая вращается в обратном направлении. Средняя плотность вещества этих планет близка и составляет 3,95-5,52 г/см3, что может быть свидетельством сходства их внутреннего строения. Такую же примерно плотность имеет вещество Плутона – около 4,0 г/см3.

Планеты внешней группы отличаются большими размерами и массой по сравнению с земными, а также более короткими периодами вращения вокруг своих осей, за исключением Плутона, который по всем характеристикам более близок к планетам земной группы. Все эти планеты также вращаются в направлении Солнца, за исключением одной планеты – Урана, вращающегося в обратном направлении.

Земля является третьей планетой Солнечной системы. Она имеет сложную форму – геоида и вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Период обращения её вокруг Солнца составляет 365, 364 земных суток, скорость вращения по орбите – 29,76 км/сек. Масса нашей планеты составляет 5,975 х 1027 г, средний её радиус – 6371, 032 км, а средняя плотность вещества планеты составляет 5,52 г/см3.

В результате постоянного вращения вокруг своей оси и вокруг Солнца Земля постоянно меняет своё положение в пространстве, что играет исключительно важную, решающую роль в формировании её внешних оболочек (атмосферы, гидросферы, биосферы). Это же определяет распределение температур на поверхности Земли, а через неё и интенсивность многих геологических процессов на поверхности Земли и на других планетах.

Существуют многочисленные, весьма противоречивые гипотезы о происхождении Земли и Солнечной системы. Несмотря на многообразие, условно их можно объединить в две группы: гипотезы «горячего» и «холодного» происхождения.

Ещё в 1745 году французский учёный Бюффон высказал первую гипотезу происхождения Земли, по которой предполагалось, что наша планета образовалась как результат остывания одного из многочисленных сгустков вещества, отделившегося от Солнца при его столкновении с кометой. Эта гипотеза стала основой для ряда других гипотез подобного же типа, то есть так называемого «горячего» происхождения. За ней последовала небулярная гипотеза И. Канта и П. Лапласа (1755-1796 гг.). Согласно этой гипотезе, Солнечная система образовалась из раскалённой туманности огромных размеров, которая в результате вращения сначала превратилась в гигантский диск. От этого диска в процессе вращения отделялись газовые кольца, остывание которых и дало планеты Солнечной системы. Такой способ образования планет Солнечной системы подтверждается общностью вещества Солнца и планет и их тесной взаимосвязью.

Подобную же гипотезу высказал и советский учёный В.Г. Фесенков. Он выдвинул также корпускулярную гипотезу излучения звёзд, объяснил многие особенности строения Солнечной системы.

Вторая группа гипотез происхождения Земли может быть названа гипотезами «холодного» их происхождения. Основоположником этой группы гипотез является советский учёный О.Ю. Шмидт. Он считал, что планеты Солнечной системы образовались в результате «слипания» твёрдых частиц разных размеров, которые вращались вокруг Солнца. При этом он принимал, что, по крайней мере, часть газово-пылевого вещества была захвачена Солнцем из межзвёздных туманностей. В этой гипотезе источники вещества Солнца и планет различны.

В результате вращения уплотнённое вещество постепенно разогревается при термоядерных реакциях, происходящих в недрах Земли и других планет.

Внутреннее строение Земли. Земля состоит из трёх основных концентрически-зональных оболочек, которые называют геосферами: земной коры – внешней твёрдой оболочки, мантии – промежуточной оболочки, и ядра – центральной части планеты. Каждая из геосфер состоит, в свою очередь, из более мелких концентров (рис. 6).

Рис. 6. Внутреннее строение Земли. Основные геосферы: А – земная кора;

Концентрически-зональное строение Земли установлено на основании анализа физических полей планеты, о которых речь пойдёт несколько позже.

Земная кора представляет собой внешнюю оболочку планеты, наиболее доступную для изучения прямыми геологическими и косвенными геофизическими методами. Она является самой сложноустроенной геосферой, отделённой от нижележащей мантии поверхностью Мохоровичича (поверхностью Мохо).

По особенностям состава и строения различают три типа земной коры: континентальную (материковую), океаническую и переходную (промежуточную).

Континентальная земная кора распространена на континентах и сложена осадочными, магматическими и метаморфическими горными породами. Мощность её колеблется от 30 до 70 км, при этом максимальной мощностью характеризуются высокогорные районы континента. В вертикальном разрезе континентальной земной коры выделяются три «слоя»: верхний – осадочный, средний – так называемый «гранитный», и нижний, называемый «базальтовым». Мощность осадочного слоя достигает 20 км, породы этого слоя характеризуются изменчивой скоростью прохождения упругих сейсмических волн, составляющей от 1, до 5,0 км/сек.

«Гранитный» слой имеет мощность 10-40 км и сложен магматическими и метаморфическими горными породами преимущественно кислого состава, почему и получил название «гранитного». Породы этого слоя по своим физическим свойствам (магнитная восприимчивость, плотность и проч.) близки гранитам. Скорость прохождения упругих сейсмических волн в этих породах составляет 5,8-6,0 км/сек, а средняя плотность их – 2,5-2,7 г/см3.

«Базальтовый» слой, нижний в земной коре, имеет мощность до 40 км и сложен горными породами преимущественно основного состава, которые по своим физическим свойствам близки базальтам, что и дало основание для названия этого слоя. Скорость прохождения упругих сейсмических волн через породы «базальтового» слоя возрастает до 6,0-7,4 км/сек, а плотность вещества в этом слое достигает 2,8-3,3 г/см3. Между «гранитным» и «базальтовым» слоями выделяется поверхность Конрада, являющаяся разделяющей отражающей границей, которая располагается на глубине в пределах от 10 до 30 км.

Океаническая земная кора имеет значительно меньшую мощность, как правило, в несколько километров, не более 5-10 км. В строении этого типа земной коры имеются существенные отличия. В ней чётко выделяются два слоя:

верхний – осадочный, мощностью в несколько сотен метров, обычно не более 1 км, и нижний – также «базальтовый», как и у континентального типа земной коры. Мощность нижнего слоя в этом типе коры достигает 4-10 км. Иногда между этими слоями выделяется ещё промежуточный слой, сложенный смесью осадочных горных пород с продуктами подводной вулканической деятельности. Как видно из приведенных материалов, океаническая земная кора не содержит в своём составе «гранитного» слоя и менее мощна по сравнению с континентальной земной корой.

Промежуточная земная кора, или переходная, характерна для окраинных морей и архипелагов островов. Являясь промежуточной между континентальной и океанической, она и по строению, и по мощности имеет именно промежуточный, переходный характер: с материковой стороны она несёт черты континентальной коры, в которую постепенно и переходит; со стороны океана характер земной коры океанический с постепенными или относительно быстрыми переходами к океаническому типу.

Средняя плотность вещества земной коры по слоям заметно изменяется:

от 2,4-2,5 г/см3 в осадочном слое до 2,8-3,3 г/см3 в «базальтовом» при среднем значении плотности пород земной коры 2,8 г/см3.

По химическому составу в земной коре преобладают кремний и алюминий, поэтому раньше, а иногда и теперь её называют сиаллической оболочкой Земли.

Мантия Земли составляет основную часть планеты по массе и объему.

Она распространяется до глубины 2885 км, заканчиваясь поверхностью Вихерта-Гутенберга. Внутри мантии по скоростям прохождения упругих сейсмических волн, особенностям их преломления и отражения выделяется несколько отражающих поверхностей на глубинах 400, 900 и 2700 км.

В строении мантии выделяют две главные зоны: верхнюю и нижнюю.

Верхняя мантия распространена до глубины 900 км. Она сложно устроена и состоит из двух чётко разделяющихся слоёв. Верхний слой распространён до глубины 400 км, также имеет сложное строение, при этом его верхняя часть называется субстратом, который вместе с земной корой образует литосферу Земли. Её называют ещё каменной оболочкой планеты. Нижнюю часть верхнего слоя, по имени открывшего её сейсмолога Б. Гутенберга, назвали слоем Гутенберга. В этом слое резко уменьшается скорость распространения упругих сейсмических волн, что объясняется повышенной текучестью вещества в этом слое. Он является «волноводом», по которому сейсмоволны продолжительное время идут вдоль слоя. Плотность вещества в слое Гутенберга достигает 3,5 г/см3, а скорость упругих сейсмических волн не превышает 8 км/сек. Благодаря описанным особенностям, этот слой называют также астеносферой, в которой зарождаются глубокофокусные землетрясения огромной разрушительной силы и располагаются очаги мощных вулканических извержений.

Нижний слой верхней мантии называется слоем Голицына. В нём происходит резкое нарастание плотности вещества до 4,5 г/см3 и скорости продольных сейсмоволн до 11,3 км/сек.

Нижняя мантия распространяется до глубины 2885 км и характеризуется дальнейшим увеличением плотности вещества до 5,6 г/см3, а скорости распространения упругих сейсмических волн до 13,6 км/сек, что объясняется общим нарастанием давления и переходом к плотнейшим упаковкам всех существующих там соединений.

Ядро Земли имеет, по косвенным данным, железоникелевый состав, близкий составу железных метеоритов, сложенных на 90% железом и на 10% никелем. Все остальные элементы составляют около 1%. Плотность вещества метеоритов и предположительно (по аналогии с ними) вещества ядра Земли достигает 9 г/см3.

В строении ядра выделяют также условно три концентрические зоны:

внешнее ядро, переходный слой и внутреннее ядро. Большинство учёных считает, что внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии, а внутреннее – в твёрдом.

Химический состав и возраст Земли. На основании изучения химического состава всех известных на Земле горных пород, внутреннего строения Земли и теоретических расчётов учёными получены разные варианты среднего химического состава вещества нашей планеты. При этом среднее содержание химического элемента в веществе Земли называется кларком этого элемента. Кларки могут быть весовыми или атомными. Первые рассчитываются в весовых количествах – весовые % или г/т, вторые – в % от числа атомов. Расчёты средних содержаний химических элементов в земной коре впервые были выполнены американским учёным Ф. Кларком (1889 г.), а позже уточнялись А.Е. Ферсманом, А.П. Виноградовым, С.Р. Тэйлором и другими. Наиболее распространёнными элементами в земной коре являются кислород, железо, кремний, магний, никель, алюминий, кальций и сера, составляющие в сумме до 99% вещества Земли, остальные элементы составляют всего около 1%. По данным А.П. Виноградова (1962г.), содержание некоторых химических элементов в земной коре составляет (в г/т): кислорода – 470000, кремния – 295000, алюминия – 80500, железа – 46500, кальция – 33000, натрия – 25000, калия – 25000, магния – 18700, титана – 4500, меди – 47, кобальта – 18 и т.д.

Установлению возраста Земли постоянно уделяется очень большое внимание. Радиологическими методами возраст самых разных горных пород определён в миллионах и миллиардах лет. Возраст самой планеты устанавливается по возрасту самых древних горных пород планеты, а также по возрасту вещества метеоритов. Древнейшие земные горные породы имеют возраст 3,5-4, миллиарда лет, возраст вещества метеоритов – 4,5 миллиарда лет.

На основании многочисленных радиологических определений возраста горных пород из разных участков планеты в настоящее время возраст Земли принимается равным в пределах 4,5-5,5 миллиардов лет.

Физические поля Земли и геофизические методы изучения её геологического строения. Земля находится в постоянном движении и взаимодействии с другими космическими телами, образуя различные наружные и внутренние физические поля, такие как тепловое, магнитное, поле силы тяжести и некоторые другие. Характер распространения и строения этих полей позволяет косвенно судить об особенностях геологического строения тех или иных приповерхностных или глубинных участков планеты.

Рассмотрим кратко характеристику некоторых физических полей и геофизические методы изучения геологического строения земной коры, основанные на изучении этих полей.

Тепловое поле Земли имеет сложный характер. Возникло оно из поверхностных и внутренних источников тепла в процессе развития Земли. Главным поверхностным источником тепла является Солнце, которое посылает на каждый квадратный сантиметр её поверхности в год около 170 ккал, из которых до 60 ккал поглощается атмосферой. А остальное тепло поступает непосредственно в литосферу и гидросферу, являясь причиной многих экзогенных геологических процессов (ветер, выветривание и т.д.). Незначительную роль в поверхностном тепловом поле играет тепло приливного течения.

Глубинные источники тепла играют заметно меньшую роль, количество такого тепла во много раз меньше, хотя роль глубинного тепла в эндогенных геологических процессах чрезвычайно велика.

Откуда же берётся тепло в недрах Земли? Считают, что существует два основных источника внутреннего тепла: радиационное, за счёт радиоактивного распада химических элементов в недрах Земли (термоядерные естественные реакции), а также за счёт сепарации вещества земного ядра.

Радиоактивный распад даёт основную часть эндогенного тепла. При этом основными источниками разогрева недр планеты называются уран, торий и радиоактивный изотоп калия. Радиоактивные элементы связаны, в основном, с гранитами и осадочными горными породами земной коры.

Как же распределяется и распространяется тепло в недрах Земли? Есть ли какие-нибудь закономерности в этом? Оказывается, есть. Так, в недрах Земли существует зона постоянных температур – это зона, в которой температура равна среднегодовой температуре этой области. Выше этой зоны температура целиком зависит от климатической и сезонной температуры для этого участка планеты. Ниже зоны постоянных температур она постепенно повышается за счёт внутренних источников тепла. При этом повышение температуры с глубиной в разных районах планеты происходит по-разному. Это зависит, прежде всего, от особенностей геологического строения этого участка (блока), а в связи с этим и от различной теплопроводности горных пород разного состава и строения, как и от различного количества тепла, поступающего из недр.

В среднем для Земли рассчитаны скорости увеличения температуры с погружением в недра – это геотермические градиенты. В верхней части земной коры средний геотермический градиент составляет 3,00 С на каждые 100 м, то есть через каждые 33 м в глубине температура повышается на 1 0. Каждый конкретный участок земной коры характеризуется своим местным градиентом, который зависит от двух главных причин: геологического строения и близости или удалённости от него магматических очагов.

Поскольку радиоактивные элементы связаны, главным образом, с гранитами (кислыми горными породами) и осадочными породами, а их количество с глубиной уменьшается, и нижняя часть земной коры сложена веществом основного состава («базальтовым» слоем), то ниже 10-15 км прирост температуры начинает понижаться.

Считается, что в нижних слоях земной коры на континентах нижним пределом температур является 600-8000С, а в океанах – всего 150-2000С. Верхний предел определяется температурой плавления минерала оливина, который содержится в составе верхней мантии. Эта температура составляет 19500С – она-то и принята за верхний предел температуры твёрдого вещества Земли, так как при более высоких температурах любое вещество в недрах будет расплавлено. Температура на границе мантии и земного ядра рассчитана теоретически и составляет предположительно от 10000С до 50000С. Вещество ядра Земли имеет температуру, также полученную путём теоретических расчётов. Она оценивается в 3600-60000С. Тепловое поле Земли играет огромную роль в геологических процессах, происходящих как на поверхности, так и в недрах планеты. С солнечной энергией непосредственно связаны процессы выветривания любого типа, деятельность ледников, возникновение и работа ветра и др. Внутреннее тепло вызывает метаморфические и магматические процессы, является их главной действующей силой.

Температура оказывает большое влияние и на формирование целого ряда месторождений полезных ископаемых. Например, при формировании месторождений нефти и газа температура определяет фазовый состав образующихся скоплений углеводородов: газовые, нефтяные, газоконденсатные и др. Поэтому данные о пластовых температурах могут использоваться при прогнозе и проведении поисковых работ на месторождениях углеводородов. Температурными режимами определяется и формирование в разных условиях рудных минералов, среди которых по этому признаку выделяют высоко-, средне- и низкотемпературные минеральные ассоциации.

Волновое поле упругих сейсмических волн. Сейсмические волны являются одним из главных источников информации о внутреннем строении Земли.

Изучением закономерностей распространения этих волн, изучением землетрясений, регистрацией сейсмических волн и обработкой всех материалов по ним занимается наука, которая называется сейсмологией.

Упругие сейсмические волны возникают в очаге землетрясения и распространяются с некоторой скоростью, которая зависит от состава и внутреннего строения горных пород, а также от условий их залегания. Распространение этих волн происходит по всем направлениям путём упругих перемещений частиц среды. Различают два типа сейсмических волн: продольные и поперечные.

Продольные волны перемещают частицы в направлении распространения волн, а поперечные – в направлении, перпендикулярном к направлению перемещения сейсмических волн. Поэтому скорость распространения продольных волн значительно больше, чем скорость распространения поперечных.

В связи с неоднородностью и сложностью геологического строения литосферы, наличием многочисленных литологических границ между слоями и телами горных пород упругие сейсмические волны не могут распространяться прямолинейно, направление их перемещения постоянно искривляется. При этом распространение этих волн подчиняется законам распространения оптических волн, то есть на границах между разными по составу или строению геологическими телами сейсмические волны могут отражаться и преломляться. При сейсмологических исследованиях регистрируются все волны: прямые, отражённые и преломлённые, которые несут наиболее полную информацию о внутреннем геологическом строении геосфер Земли (рис. 7).

Рис. 7. Принцип-схема работы метода отраженных волн (МОВ):

В – источник излучения; 1 – сейсмоприемник, 2 – направление отраженных волн, 3 – отражающая поверхность, 4 – горные породы нижнего комплекса На всей планете развёрнута сеть сейсмостанций, которые постоянно регистрируют упругие сейсмические волны. Особое значение эти наблюдения имеют для сейсмоопасных, сейсмоактивных районов.

На использовании законов распространения упругих сейсмических волн в недрах Земли основан сейсмометрический метод исследований внутреннего строения планеты, а также сейсмологический метод. Суть этих методов одинакова. Разница заключается в том, что сейсмологический метод основан на изучении распространения естественных упругих сейсмических волн, образующихся в результате проявления землетрясений; сейсмометрический метод использует для исследований распространение искусственных сейсмических волн, образованных в результате искусственных взрывов зарядов в стволах буровых скважин, специально подготовленных для этого.

Суть же того и другого методов заключается в фиксировании, изучении и анализе особенностей прохождения упругих сейсмических волн через разные зоны или геосферы планеты. Это даёт возможность предположительно говорить об определённом положении (условиях залегания) и составе горных пород на разных глубинах в недрах Земли. Сейсмические методы весьма разнообразны, вот некоторые из них: МОВ – метод отражённых волн; МПВ КМПВ – метод преломлённых волн; МНРП – метод направленного регулируемого приёма и т. д. Для изучения малых и средних глубин применяется метод ВЧС – высокочастотной сейсморазведки, а для глубинных зон планеты – метод ГСЗ – глубинного сейсмического зондирования.

Гравитационное поле Земли обусловлено геологическим строением и разной плотностью горных пород, слагающих земную кору, а также более глубинные зоны. Изучением величин, характеризующих гравитационное поле, их использованием для определения фигуры Земли, общего внутреннего строения и других проблемных вопросов занимается наука, которая называется гравиметрией.

Гравитационное поле задаётся полем силы тяжести, которое является результирующей двух основных сил: силы притяжения (тяготения) Земли и центробежной силы, вызванной её суточным вращением. Центробежная сила уменьшает силу тяжести от полюсов к экватору – на экваторе она на 0,5% меньше, чем на полюсах.

Величина силы тяжести зависит от фигуры и распределения плотности внутри Земли. Сила тяжести определяется специальными приборами, которые называются гравиметрами. Измерения силы тяжести могут производиться на поверхности Земли стационарно или с движущихся объектов: лодок, самолётов, вертолётов, машин, кораблей с непрерывной записью измерений ускорения силы тяжести по пути следования движущегося объекта.

Гравитационное поле Земли имеет очень сложный характер, что объясняется неоднородным строением планеты по плотности (разный состав и условия залегания горных пород) и неправильной формой самой Земли. Для решения практических задач гравитационное поле рассматривают состоящим из двух частей: нормального поля, изменяющегося с широтой, и аномального поля, сложного по распределению, обусловленного неоднородностями плотности пород в верхних слоях земной коры.

Разность между наблюденной силой тяжести и нормальной, рассчитанной по формуле распределения нормальной силы тяжести, называется аномалией силы тяжести.

На основании гравиметрических измерений составляются карты гравиметрического поля в изолиниях силы тяжести, то есть линиях равной силы тяжести. С помощью этих карт изучается распределение плотностных неоднородностей в теле планеты на разных глубинах, что отражает основные черты геологического строения того или иного участка земной коры.

Магнитное поле Земли. Источниками магнитного поля являются намагниченные тела, проводники с током и движущиеся электрически заряженные тела.

Магнетизм планеты обусловлен действием постоянных источников, расположенных в недрах Земли. Эти источники испытывают медленные вековые изменения. Магнетизм обусловлен также переменными источниками, расположенными в магнитосфере Земли и ионосфере.

Различают основное магнитное поле – главное, и переменное магнитное поле, при этом главное магнитное поле составляет около 99% всего магнитного поля Земли.

Установлено, что главное магнитное поле образовалось в результате сложных интенсивных движений в электропроводящем жидком слое Земли.

Эти движения привели к самовозбуждению магнитного поля планеты. Земной магнетизм тесно связан с вращением планеты вокруг своей оси. Геомагнитное поле испытывает колебания в истории Земли, но в среднем оно сохраняется относительно стабильным в течение длительного времени – сотен миллионов лет.

Переменное магнитное поле Земли связано с проявлениями Солнечного ветра, что приводит к нарушению дипольной структуры поля. Магнитные возмущения охватывают всю планету в течение одного или нескольких дней. Они возникают при резком изменении параметров солнечного ветра и выражаются в верхней части атмосферы Земли в виде полярных сияний, ионосферных возмущений, рентгеновского и низкочастотного излучений. Единицей индукции магнитного поля является гаусс (гс). У поверхности Земли магнитное поле равно примерно 0,5 гс, а на границе магнитосферы – 10-3 гс.

Магнитное поле тесно связано с электрическим полем.

Так как основное магнитное поле Земли связано с внутренними источниками, то знание законов распределения магнитного поля позволяет судить об особенностях геологического строения внутренних частей планеты. Магнитное поле измеряется специальными приборами, которые называются магнитометрами. Наука, изучающая магнитное поле, называется магнитометрией.

Результатом изучения магнитных полей Земли является построение магнитных карт, на которых характеристика магнитного поля даётся в виде изолиний магнитного поля, то есть линий равного значения магнитного поля. В районах, где магнитное поле является неоднородным, по магнитным свойствам горных пород выявляются аномалии магнитного поля – участки или зоны с резко отличающимся магнитным полем, что свидетельствует о наличии в этом районе горных пород с отличающимися магнитными свойствами. Анализ карт магнитных полей позволяет высказывать обоснованные предположения о геологическом строении различных участков земной коры.

Для расшифровки – интерпретации материалов магнитометрических исследований и высказывания представлений о геологическом строении того или иного участка земной коры разные горные породы по всему геологическому разрезу изучаемого района предварительно исследуются лабораторными методами с определением их физических свойств: в данном случае, при интерпретации магнитометрических данных изучается их магнитная восприимчивость.

Полученные материалы используются в качестве эталонов при интерпретации геофизических материалов. Подобным же образом действуют и при интерпретации гравиметрических материалов, используя лабораторные исследования плотностных характеристик горных пород; при интерпретации электроразведочных материалов опираются на предварительное изучение электрических свойств (электрического сопротивления и проводимости горных пород) и т.д.

Изучение электрического поля производится с помощью специальных приборов, которые называются потенциометрами. Наука, изучающая электрическое поле, называется электроразведкой. Основана она на том, что разные горные породы обладают различными способностями проводить электрический ток или сопротивляться его прохождению. Отсюда и два наиболее распространённых электроразведочных метода исследований: метод электропроводимости и метод сопротивлений. Исследования проводятся зондированием изучаемого разреза специальными приборами. Сравнение полученных с помощью приборов данных с эталонными измерениями для различных типов горных пород позволяет высказывать предположения о геологическом строении данного участка с последующим контролем прямыми геологическими методами, чаще всего бурением скважин.

Таким образом, физические поля Земли отражают особенности геологического строения изучаемых участков земной коры через проявление определённых физических свойств слагающими этот участок породами.

Сами горные породы залегают на разных глубинах, в связи с чем изучить их непосредственно не представляется возможным. Поэтому приходится прибегать к косвенным методам: не имея доступа к горной породе, только по её физическим свойствам (плотности, электрическому сопротивлению, электропроводимости, скорости прохождения упругих сейсмических волн, магнитной восприимчивости и др.) имеется возможность достаточно уверенно судить о составе и условиях залегания горных пород, а это даёт возможность решать вопросы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых с использованием геофизических методов, особенно на больших глубинах. Следует иметь в виду, что косвенные – геофизические методы требуют заверки прямыми методами: проходкой горных выработок – шурфов, шахт или бурением скважин. Ценность косвенных методов заключается в их глубинности и возможности уверенно планировать проведение поисково-разведочных работ.

При проведении геологических исследований применяют различные специфические методы. Среди них можно выделить три главных типа региональных методов: прямые, косвенные и дистанционные. Последние могут быть, в свою очередь, прямыми и косвенными.

Прямые методы – это такие методы, при которых производится непосредственное исследование вещества, структуры или процесса. Для применения прямых методов необходимо иметь доступ к веществу, его надо, по крайней мере, видеть, чтобы иметь возможность изучать. Такая возможность предоставляется в естественных обнажениях горных пород в обрывах береговых уступов рек и морей, в горных районах, в различных искусственных обнажениях, сделанных человеком: горных выработках (канавах, шурфах, шахтах, карьерах и т.д.), по керну буровых скважин (керн – это столбик горной породы, выбуренный буровым инструментом и поднятый на поверхность земли). Некоторые из перечисленных случаев показаны на рис. 1, 2. Ценность прямых методов заключается именно в возможности иметь доступ к наблюдаемому предмету. Недостаток этих методов заключается в их незначительной глубинности. Самая глубокая скважина, пробуренная на Кольском полуострове (Кольская сверхглубокая), имеет глубину 12500м от поверхности земли.

Косвенные методы – это методы, при которых геологическое строение изучается по физическим свойствам горных пород, которые не обязательно видеть. Эти свойства измеряются специальными приборами, устанавливаемыми на поверхности земли. К ним относятся такие свойства, как магнитная восприимчивость горных пород, их плотность, скорость прохождения через них упругих сейсмических волн, радиоактивность, электрическое сопротивление, электрическая проводимость и др. Косвенными методами являются все геофизические методы исследований: магниторазведка, гравиразведка, электроразведка, сейсморазведка и др. Они позволяют производить глубинное изучение геологического строения Земли, обеспечивая большую глубинность, однако результат геофизических исследований требует заверки его прямыми геологическими методами.

Дистанционные методы применяются для изучения геологического строения Земли с дистанции, с некоторого расстояния от поверхности Земли.

Такую возможность предоставляют различные летательные аппараты: вертолеты, самолеты, искусственные спутники Земли и другие космические аппараты. Они могут быть и прямыми, и косвенными. Для осуществления прямых дистанционных методов на борту летательного аппарата располагается геологнаблюдатель или устанавливается фотоаппаратура для съемки поверхности планеты. Исследователь может непосредственно наблюдать с самолета или вертолета некоторые особенности геологического строения и фиксировать свои наблюдения в журнале (дневнике). Полученные фотоснимки изучаются на Земле на предмет извлечения геологической информации о составе и строении изученных (заснятых) участков земной поверхности. Для осуществления косвенных дистанционных исследований на борту летательного аппарата устанавливаются геофизические приборы (магнитометры, гравиметры, радиометры и т.д.), показания которых изучаются на Земле после обработки полученных данных.

Геологические процессы отличаются от прочих процессов (химических, физических, биологических и др.) своей продолжительностью. Поэтому большинство геологических процессов (образование горных пород, полезных ископаемых, процессы выветривания и др.) мы непосредственно не имеем возможности наблюдать от начала до конца. По этой причине долгое время не удавалось моделировать многие из них. Но и когда смоделировать геологический процесс удается, то практически всегда исследователи пренебрегают фактором времени: в моделируемом варианте процесс проходит во много раз быстрее, чем в естественных условиях. Это не может не накладывать серьезного отпечатка на сам процесс и в значительной мере его искажать по сравнению с природным. Это всегда надо иметь в виду.

Благодаря современным достижениям науки и техники удалось (с отмеченной оговоркой) смоделировать многие геологические процессы. Наиболее удачным из них можно считать моделирование процесса минералообразования, благодаря чему многие минералы человек научился делать по своему усмотрению с необходимыми на практике свойствами. В настоящее время в больших масштабах искусственно создаются кварцы, алмазы, рубины, сапфиры и многие другие минералы. Сложнее дело обстоит с моделированием процесса химического выветривания, так как искусственные процессы проходят в тысячи раз быстрее естественных. Такое несовпадение по длительности, т.е.

потеря временного фактора, приводит к потере многих качеств, присущих природным явлениям.

Возраст планеты Земля определяется в наше время в 4,5 – 5,5 млрд. лет, а возраст земной коры – 3,5 – 4,0 млрд. Так как геология изучает не только строение Земли, но и ее происхождение и развитие, то одной из главных задач является прослеживание во времени развития земной коры, установление определенных особенностей и закономерностей этого развития, установление скорости и последовательности геологических процессов. Так как летопись Земли запечатлена в «слоях земных», нам необходимо установить хотя бы относительный возраст этих слоев и решить следующие задачи: научиться определять более древние и более молодые геологические образования и процессы, получать доказательства одновозрастности этих образований и процессов в разных частях планеты. Для этого надо уметь определять возраст горных пород и создать последовательную, стройную систему летоисчисления в геологической науке.

Попытки решить эту задачу предпринимали очень давно. Ещё в XV веке Леонардо да Винчи высказал мысль о том, что раковины, которые встречаются в составе горных пород, слагающих современные горные системы, являются остатками животных организмов, которые существовали в древних морях и были погребены одновременно с накоплением осадков. Такой вывод явился основой для способа определения возраста горной породы по времени существования морских организмов.

Дальше в этом направлении пошел французский учёный Жорж Кювье, который в начале XIX века высказал мысль о том, что слои горных пород с одинаковыми органическими остатками являются одновозрастными образованиями. Изменение организмов он объяснял геологическими катастрофами и новым зарождением организмов по воле сверхъестественных сил. Им была создана основа метода определения возраста горных пород по органическим остаткам, захороненным в этих горных породах.

Позже английский геолог Чарльз Лайель объяснил смену органического мира в истории развития Земли последовательным развитием – эволюцией его по пути совершенствования и усложнения строения организмов от более простых в древние геологические времена к более сложным ближе к современности.

Именно Ч. Лайель обосновал теорию эволюции органического мира в истории геологического развития Земли. Эта теория получила высокую оценку и дальнейшее развитие в трудах известного естествоиспытателя Чарльза Дарвина.

Большой вклад в разработку теории эволюции органического мира внес русский ученый, палеонтолог В.О. Ковалевский. Он впервые в геологической науке выделил руководящие органические комплексы для датировки горных пород и высказал соображения о решающем влиянии условий обитания организмов на особенности их строения, что имело огромное значение для возрастной характеристики рубежей исторического развития Земли. Эти соображения явились окончательным основанием для формирования палеонтологического метода определения возраста горных пород.

Благодаря палеонтологическому методу были расчленены и датированы осадочные горные породы, слагающие нашу планету. Он относится к методам определения относительного возраста горных пород, т.е. возраста одних пород относительно возраста других. После этого появилась возможность говорить об одновозрастности горных пород, обнаруженных на удаленных друг от друга участках земной поверхности. Палеонтологический метод дал возможность охарактеризовать горные породы планеты важнейшей характеристикой – возрастом, что дало основу для составления геологических карт с выделением на них площадей развития разновозрастных образований, независимо от их состава и условий залегания. И хотя палеонтологический метод даёт возможность установления только относительного возраста горных пород, развитие палеонтологии привело к созданию детально разработанной системы относительного летоисчисления, лежащей в основе современной геологической хронологии.

Возможность применения палеонтологии для определения возраста горных пород определяется наличием, сохранностью в толщах горных пород наиболее характерных для определенного времени органических остатков, которые называют руководящими.

Исследователи исходят из того, что каждому временному интервалу в истории Земли отвечает органический комплекс руководящих форм, которые характеризуются следующими особенностями: 1) значительной изменчивостью во времени и недолговечностью существования; 2) обилием особей и широким их горизонтальным распространением; 3) хорошей сохранностью и специфическими отличительными признаками твердых частей тела для каждого вида.

Первый признак является объективным условием руководящей формы, связанным с эволюционными изменениями организмов; остальные два – субъективными условиями, обеспечивающими исследователям возможность более легкого и быстрого их обнаружения и различия.

На основе теории эволюции органического мира Ч. Лайеля, а также положения о влиянии условий обитания живых организмов на строение их скелетов В.О. Ковалевского и других положений была разработана теория актуалистического метода познания, базирующаяся во многом на палеонтологическом методе исследований. Смысл метода актуализма заключается в том, что по своему составу, строению и условиям залегания современные горные породы очень похожи или полностью идентичны древним горным породам. То же относится и к геологическим процессам. А коль скоро это так, то одинаковые горные породы образовались в одинаковых условиях и в древние геологические эпохи, и в наше время. Это даёт возможность устанавливать условия образования древних горных пород и полезных ископаемых на основании изучения и сравнения их с современными горными породами и полезными ископаемыми.

Позже в этот метод была внесена весьма существенная поправка относительно того, что вместе с эволюцией планеты эволюционировали и геологические процессы, происходящие и в земной коре, и на поверхности Земли.

Например, развитие органического мира привело к постепенному изменению состава атмосферы – изменению содержания в ней углекислого газа, кислорода и других газов, что соответственно вызвало эволюцию таких процессов, как процессы химического выветривания. Развитие и постепенное наращивание земной коры привело к существенному изменению процессов вулканизма. Другими словами, в геологической истории Земли все геологические процессы постоянно эволюционировали, хотя основная их суть часто сохраняется. Поэтому, применяя метод актуализма, необходимо всегда учитывать эволюцию всех геологических процессов на нашей планете.

Таким образом, палеонтологический метод дает возможность при геологических исследованиях достаточно уверенно решать две главные задачи: устанавливать относительный возраст горных пород и определять условия формирования осадочной горной породы, содержащей эти органические остатки – в водной или воздушной среде, при каких температурах, на каких глубинах и т.д.

Вторым методом определения относительного возраста горных пород является стратиграфический метод. Стратиграфия – это наука о последовательности осадконакопления. Суть метода заключается в том, что при ненарушенном первичном залегании горных пород нижележащие слои имеют более древний возраст, так как они образовались раньше, чем слои, залегающие выше. Таким образом, из двух толщ или слоев горных пород нижележащий имеет всегда более древний возраст, чем вышележащий. Этим методом относительный возраст горных пород определяется в том случае, если два и более слоев горных пород залегают таким образом, что видно их взаимоотношение, например, в едином обнажении или на небольшом удалении один от другого, когда можно быть полностью уверенным в их положении в разрезе. Для достаточно удаленных обнажений он самостоятельно не работает, и в таких случаях необходимо применение палеонтологического метода, пригодного для сравнения пород из как угодно далеко отстоящих друг от друга обнажений. Следует заметить, что и палеонтологический метод имеет недостатки, а именно: он не применим в тех случаях, когда горные породы не содержат руководящих органических остатков.

Комплексное использование палеонтологического и стратиграфического методов позволяет уверенно определять возраст горных пород и дает основу для создания геохронологической и стратиграфической шкал, в которых сведены все основные возрастные комплексы горных пород в виде слоев (толщ), лежащих в естественной последовательности их образования. Это и есть геологическая летопись Земли.

Международная геохронологическая шкала впервые была принята на Второй сессии Международного геологического Конгресса в 1881г. Эта шкала, являющаяся одновременно и стратиграфической, по мере получения новых геологических материалов постоянно пополняется и изменяется. Для обозначения возраста в шкале применены геологические индексы – буквенные обозначения (латинские) и цветовые обозначения. Эти же принципы применяются на всех геологических документах: геологических картах, стратиграфических колонках, разрезах и т.д.

Ниже приводится геохронологическая и стратиграфическая шкала по состоянию на октябрь 1993г. (табл. 1,2, авторы А.И. Жамойда, О.А. Мазарович, Р.И. Соколов).

Но не всегда горные породы содержат органические остатки. В таких случаях прибегают к другим методам определения относительного возраста, наиболее употребительными среди которых являются литологический и минералогический.

Литологический метод заключается в сопоставлении разрезов соседних обнажений или скважин. Как правило, он используется при относительно небольших расстояниях между точками наблюдения (обнажениями, горными выработками или скважинами). Если в двух или нескольких соседних скважинах наблюдается одинаковая последовательность напластования горных пород, то вполне вероятно, что они образованы в одно и то же геологическое время из одних и тех же источников. В случае отсутствия других данных – прежде всего палеонтологических, этот метод часто бывает единственным, дающим возможность хоть как-то приблизительно определить возраст горных пород.

Минералогический метод также применяется в тех случаях, когда невозможно применить более точные методы – стратиграфический и палеонтологический. Он заключается в сопоставлении возраста горных пород по комплексам содержащихся в них минералов и специфическим особенностям этих минералов: форме кристаллов, микропримесям в минералах, их окраске и др.

Литологический и минералогический методы особенно часто применяются при изучении так называемых «немых» отложений, лишенных органических остатков. Например, одним из таких конкретных случаев применения названных методов является построение стратиграфической схемы для докембрийских, самых древних на Земле отложений. Помимо описанных выше методов для их стратификации применяется также геохимический метод: по сопоставлению геохимических особенностей пород, отражающих особенности среды осадконакопления, проявления синхронного вулканизма и проч.

Кроме методов определения относительного возраста горных пород, существуют изотопные методы определения так называемого «абсолютного» возраста, т.е. возраста горных пород, измеренного в единицах времени. Для геологических событий и образований такой единицей является миллион лет.

Мезозойская, 183 млн. лет Кайнозойская, 65 млн.

ФАНЕРОЗОЙ

Акротема Протерозой, PR Архей, АR Изотопные методы основаны на использовании радиоактивного распада некоторых химических элементов. Измерение возраста производится по содержанию продуктов радиоактивного распада в минералах или горных породах, времени полураспада и соотношению содержаний продуктов распада и остаточных продуктов. Процесс распада химических элементов в природе происходит с постоянной скоростью, и в результате этого появляются атомы устойчивых, уже не распадающихся далее элементов. Постепенно количество этих элементов увеличивается в минерале или горной породе пропорционально геологическому возрасту изучаемого вещества. Обычно для определения возраста используются так называемые «долгоживущие» элементы, то есть элементы с большим периодом полураспада (уран, торий и др.).

Существует несколько методов определения изотопного возраста горных пород. Из них наиболее точным является свинцовый метод (свинцово-урановоториевый). В этом методе определение возраста осуществляется по отношениям содержаний изотопов свинца 208PB/204Pb, 207Pb/204Pb, 206Pb/204Pb.

Стронциевый метод основан на особенностях радиоактивного распада рубидия и превращения его в изотоп стронция 87Sr. При этом методе возможны значительные ошибки в определении возраста за счет привноса рубидия в минералы из других источников, т.е. не за счет только радиоактивного распада.

Калий – аргоновый метод или просто аргоновый. Суть метода заключается в накоплении радиогенного аргона в калиевых минералах. Метод является наиболее доступным и наиболее распространенным. Недостатком его являются весьма значительные ошибки, которые могут быть допущены, так как эти минералы (калиевые полевые шпаты, слюды, глауконит и др.) могут легко терять радиогенный аргон. Вместе с тем возможен и привнос аргона в эти минералы. В результате не всегда могут быть объяснены получаемые при применении этого метода цифры возраста: наряду со значительным омоложением возможно и значительное удревнение возраста исследуемых горных пород. Доступность и относительная дешевизна исследований калий-аргоновым методом связаны как с широким распространением калиевых минералов, так и с возможностью определения возраста не только по мономинеральным пробам, но и по навескам горных пород, содержащих эти минералы.

Радиоуглеродный метод основан на определении количества нераспавшегося изотопа 14С. Этот метод применяется для определения возраста наиболее молодых геологических образований (кайнозойских), следов культуры древнего человека, его орудий труда, охоты, предметов быта.

ЧАСТЬ 2. ЭКЗОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Экзогенные геологические процессы являются выражением атмосферных и гидросферных геологических процессов, то есть процессов, происходящих на поверхности Земли. Важность их объясняется, прежде всего, тем, что они являются главной причиной образования одной из трех важнейших групп горных пород – пород осадочных, образованных из первично накопленного осадка. Сам осадок в зависимости от способа его получения может быть обломочным (состоящим из обломков), хемогенным (образованным в качестве нерастворимого осадка при химическом взаимодействии различных веществ) или органогенным (биогенным, образованным из остатков живых организмов или продуктов их жизнедеятельности). В случае одновременного накопления разных типов осадков образуются смешанные осадочные горные породы. С ними связано огромное количество разнообразных полезных ископаемых: газообразных, жидких и твердых.

Одной из важнейших особенностей экзогенных геологических процессов является стадийность их геологической деятельности, приводящей к образованию горных пород. Начальной стадией такой деятельности является разрушительная, которая сменяется транспортировочной и завершается накопительной – аккумулятивной. Характеристика всех этих стадий для каждого экзогенного геологического процесса приводится в этом разделе работы.

Поскольку экзогенные геологические процессы являются выражением деятельности атмосферы и гидросферы, рассмотрим некоторые общие особенности этих наружных оболочек Земли.

2.1. АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ И СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ПРОЦЕССЫ

Атмосфера как непосредственная геологическая сила проявляется в процессах выветривания, ветровой и ледниковой деятельности. Она представляет собой газовую оболочку планеты, окружающую и вращающуюся вместе с ней как единое целое. Атмосфере принадлежит важнейшая роль в возникновении и развитии жизни на Земле.

Произошла атмосфера, вероятнее всего, из газов, выделенных литосферой после образования Земли. В процессе развития планеты состав атмосферы сильно изменялся в связи с уходом атмосферных газов в космическое пространство, непрерывного выделения новых порций газов из литосферы, химического взаимодействия газов с литосферой, эволюцией жизни на земле и др.

причинами. Огромное количество углекислого газа растворялось в водах морей и океанов и осаждалось в виде карбонатных горных пород. Атмосферная углекислота используется постоянно в питании растениями, а выделяемый при этом кислород – в дыхании животными.

Современный состав атмосферного воздуха до высоты 100 км (%): кислород – 20,95; азот – 78,08; аргон – 0,93; углекислый газ – 0,03. Остальные газы составляют тысячные доли процента (водород, неон, гелий, водяные пары и прочие).

Одной из важнейших составных частей атмосферного воздуха для геологических процессов является пыль, которая благодаря очень мелким размерам частиц поднимается на большие высоты и может находиться там значительное время. Источниками атмосферной пыли могут быть мелкие частицы минералов и горных пород с поверхности Земли, водяные пары с водной поверхности планеты, вулканическая пыль, поднятая в воздух воздушными течениями, а также космические частицы.

В ходе эволюции Земли состав атмосферы постоянно изменялся. В древние геологические эпохи, например, в докембрийское время в ее составе преобладал углекислый газ, значительную роль играли химически активные хлор, фтор и др. газы. Близкой к такому составу является современная атмосфера таких планет Солнечной системы, как Марс и Венера. В процессе эволюции нашей планеты осаждение в морях и океанах огромных количеств карбонатных горных пород – прежде всего известняков и доломитов, связывало углекислый газ атмосферы, а развитие жизни привело к выделению значительных количеств кислорода: от долей процента в докембрийское время до первых процентов в девонское и почти 21% в наше время. Появление жизни на земле, и особенно животного мира, привело к интенсивному накоплению кислорода в атмосфере в связи с поглощением растениями углекислого газа в процессе фотосинтеза и выделением кислорода. О составе древней атмосферы ученые судят по составу газов в виде мелких включений – пузырьков в древних осадочных горных породах, образованных в атмосфере и гидросфере. По этим включениям и было определено преобладание в догеологические эпохи развития Земли в составе атмосферы аммиака и метана, которые при окислении привели к образованию азота и углекислого газа, замененного в процессе дальнейшего развития жизни, в значительной мере кислородом.

Усиленное образование кислорода способствовало, кроме того, образованию в атмосфере озонового слоя. Это произошло на высоте 1–30 км. Важность этого процесса и самого озонового слоя заключается в том, что озон способен поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца и передавать его на Землю в виде тепловой энергии, одновременно защищая жизнь на планете от губительного для нее ультрафиолетового излучения.

В строении атмосферы наблюдаются некоторые интересные закономерности. Прежде всего, она состоит из нескольких оболочек, различающихся специфическими физическими параметрами (температурой и давлением) и их динамикой.

Эти оболочки образуют концентрически-зональное тело. Нижняя часть атмосферы называется тропосферой, протягивающейся на высоту от 8-10 км на полюсах Земли до 16-18 км на экваторе. По мере удаления от поверхности Земли температура в тропосфере понижается до – 40 – 900С, а давление – до 100-300 мбар. Колебания температуры в тропосфере зависят от климатической зоны и сезона года.

Максимальные колебания отмечены в полярных областях, минимальные – в зоне экватора. Атмосферой Земли поглощается 45% тепловой энергии, поступающей от Солнца. Способность атмосферы поглощать и аккумулировать тепловую энергию Солнца называется парниковым эффектом и определяется содержанием углекислого газа и водяных паров.

В верхнем слое тропосферы температура стабилизируется, и этот слой называется тропопаузой.

Над тропосферой располагается следующая концентрическая оболочка, называемая стратосферой. Стратосфера простирается до высоты 55 км. В отличие от тропосферы температура в этой сфере с удалением от поверхности Земли повышается, достигая в верхней части 00С, а иногда и выше. Повышение температуры в стратосфере происходит на 1-20С через каждый километр высоты. Именно в стратосфере расположен озоновый слой с максимальным содержанием озона на высоте 25 км. Верхний слой стратосферы характеризуется постоянной температурой около 00С и называется по аналогии с тропосферной зоной постоянных температур стратопаузой.

Еще выше располагается мезосфера – до высоты 80-85 км. От стратосферы она отличается тем, что температура в ней с удалением от Земли снова последовательно понижается до – 60 – 800С и верхняя ее зона – мезопауза характеризуется также постоянными температурами. Одной из примечательных особенностей мезосферы является приуроченность к ней такого интересного атмосферного явления, как полярное сияние, вызываемое высоким содержанием в ней ионов газов.

Над мезосферой находится предпоследняя сфера атмосферы, простирающаяся до высоты 800 км и называемая термосферой, которая, в свою очередь, сменяется экзосферой, высота распространения которой достигает 2000 км. В составе экзосферы преобладают ионы легких газов: водорода и гелия, а также элементарные частицы. Она является переходным слоем от атмосферы к межпланетному пространству. Таким образом, высота атмосферы Земли составляет км.

Состояние атмосферы изучается по трем важнейшим факторам: температуре воздуха, содержанию водяных паров (давление), а также характеру и направлению перемещения воздушных масс (ветер).

Температура воздуха в атмосфере очень изменчива. Общепризнанным северным полюсом холода является метеостанция Оймякон в Якутии с отмеченным минимумом температуры воздуха -67,70С. Близкие температуры отмечены на севере Канады, в Гренландии и на Аляске. Южным полюсом холодного воздуха является станция «Восток» в Антарктиде с минимальной температурой воздуха -88,30С.

Установлены на планете и самые горячие точки. Они расположены в США, в пустыне Мехаве, где воздух прогревается до +56,70С, и в Ливийской пустыне – до +57,80С. Приведенные температуры воздуха характеризуют только нижние слои атмосферы. Непосредственно на поверхности Земли температура выше также в тропической зоне и ниже в полярных областях. Так, в Туркмении температура песка составляет +770С при температуре воздуха всего +450С. В Заполярье при температуре воздуха -67,70С температура снега достигает -69,90С.

Для природных геологических процессов часто большое значение имеют не сами температуры, а их колебания, диапазон которых достигает на земле 1600С. Но в большинстве районов этот интервал не превышает 40-500С. Например, в Республике Коми амплитуда колебаний температур воздуха весьма значительна: при минимальной -450С максимальная достигает +350С, составляя амплитуду температур воздуха до 800С.

При характеристике природных процессов, происходящих на поверхности Земли, обычно оперируют среднесуточными, среднемесячными и среднегодовыми температурами. Значительные различия в среднегодовых температурах связаны с положением района относительно экватора, что объясняется в значительной мере отражательной способностью поверхности Земли, т.е. слагающих эту поверхность горных пород. Эта способность зависит от рельефа поверхности планеты, наличия или отсутствия снежного покрова, продолжительности нахождения этого покрова, степени запыленности атмосферы и некоторых других причин.

Вторым важнейшим фактором интенсивности геологических процессов является влажность – содержание водяных паров в атмосфере. Влажность тесно связана с температурой воздуха – повышение температуры воздуха приводит к уменьшению влажности, а понижение – к ее увеличению. При 100%-ной влажности происходит конденсация водяных паров и образование облачности. При этом огромную роль играет атмосферная пыль, выступающая в этом случае в качестве ядер конденсации. Количество выпадающих осадков также очень неравномерно распределено в разных районах планеты и в разное время. Оно зависит от географического положения района, особенностей рельефа (равнина или горная область), влажности воздуха, скорости и направления ветра и других причин. Минимальное количество осадков выпадает на Земле в Чили – 0,8 мм/год, а максимальное – на Гавайских островах – 11684 м/год. Количество осадков весьма неравномерно распределяется и в течение года. Так, в Западной Африке, например, они выпадают только в сезон дождей, когда дожди идут практически ежесуточно и полностью прекращаются в сухой сезон, продолжающийся в течение полугода. В полярных районах Северного полушария основная часть осадков выпадает в зимний сезон в виде снега. Характер осадков, частота их выпадения и количество являются чрезвычайно важными для таких экзогенных геологических процессов, как выветривание, образование и таяние ледников, образование и деятельность рек и других.

Третий важный фактор, определяющий характер экзогенных геологических процессов, – это перемещение масс воздуха, основной причиной которых является неравномерная плотность атмосферы, находящаяся в теснейшей зависимости от вращения Земли и неравномерности ее прогревания Солнцем, а также от рельефа поверхности Земли.

Таким образом, на интенсивность и направленность геологических экзогенных процессов прямое влияние оказывают температура и влажность воздуха и его перемещение над поверхностью Земли. Состояние этих трех факторов в определенной местности в данный момент и определяет погоду. Погода характеризуется большой изменчивостью в течение суток или даже дня или ночи: дождливая погода может быстро смениться солнечной. Быстро изменяют погоду изменяющаяся температура или ветер. Изменение погоды во времени для определенных участков земной поверхности создает климат – закономерную последовательность метеорологических процессов, определяемую географическими условиями участка и выражающую многолетний режим погоды. Поэтому при изменчивой погоде климат конкретного района является всегда постоянной характеристикой, являющейся выражением закономерности смены погодных условий. В связи с этим климат является одним их важнейших условий и факторов, которые обусловливают характер и основные закономерности направленности экзогенных геологических процессов. Различают четыре основных климатических пояса нашей планеты: арктический и антарктический, умеренный, тропический и экваториальный. Для каждого их этих поясов выделяют по четыре типа климата: континентальный, океанический, западных побережий и восточных побережий. По соотношению температур воздуха и влажности атмосферы в тропическом и экваториальном поясах различают аридный – засушливый климат и гумидный – влажный климат.

Выветривание представляет собой совокупность процессов изменения и разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли под действием физических, химических и органических агентов. Результатом выветривания является кора выветривания – комплекс горных пород, возникших в верхней части литосферы в результате преобразования в континентальных условиях магматических, осадочных и метаморфических горных пород под влиянием атмосферных процессов.

Различают два основных типа выветривания: физическое (механическое) и химическое. Некоторые исследователи выделяют в качестве самостоятельного типа органическое выветривание. Мы рассматриваем его непременной составной частью физического и химического выветривания. Например, рост корней деревьев разрушает горные породы, в которых они произрастают, механически раздвигая трещины в породах – поэтому в данном случае растения выступают в качестве действующей силы механического (физического) разрушения. В другом случае, когда те же растения вместе с соками втягивают через корневую систему некоторые химические элементы в зоне выветривания, они способствуют химическому разрушению горных пород и являются действующей силой химического разрушения этих пород. И в том, и в другом случае разрушение пород растениями является только частью общего разрушительного процесса при выветривании, а самостоятельная их роль не так существенна.

Физическое выветривание – это разрушение горных пород, вызванное колебаниями температур и вызванными этими колебаниями процессами. Горные породы сложены из минералов, имеющих разные окраски, в связи с чем разные части этих пород подвергаются воздействию солнечной энергии поразному. Более темноцветные минералы (роговые обманки, биотит, пироксены и др.) нагреваются значительно сильнее, а более светлые (кварц, полевые шпаты и др.) – слабее. Соответственно они при нагревании по-разному расширяются, а при остывании по-разному сжимаются в объеме. Многократные периодические расширения и сжатия приводят сначала к образованию микротрещин на границе минералов, по трещинам спайности и другим направлениям, а позже порода полностью превращается в обломки разных размеров. Как видно из этого примера, разрушение при физическом (механическом) выветривании происходит физическим способом. Физическое выветривание также может происходить при замерзании воды в трещинах, повторяемом неоднократно.

Механическим способом разрушаются горные породы под воздействием растений и животных. О растениях и их роли в механическом выветривании было сказано выше. Животные механически разрушают или разрыхляют горные породы, принимая посильное участие в этом виде выветривания, примером чего могут служить роющие организмы (кроты, черви и др. животные), проделывающие ходы в горных породах.

Химическое выветривание представляет собой химическое разложение минералов и горных пород под воздействием температуры воздуха, химически активных растворов и атмосферных осадков, которые вступают в химическое взаимодействие с этими минералами и горными породами. Главными агентами химического выветривания, производящими разрушение минералов и горных пород, являются кислород, водород, вода, углекислота, органические и другие химически активные вещества.

Процесс химического выветривания реализуется при благоприятных климатических, геоморфологических, тектонических и литологических условиях, о которых речь пойдет ниже.

Климатические условия обеспечивают необходимые для интенсивного химического изменения горных пород температуру атмосферы и режим атмосферных осадков, что соответственно характеризует тот или иной тип климата:

аридный или гумидный. Экспериментальными работами и расчетным путём установлено, что наиболее благоприятны для химического выветривания среднегодовые температуры в пределах +20 +250С без резких колебаний. Такой режим температур обеспечивает интенсивность и непрерывность химических процессов. Поэтому более благоприятны для глубокого химического выветривания районы тропической зоны Земли, в то время как физическое выветривание интенсивнее происходит в условиях резко континентального климата с резкими колебаниями температур. Среди ученых, изучающих химические коры выветривания, нет пока единого мнения о типе тропического климата, благоприятного для глубокого химического преобразования горных пород до латеритной стадии. Одна группа ученых считает, что для латеритного процесса необходим постоянно влажный климат, так как постоянно поступающие осадки являются и источником химически активного раствора, и фактором удаления из профиля выветривания растворенных химических элементов. Именно постоянный приток осадков в виде дождя способствует и созданию хорошей дренажной системы. Другая группа доказывает необходимость для полного химического выветривания переменно-влажного климата с чередованием дождливых и сухих (без осадков) сезонов, что в настоящее время наблюдается в Западной Африке. В случае недостаточного обеспечения дренажа в профиле химического выветривания могут создаваться застойные явления, и процесс выветривания прекращается.

Геоморфологические условия обеспечивают также два направления в процессе химического выветривания: временное и дренажное. Для интенсивного химического выветривания необходимо продолжительное воздействие на горные породы атмосферных факторов, а это возможно только при относительно ровном рельефе поверхности выветривания. При неровной поверхности рельефа разрушающиеся горные породы постоянно удаляются с места выветривания в пониженные участки местности и не испытывают глубокого химического преобразования. В таком случае выветриванию будут подвергаться всё новые и новые горные породы, степень выветривания которых остаётся весьма низкой.

В то же время на выровненной поверхности породы получают возможность длительное время подвергаться воздействию процессов выветривания и достигают глубокого химического преобразования.

Дренажное направление обеспечивает возможность фильтрации через профиль выветривания больших объемов химических растворов, которые, просачиваясь сквозь толщу горных пород, растворяют их и удаляют из профиля растворённые химические элементы: щелочные металлы, щелочные земли и другие в порядке их химической активности и подвижности. Опытным путём установлено, что наиболее активные процессы химического выветривания проходят в условиях достаточно расчленённого рельефа с наличием выровненных поверхностей и перепадом высот в 100-150м между поверхностями выветривания и уровнем грунтовых вод. Такой перепад обеспечивает условия дренажа и глубину максимальной химической переработки толщи горных пород в этом профиле.

Тектонические условия призваны обеспечить стабильное положение поверхностей выветривания и благоприятные геоморфологические условия, о которых сказано выше. Поверхность выветривания должна находиться в относительном тектоническом покое или испытывать медленное поднятие, при котором улучшаются дренажные условия за счет большей расчлененности рельефа. В тектонически подвижном районе, особенно при интенсивных тектонических движениях, не может быть реализована достаточная продолжительность химического воздействия на выветриваемые горные породы, так как поверхность выветривания превратится либо в сильно расчленённую местность (в условиях интенсивного поднятия), либо (в условиях погружения) опустится слишком близко или даже ниже уровня грунтовых вод. В таких условиях процесс выветривания прекращается.

Литологические условия или условия благоприятного субстрата обеспечиваются соответствующим составом горных пород. Так, бескварцевые алюмосиликатные породы подвергаются химическому разложению легче и быстрее, чем кварцевые, алюмосиликатные минералы (полевые шпаты, слюды и др.) превращаются в железистые и алюминиевые породы или руды (бокситы, железняки), каолинитовые глины; никельсодержащие могут стать исходным материалом для образования никелевых руд и т.д.

В процессе химического выветривания минералы и горные породы претерпевают глубокое химическое изменение, которое происходит в результате химического взаимодействия твёрдого вещества с корообразующими растворами. При этом можно рассматривать следующие типы химических реакций:

окисления, гидратации, растворения и гидролиза.

Реакции окисления приводят к образованию в профиле выветривания окислов (оксидов). Например, при окислении в зоне выветривания пирита – сульфида железа образуется водная окисная форма этого металла – лимонит.

Гидратация – это процесс связывания частиц растворимого в воде вещества с водой. Присоединение молекул воды изменяет минеральный состав породы в связи с образованием новых минералов, содержащих гидратную и кристаллизационную воду. В результате гидратации ангидрит превращается в гипс. Обратная реакция – дегидратация заключается в освобождении минерала от воды, т.е. в ее потере. Следствием дегидратации также является изменение минерального состава вещества: в случае с гипсом мы наблюдаем превращение этого водного сульфата в безводный сульфат – ангидрит в результате дегидратации.

Реакции растворения приводят к образованию специфических карстовых форм: полостей, трещин, пещер, провалов и др. В результате растворения минералы переходят в раствор и в растворенном виде выносятся из зоны выветривания, за пределы профиля выветривания. К наиболее растворимым минералам относятся галит, сильвин, карналлит, гипс, ангидрит, карбонатные минералы, поэтому они растворяются в первую очередь и удаляются за пределы профиля выветривания.

Гидролиз представляет собой процесс разложения минералов с разрушением кристаллической решетки, выносом продуктов разрушения в растворенном состоянии и гидратацией, реакцией обменного разложения между водой и разлагаемыми химическими соединениями, способными под воздействием воды расщепляться на более низкомолекулярные соединения с присоединением элементов воды: водорода и гидроксильной группы по месту разрыва связи. В результате гидролиза происходит разрушение минерала сложного строения с образованием на его месте более простых форм. Например, гидролиз алюмосиликатного минерала микроклина приводит к образованию целого ряда новых минералов: на первых стадиях выветривания и в зависимости от условий выветривания – каолинита, а при более глубоких процессах (при латеритном характере выветривания) – окислов алюминия, железа и титана.

Процесс выветривания приводит к превращению первичной (материнской) горной породы в совершенно новую, иногда практически не сохраняющую видимых связей и признаков исходной горной породы. Процессы физического и химического выветривания часто проходят параллельно, при этом процессы физического разрушения увеличивают удельную поверхность горной породы и готовят благоприятные условия для глубокого химического преобразования минералов в зоне выветривания. При физическом выветривании часто создаются условия для интенсивного дренажа поверхностных растворов через толщу горных пород, что также способствует интенсификации корообразовательного процесса.

При любом типе выветривания образуется новый генетический тип горных пород – пород коры выветривания, среди которых выделяется два основных типа: остаточные – элювиальные и переотложенные, представленные несколькими разновидностями в зависимости от способа перемещения этих продуктов и места накопления.

Элювиальные отложения или элювий – это горные породы, которые после своего образования в профиле выветривания остаются на месте или, во всяком случае, практически не перемещаются. Элювий может быть продуктом как физического, так и химического выветривания. Для элювиальных горных пород химического выветривания, в составе которых преобладают оксиды и гидрооксиды алюминия, железа и титана, принято название латеритов или латеритного профиля выветривания. Если к тому же в этих образованиях резко преобладают оксиды и гидроксиды алюминия, такие продукты выветривания называют бокситами.

Переотложенные продукты выветривания, перемещенные от места своего первичного образования к месту накопления, также могут быть результатами и физического, и химического выветривания. В первом случае их перемещение происходит в растворенном состоянии (в виде растворов), во втором – механическим способом в виде разных размеров обломков. При неровном рельефе продукты физического выветривания перемещаются вниз по склону от более высоких отметок рельефа к более низким под действием различных сил. Если это перемещение происходит под действием собственной силы тяжести, такие отложения называются коллювиальными (коллювий, рис. 8); продукты, смытые со склонов дождевыми потоками или талыми водами (при таянии снега), называются делювиальными (делювий); смытые временными потоками (например селевыми), называют пролювиальными (пролювий).

Рис. 8. Коллювиальные грубообломочные отложения.

Остаточные (элювиальные) коры выветривания характеризуются своеобразной зональностью, закономерно отражающей ход процесса выветривания.

Эта зональность специфична для разных климатических условий и для разных по составу исходных (материнских) горных пород. Зональность выветривания называют профилем выветривания.

Одним из первых российских геологов, изучивших процессы химического выветривания и образующуюся при этом зональность профиля выветривания, был И.И. Гинзбург. Согласно его представлениям, профиль выветривания характеризуется в сводном разрезе рядом последовательно и закономерно сменяющихся зон и горизонтов, различающихся разной степенью разложения исходных минералов и горных пород. В нем выделяют снизу вверх 4 основные зоны: 1) гидратации силикатов и начала выщелачивания продуктов физического выветривания; в состав этой же зоны включается и часто выделяемая в качестве самостоятельной зона дезинтеграции горных пород, то есть зона простого физического (механического) выветривания, в которой может и не быть химических преобразований; 2) конечной гидратации, развития выщелачивания и начала окисления; 3) выщелачивания, развития гидролиза и окисления; 4) интенсивного окисления и конечного гидролиза.

Конечные продукты химического выветривания образуются в самой верхней зоне профиля. Таким образом, наступление фронта выветривания происходит сверху вниз и в этом же направлении соответственно выветрелые породы постепенно сменяются всё менее и менее измененными вплоть до неизмененных, что и отражает профиль выветривания.