Задачи базовых геологических наук

Базовые геологические науки используют данные всех вещественных наук и имеют свои задачи и методы исследований. В общей геологии раскрываются гипотезы формирования планеты Земля, ее оболочечное строение и явления в ней происходящие и бывшие. В динамической геологии описываются процессы, происходящие в недрах Земли и на ее поверхности. Глубинные процессы, действующие за счет внутренней энергии Земли, получили название эндогенные. Приповерхностные процессы, которые происходят за счет энергии Солнца, гравитации и органического вещества называются экзогенными. Эти процессы более подробно рассмотрены ниже в отдельных разделах. В динамической геологии изучаются процессы, связанные с деятельностью рек, озер, морей, ледников, приповерхностным разрушением пород – выветриванием. Анализом рельефа Земли занимается геоморфология.

Земля как планета имеет геологическую историю развития, оцениваемую в 4,5-5,0 млрд лет. За это время существенно перестраивалось внутреннее строение планеты и соответственно ее поверхность. Происходили изменения объема всей планеты, площадей и конфигурации морей, океанов, островов и континентов. Этапы активной геодинамики и магматизма сменялись условиями относительного покоя. Существенно менялся климат. Процессы ритмично повторялись и эволюционировали, имели место и революционные катастрофические переходы. Эти проблемы изучает историческая геология.

Глобальные и региональные изменения отражались в смене одних пород другими. Наиболее убедительно такие изменения зафиксированы в последовательном напластовании толщ осадочных пород. Расшифровкой последовательностей осадочных пород занимается стратиграфия. В таких реконструкциях существенную и часто определяющую роль играет диагностика остатков вымерших организмов и выяснение истории развития организмов и растений, которые изучает палеонтология. Это наука, наравне с методами исторической геологии, в полной мере использует биологические способы изучения организмов и их сообществ. Данные стратиграфии и определения модельных изотопных возрастов служат основой геохронологии. Основу определения модельного (абсолютного) возраста составляет расчет периода распада по масс-спектральным определениям содержания начальных и конечных радиоактивных изотопов, произведенный на основании закона и констант радиоактивного распада. Поэтому используют уран-свинцовый, рубидий-стронциевый, гелиевый, калий-аргоновый и радиоуглеродный методы. Стратиграфия позволяет синхронизировать геологические образования. Палеонтологические данные вместе с минералого-геохимическими и историко-геологическими позволяют реконструировать древние ландшафты, чему посвящена палеогеография.

Изменения физико-географических условий обуславливали разнообразие представителей животного и растительного мира, которые имеют иерархические подразделения. Самые крупные группы родственных организмов в палеонтологии, как и в биологии, объединены в типы. Тип включает классы, классы - роды, роды - виды. Вид является элементарной единицей, объединяющей особи, для которых характерно полное сходство во внешнем и внутреннем строении организмов. В животном мире выделено 14 типов: 1 - простейшие; 2 - губки археоциаты; 3 - кишечнополостные; 4 - двукрылые; 5 -перепончатые; 6 - чешуекрылые; 7 - жесткокрылые; 8 - другие насекомые; 9 - другие членистоногие; 10 - моллюски; 11 - иглокожие; 12 - остальные типы; 13 - хордовые; 14 -млекопитающие.Растительный мир разделен на 8 типов:1 – слоевцовые; 2 – мхи; 3 – псилофиты; 4 – плауновые; 5 – членистостебельные; 6 – папоротниковые; 7 – голосеменные; 8 – покрытосеменные.

Органический мир закономерно менялся в геологической истории Земли вместе с соответствующими палеогеографическими изменениями. Периодичность этих изменений выражена в международных стратиграфической и геохронологической шкалах (табл. 1.2.1 и 1.2.2).

Таблица 1.2.1

Соотношение геохронологических и стратиграфических подразделений

Каждое стратиграфическое подразделение имеет свой характерный комплекс руководящей фауны и флоры, геохронологической – данные по абсолютной продолжительности в млн и сотнях тысяч лет. Эти подразделения едины для всех континентов. Время существования Земли разделено на два главных интервала (эона) – фанерозой и криптозой (докембрий). В криптозое была скрытая жизнь, существовали только микроорганизмы и мягкотелые организмы, не оставляющие остатков в осадочных породах. В фанерозое развивались организмы со скелетом. В криптозое выделяют архейскую и протерозойскую эры, в фанерозое – палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. В последнее время самый ранний этап развития Земли выделяют в самостоятельную единицу – гадей. Каждому геохронологическому подразделению соответствуют определенные изменения в органическом мире и лике планеты (см. табл. 1.2.2).

Используются и местные стратиграфические шкалы. Наиболее крупной единицей местной шкалы является серия. Серия может делиться на свиты, свиты - на пачки. Сериям и свитам присваиваются местные географические названия, пачки нумеруются.

Для историко-геологических и палеогеографических реконструкций прежде всего анализируются особенности осадочных толщ. Породы определенного литологического состава и строения, имеющие типичные палеонтологические признаки получили название генетических типов отложений, а при обосновании их синхронности – фаций. Комплексы пород, слагающие крупные геологические тела, сформированные в однотипных условиях, объединены в геологические формации.

С эндогенными процессами связаны явления проплавления пород мантии и земной коры, получившие название магматизма. Если очаги расплавов застывают в недрах Земли, то в них формируются интрузивные породы. При условии достижения расплавов поверхности Земли магматические процессы и породы называются вулканическими, а потоки расплавов по поверхности – лавами или покровами. Выше приведено краткое описание наиболее распространенных магматических пород. Магматические процессы тесно связаны с тектоническими и геодинамическими. Там, где имеется высокая тектоническая и сейсмическая активность, повышен тепловой поток и проявлены интрузии и вулканизм.

Эндогенные процессы включают конвективные движения основных глубинных масс планеты, сосредоточенных в ее расплавленном ядре и обволакивающей его вязкой мантии, а также тонкой верхней каменной оболочке (литосфере) и самой верхней ее части земной коре. Эти движения рассматриваются в геодинамике и геотектонике. Предметом тектоники являются эндогенные процессы, обуславливающие деформации горных пород и массивов. Формы, которые получаются в результате вязких складчатых и хрупких разрывных деформаций горных пород рассматриваются в структурной геологии. Катастрофическая разрядка тектонических напряжений в недрах Земли сопровождается смещениями блоков земной коры и земной поверхности и землетрясениями, которые изучаются в сейсмологии.

Таблица 1.2.2

Международная геохронологическая шкала и главные события в геологической истории

В результате тектонических движений Земля имеет неоднородное строение. Тектонические структуры различаются по глубинности, размерам, рангам и происхождению. Наиболее крупными структурами Земли являются континенты и океаны. В них по степени тектонической активности выделяются стабильные (платформы и срединные массивы) и подвижные складчатые и горные структуры литосферы второго ранга. К тектоническим структурам того же порядка относят глубинные разломы.

На континентах следующие по рангу структуры представлены платформами и складчатыми поясами. Платформы отличаются стабильным развитием и двухэтажным строением и преобладающим равнинным рельефом поверхности. Нижний этаж сложен складчатыми осадочными комплексами, магматическими и метаморфическими породами, нарушенными разломами. Верхний этаж (осадочный чехол) слагают осадочные толщи пологого и субгоризонтального залегания, нижние серии которых залегают с угловым несогласием на более древних породах нижнего этажа. Выделяют древние платформы, в которых складчатое основание имеет докембрийский возраст, и молодые платформы с основанием палеозойского и мезозойского возрастов. В древних платформах выделяют структуры третьего ранга: щиты – поднятые блоки, в которых на поверхность выходят породы складчатого основания; плиты, где распространены породы осадочного чехла.

Складчатые пояса представляют собой протяженные между платформами обычно горные части континентов, отличающиеся сложно дислоцированным залеганием мощных осадочных и вулканогенных пород и пронизанных многочисленными интрузивными массивами позднепротерозойского и фанерозойского возрастов. Пояса включают складчатые области, в которых выделяют по три структурных этажа: комплекс основания, сложенный протерозойскими метаморфическими и магматическими породами; второй этаж сложен сложно дислоцированными и изменчивыми по составу и мощности осадочными, вулканогенными и интрузивными породами; верхний (орогенный), в котором обломочные осадочные и вулканогенные породы выполняют наложенные впадины. Складчатые области включают срединные массивы, представляющие собой относительно стабильные складчато-глыбовые образования, сложенные породами складчатого основания.

В океанах выделяются структуры второго порядка: океанические плиты и срединно-океанические хребты. Океанические плиты являются обширными стабильными блоками и сложены с субгоризонтальным залеганием осадочных и вулканических пород. Они осложнены мелкими структурами: вулканическими и глыбовыми поднятиями, краевыми валами, микроконтинентами. Срединно-океанические хребты рассекают океаны почти на всем их протяжении и имеют ширину от 300 до 4000 км. Внутри них расположены рифтовые грабенообразные долины, обрамленные подводными горами.

Между континентами и океанами располагаются своеобразные структурные геоблоки: шельфы; впадины окраинных морей; поднятия островных дуг; прогибы окраинных глубоководных желобов. Шельфы представляют собой подводные равнины, сложенные опущенными блоками континентов. Поднятия островных дуг представлены горными складчатыми сооружениями, вытянутыми в виде в виде цепочек островов. Они сложены дислоцированными терригенными и карбонатными осадочными породами. С ними со стороны океанов ассоциируют глубоководные узкие до 100 км желоба выполненные преимущественно терригенными и глинистыми отложениями и достигающими глубины 7-11 км. Их протяженность достигает нескольких тысяч км.

Для глубинных разломов характерны, большая глубина заложения, превышающая мощность земной коры, протяженность в сотни и тысячи км и длительность действия в сотни млн лет. Различаются континентальные, океанические и трансконтинентальные глубинные разломы. Глубинные разломы часто контролируют вулканические пояса, вытянутые на первые тысячи км и шириной 100-200 км. Зоны глубинных разломов являются максимально сейсмически активными.

Относительно мелкие тектонические структуры в виде складчатых и разрывных дислокаций наиболее явно выражены в осадочных толщах. Толща осадочных пород состоит из пластов горных пород. Пластом (слоем) называется геологическое тело, сложенное преимущественно однородной осадочной породой, ограниченное сверху и снизу приблизительно параллельными поверхностями напластования. Верхняя граница пласта называются кровлей, нижняя - подошвой. Кратчайшее расстояние между поверхностями напластования называется истинной мощностью (толщиной).

Положение пласта в пространстве определяют элементы его залегания: линия простирания, линия падения, угол падения и простирание, которые имеют площадные ориентировки (азимуты). Линия простирания - это линия пересечения пласта с горизонтальной плоскостью. Линия падения - это направление наибольшего наклона пласта. Линия падения перпендикулярна линии простирания. Углом падения пласта называется угол между линией падения и горизонтальной плоскостью. Азимутами линии простирания и линии падения называются углы, отсчитываемый от северного направления истинного меридиана до заданного направления по ходу часовой стрелки.

Согласное залегание пластов получается в условиях непрерывного осадконакопления. Если были перерывы в седиментации без тектонических перестроек, то формируеся стратиграфическое несогласное залегание. При структурных перестройках во время перерывов фиксируется угловое несогласное залегание пластов

Первичное горизонтальное залегание пластов называется ненарушенным. Нарушения пластов, происшедшие без разрыва их пластов, называются пликативными дислокациями, с разрывами - дизъюнктивными дислокациями. Основной формой нарушения без разрыва сплошности пласта является складка. Крылья складки представляют собой две поверхности, ограничивающие складку по краям, имеющие более или менее одинаковый наклон слоёв. Замок складки - место перегиба слоёв, слагающих крылья складки. Чётких границ между крыльями и замком складки не существует. Ядро складки представляет собой породы, слагающие центральную часть складки. Угол складки - угол между продолженными до пересечения поверхностями крыльев. Осевая поверхность складки - поверхность, проходящая через точки перегиба слоёв в замке складки. Осью складки называется линия пересечения осевой поверхности складки с горизонтальной поверхностью. Шарнир складки - это линия, проходящая через точки максимального перегиба слоя в замке складки. Он характеризует строение складки вдоль ее осевой поверхности. Простейшими видами складок являются антиклинали и синклинали. У антиклинали изгиб слоёв обращен выпуклостью вверх, у синклинали - выпуклостью вниз. Флексура – коленообразный изгиб полого или горизонтально залегающих слоев или крыльев более крупных складок.

При тектонических движениях земной коры пласты горных пород могут быть разорваны и смещены относительно друг друга. Среди разрывных (дизъюнктивных) нарушений принято различать разрывы со смещением (разломы) и разрывы без смещения (трещины). Прилегающие к наклонному разлому участки горных пород называются крыльями. Крыло, перекрывающее разлом, называется поднятым, а крыло, перекрываемое разломом, опущенным. Расстояние смещения крыльев по разлому (поверхности сместителя или сместителя) называется амплитудой. Выделяются вертикальная и горизонтальная составляющие амплитуды смещения.

Сбросами называются разрывные разрушения, плоскость сместителя которого которогонаклонена в сторону опущенного крыла. У взбросов имеются обратные соотношения и сместитель наклонен в сторону поднятого крыла. Сдвиги представляют нарушения с горизонтальной амплитудой смещения. Надвиги - разрывные нарушения, по форме напоминающие взбросы, но с пологими углами наклона поверхности сместителя, составляющими менее 45⁰. Сбросы и взбросы могут ограничивать грабены и горсты. Грабены – линейно вытянутая структура, включающая ограниченный разрывными нарушениями в виде сбросов и реже взбросов и опущенный блок горных пород относительно смежных с ним поднятых блоков. Горсты – также вытянутая структура с поднятым блоком горных пород относительно смежных с ним опущенных блоков. Наиболее ярко грабены выражены в срединно-океанических хребтах. Разломы имеют разные размеры и соответствующие порядки.

Различная история геологического развития и глубинное строение отдельных блоков Земли и земной коры обусловили разнообразие геологического строения отдельных регионов и районов суши и водных ландшафтов. Они фиксируются методами геологического картирования и отражаются в региональной геологии. Геологическая карта представляет собой вертикальную проекцию выходов горных пород на поверхность, изображённую на топографической основе с помощью условных знаков. Возраст горных пород на геологических картах обозначается с помощью соответствующих индексов, окраски или штриховки. Карты сопровождаются геологическими разрезами, в которых в вертикальных сечениях земной коры, проведенных вдоль определённых линий, представлены геологические тела. На разрезе отображаются условия залегания горных пород, границы геологических тел, соотношения пород различного возраста. Разрез составляется по данным выходов слоёв под четвертичные отложения, буровых скважин и геофизических исследований.

Важнейшей практической стороной использования геологических наук является анализ месторождений полезных ископаемых - учение о полезных ископаемых. Оно включает генетическую часть, в которой раскрываются геологические процессы происхождения скоплений минерального сырья. Геолого-экономическим аспектам посвящено изучение промышленных типов месторождений металлических, неметаллических и горючих видов минерального сырья. Развивается методика поисков и разведки месторождений полезных ископаемых. Проблемы прогнозирования месторождений раскрываются в минерагении и при анализе структур рудных полей и месторождений.