33
РЕФЕРАТ
По дисциплине Естествознание
по теме: «Геология как наука»
Введение
Геология - это наука мыслителей! Мышление пронизывает геологию на всех этапах работы - от первичного наблюдения до обобщений глобального масштаба. И мысль в геологии ценнее любых "фактов", ибо и они зависят от мысли...Разум - это ум, подчинённый чувству прекрасного"
Н. Мартьянов
Геология это целая отрасль науки. Она объединяет большое количество наук. Геология, не смотря на корень гео в названии, не ограничивается изучением Земли. Солнечная Система изучается такими разделами геологии: космохимия, космология, космическая геология и планетология.
Планету Земля можно разделить на оболочки. Внешняя, газовая оболочка Земли - атмосфера. Жидкая оболочка планеты - гидросфера состоит из океана, системы рек и озер и подводных вод. Населённая жизнью оболочка Земли - биосфера. Большая часть Земли находится в твёрдом состоянии, и именно твёрдая Земля является предметом изучения комплекса геологических наук. Однако все оболочки интенсивно взаимодействуют друг с другом и их нельзя рассматривать по отдельности. Но и Землю целиком нельзя рассматривать как замкнутую систему. Земля получает из окружающего космоса значительные количества вещества и энергии. Изучение воздействия космоса на Землю - пограничное поле между геологией, астрономией и космологией. Геология, помимо прочего, наука историческая, и важнейшей её задачей является определение последовательности геологических событий.
Геологи всегда работали в мире относительного времени. Точность, с которой можно определить положение некого события на шкале относительного времени, прямо зависит от ее дробности (т.е. числа составляющих шкалу событий) и полноты (события должны распределяться по шкале более или менее равномерно, не оставляя «пустот»). Поэтому геологи видели свою задачу в том, чтобы совершенствовать в указанных направлениях шкалу относительного времени - палеонтологическую летопись.
Изучение исторического развития планеты необходимо для прогнозов дальнейшего существования человеческой цивилизации, так как глобальные биосферные кризисы, сопровождаемые массовыми вымираниями организмов происходили, по геологическим данным со значительной регулярностью. Это позволяет говорить о цикличности (периодичности) геологических процессов, а значит, принципиальной предсказуемости угрожающих человечеству явлений.
Цикличность заключается в том, что геологические явления и процессы, сменяя друг друга во времени, образуют цепь событий, в которой каждое звено - это законченный цикл. Например, глобальный цикл - формирование суперматерика Пангея и его раскол. Таких циклов в истории земной коры было 2, сейчас протекает третий. В свою очередь каждый из таких глобальных циклов состоит из нескольких тектонических циклов (или этапов) развития земной коры. Для человека глобальные геологические циклы могут быть опасны, но, не имея возможности предотвратить катастрофу, можно ее предсказать. Геология позволяет человеку узнать его прошлое, и в этом прошлом человек ищет ответы на вопросы будущего.
1. Становление геологии как науки
Геология, как наука прошла большой серьёзный путь в своём развитии. До XVIII века геология являлась отделом минералогии (пассивное описание минералов и пород), или физической географии. Основной задачей этой науки считалось разъяснение вопроса по происхождению земли. Геология, как наука в понимании, близком к современному, оформилась в конце XVIII века, когда разрозненный запас геологических сведений был систематизирован в России М. Ломоносовым, в Германии А. Вернером и другими. Термин «геология» был введен в 1657 г. ученым Эмольтом.
Первые упоминания о геологии можно найти в древних памятниках Месопотамии и Египта (второе-третье тысячелетие до нашей эры). В Китае сохранились рукописи 7-4 тысячелетия до нашей эры, где даны первые описания минералов и горных пород. В 11-13 веке до н.э. многие восточные ученые занимались описанием минералов: таджикский философ-врачеватель Абу Ибн-Сина (Авиценна), узбек Аль-Бируни, азербайджанский ученый Мухамед Насеридин (Туси). В 1021-1023 годах в «Книге Исцеления» Авицена пытается объяснить процессы породообразования и предлагает первую классификацию минералов и горных пород. В 1048 г. Альберти в своей «Книге Сводок для познавания драгоценностей» описал более 100 минералов и горных пород.
С давних пор в каменоломнях и шахтах, а иногда просто на земной поверхности люди находили странные образования, напоминавшие то листья растений, то кости животных, то раковины моллюсков. Эти таинственные формы были похожи на настоящие листья и кости, но откуда глубоко под землей могли появиться останки организмов?
Одни ученые считали, что загадочные ископаемые, так поразительно напоминающие растения и животных, представляют собой окаменевшие «соки земли»; другие полагали, что это результат «игры природы»; третьи выдвигали предположение об их самопроизвольном зарождении. Но примерно в середине XVIII века все эти взгляды уступили место так называемой дилювиальной теории, или теории потопа (по-латыни потоп дилювий). Согласно этой теории все окаменелости рассматривались как останки животных и растений, погибших во время всемирного потопа.
Дилювиальная теория была значительным шагом вперед по сравнению со всеми существовавшими до нее предположениями. Теперь к ископаемым стали относиться как к останкам подлинных, действительно живших организмов, их начали собирать, и тщательно описывать. Эти описания сопровождались рисунками. Впервые в геологической литературе появились атласы с изображением целых комплексов ископаемых растений и скелетов животных. Зарождалась новая наука, которую позже назвали палеонтологией, что по-гречески означает «учение о древних организмах».
Сравнивая окаменелости с современными животными и растениями, ученые делали первые попытки установить условия, в которых жили погибшие организмы. Ископаемые не позволяли установить год потопа, в результате которого погибли обитатели Земли, но некоторые признаки окаменелостей, казалось, давали возможность судить хотя бы о сезоне, когда могло произойти это событие.
В 1702 г. английский естествоиспытатель Джон Вудворд издал книгу «Естественная история Земли», где описал, в частности, ископаемые орехи. Вудворд обратил внимание на то, что эти орехи неспелые. Следовательно, они были погребены в конце весны, когда плоды уже образовались, но созреть еще не успели. К такому же выводу пришел швейцарский коллега Вудворда - Иоганн Якоб Шойхцер, исследовавший растительные остатки, которые он принял за незрелые колосья. Шойхцер тоже предполагал, что потоп произошел приблизительно в мае.
Но относительно времени начала потопа среди ученых не было единого мнения. Каждый исследователь называл новые сроки. Вот, например, что писал в 1758 г. Дж. Парсонс, изучавший ископаемые плоды с острова Шеппи в устье Темзы: «Если эти плоды, которые я имею честь положить перед Вами, являются додилювиальными, то можно представить, как это делал доктор Вудворд, что они в некоторой степени указывают время года, когда произошел Потоп. Вудворд полагал, что Потоп имел место в мае, но его мнение встречает возражения... Найденные окаменевшие плоды столь совершенны, что заставляют предполагать, что они были вполне зрелыми, когда были захоронены в тех местах, в которых они найдены. Это убеждает нас в том, что Потоп произошел ближе к августу». Некоторые были еще более категоричны. Так, вышеупомянутый ирландский архиепископ Ашер в своем труде «Анналы мира», ссылаясь на находки ископаемых, решительно заявил, что потоп начался в воскресенье 7 декабря - ни раньше, ни позже.
Но по мере того как росло количество собранных ископаемых остатков, становилось все более очевидным, что многие ископаемые животные и растения совершенно не похожи на существующих ныне. С учетом этого стали высказываться предположения, что среди окаменелостей встречаются не только предшественники современных организмов, но и «допотопные» группы, погибшие во время катастрофы и не имеющие аналогов в современном растительном и животном мире. Кроме того, предлагалось различать «туземные» формы, погребенные там, где они обитали, и остатки «экзотических» организмов, которые жили в других областях и были перенесены к местам их захоронения во время потопа
Уже в 1760 г. толща земных отложений была подразделена на три последовательно сменяющие друг друга группы горных пород: первичную, вторичную и третичную. Сопоставляя находки ископаемых организмов с этой первой грубой шкалой, исследователи убеждались, что отличия древних животных и растений от современных тем заметнее, чем глубже залегают пласты, заключающие в себе окаменелости. Но связать разрозненные наблюдения в единую непротиворечивую гипотезу долгое время не удавалось.
В 1796 г. в графстве Сомерсетшир на юго-западе Англии работал на прокладке канала землемер Уильям Смит. Наблюдая различные слои горных пород, он заметил, что в каждом встречаются «органические ископаемые», присущие только этому слою. В одних пластах есть многочисленные раковины, в других - отпечатки растений; некоторые же толщи вообще лишены ископаемых остатков. Смит стал собирать окаменелости из каждого слоя. Изучив их, он составил первую таблицу последовательности геологических отложений Англии. А через несколько лет, выпустив в свет «Геологическую карту Англии, Уэльса и части Шотландии», Смит приступил к изданию своего исторического труда под названием «Пласты, определяемые по их органическим ископаемым». В предисловии он писал, что окаменелости дают ключ к познанию подпочвенных слоев, и подчеркивал, что находить и распознавать их могут даже люди совершенно неграмотные.
После работ Смита уже не оставалось сомнений в том, что животный и растительный мир на протяжении истории Земли неоднократно изменялся. Этот факт невозможно было объяснить с точки зрения дилювиальной теории, утверждавшей, что и теперь на Земле обитают те же виды животных и растений, которые жили на ней до потопа. Гипотеза о всемирном потопе утратила свою ценность. Становилось все яснее, что чем древнее организмы, тем существеннее разница между ними и современными животными.
Попытку истолковать это явление сделал французский ученый, основатель сравнительной палеонтологии Жорж Кювье. Он высказал мысль, что в былые времена на нашей планете неоднократно происходили катаклизмы - колоссальные катастрофы, в результате которых гибло большинство обитателей Земли. И после каждого такого переворота животный мир возрождался, но уже в ином составе. Теория катастроф сыграла в геологии и палеонтологии большую роль. Она утвердила идею, что история Земли распадается на ряд этапов, каждому из которых свойственны определенные формы животных и растений.
Признание значения окаменелостей для определения возраста земных слоев заметно оживило развитие всех областей геологической науки и существенно способствовало их прогрессу. Изучение ископаемых остатков подтвердило, что до потопа существовал протяженный ряд многократно сменявших друг друга сообществ организмов. Палеонтологические материалы стали широко использовать при составлении геологических карт и поисках месторождений минерального сырья.
Против теории катаклизмов выступил французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк. С начала XIX века один за другим выходят в свет его основополагающие труды: «Гидрогеология», «Естественная история растений», «Философия зоологии» и многотомная «Естественная история беспозвоночных животных». Намного опередив свою эпоху, Ламарк создал первое стройное учение о развитии органического мира, обосновал новую систематику животных, уточнил принципы ботаники, впервые развил эволюционные идеи в биологии и высказал мысль, что и сам человек является результатом исторического развития жизни.
Современники не смогли в полной мере оценить значение работ Ламарка. Но провозглашенные им воззрения и его огромный научный авторитет оказали определенное влияние даже на тех исследователей, которые продолжали оставаться убежденными катастрофистами. Следствием этого стали многочисленные смелые попытки установить закономерности появления различных групп организмов во времени.
В 1820 г. немецкий ученый Каспар Штернберг подразделил историю растительного мира Земли на три больших периода. Восемь лет спустя, французский геолог и палеоботаник Александр Броньяр установил существование четырех периодов. Данные этих исследователей, занимавшихся изучением древней флоры, начали сопоставляться с материалами, полученными в разных странах специалистами по вымершим беспозвоночным. Это было рождение шкалы относительного геологического возраста земных слоев.
Теория катастроф продолжала оставаться главенствующей в науке на протяжении нескольких десятилетий. Положение ее пошатнулось только в середине прошлого века, когда в 1859 г. вышел в свет замечательный труд английского естествоиспытателя Чарлза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь».
Выдвинутая Дарвином теория эволюции, согласно которой в облике животного и растительного мира происходит бесконечный ряд изменений, отражающих взаимоотношения организмов и изменения среды, где они живут, дала новый толчок развитию различных областей палеонтологии. Десятки людей во многих странах мира начинают интересоваться окаменелостями. Отовсюду поступают сообщения о новых находках ископаемых организмов.
С конца XIX века начала XX в. наука геология расширила свои горизонты, в том числе и благодаря революционным идеям Владимира Ивановича Вернадского и Александра Евгеньевича Ферсмана, которые определили геологию, как науку о строении земли, её происхождении и развитии, которая основывается на изучении геологических процессов и земной коры в целом. По словам Вернадского, XX век, является периодом ломки коренных естественнонаучных представлений, когда история науки сама наталкивает человека на правильный путь решения многих актуальных проблем.
В.И. Вернадский (1863-1945) - выдающийся русский естествоиспытатель, минеролог и кристаллограф, основоположник геохимии и биогеохимии, организатор большого числа научных учреждений. Кафедра минералогии Московского университета, возглавляемая В.И. Вернадским сыграла исключительную роль в развитии науки. В своих исследованиях и лекциях В.И. Вернадский выдвинул на первый план с одной стороны выяснение химической природы минералов, с другой вопросы их происхождения их изменений и преобразований в различных зонах земной коры. Прежнему описательному направлению минералогии он противопоставлял генетическую минералогию, или химию земной коры. Изучая минералы, как продукты химических процессов, протекающих в земной коре, Владимир Иванович естественным образом перешёл к истории отдельных химических элементов, или геохимии.
Геология является комплексной наукой, в ее состав входят многочисленные, зачастую разноплановые, дисциплины.
Химический состав Земли, процессы, концентрирующие и распыляющие химические элементы в различных сферах Земли, являются предметом геохимии. Земную кору - верхнюю твердую оболочку Земли слагают различные генетические типы горных пород (магматические, осадочные и метаморфические), состоящие из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Изучая такую иерархию - химические элементы - минералы - горные породы, можно судить о строении земной коры в различных структурных зонах. Ниже рассматриваются все указанные части вещественного состава земной коры.
Химические изменения в земной коре определяются преимущественно геохимической историей главных породообразующих элементов, содержание которых составляет свыше 1%. Вычисления среднего химического состава земной коры проводились многими исследователями как за рубежом (Ф. Кларк, Г.С. Вашингтон, В.М. Гольдшмидт, Ф.Тейлор, В. Мейсон и др.), так и в Советском Союзе (В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, А.П. Виноградов, А.А. Ярошевский и др.).
Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы - непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме - лавовых потоках. Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150-200 км.
Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы и другие, физические и химические исследования - рентгеноструктурные, спектрографические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.
2. Назначение и сфера исследования геологических наук
Физические свойства планеты Земля и изучением её физическими методами занимается геофизика. Земля в основном состоит из минералов. Изучением минералов, вопросами их генезиса, классификации и определения занимается минералогия. Минералы образуют горные породы. Описанием и классификацией горных пород занимается петрография, а изучением их происхождения наука петрология. Земля - «живая», активно меняющаяся планета. В ней происходят движения, различающиеся по масштабу на многие порядки. Процессами самого крупного, планетарного масштаба занимается геодинамика. Она изучает связь процессов в ядре, мантии и земной коре. Движения земной коры в меньшем масштабе, на уровне блоков земной коры изучает тектоника. Структурная геология занимается изучением, описанием и моделированием важнейших нарушений земной коры - разломов и складок. Микроструктурная геология изучает деформацию пород на микроуровне - в масштабе зёрен минералов и агрегатов.
Все геологические науки в той или иной степени имеет исторический характер, рассматривают существующие образования в историческом аспекте и занимаются в первую очередь выяснением истории формирования современных структур. Данные о последовательности важнейших событий в истории Земли обобщает историческая геология. История Земли делится на два крупнейших этапа - эона, по появлению организмов с твёрдыми частями, оставляющих следы в осадочных породах и позволяющих по данным палеонтологии определение относительного геологического возраста. С появлением ископаемых на Земле начался фанерозой - время открытой жизни, а до этого был криптозой или докембрий - время скрытой жизни. Геология докембрия выделяется в особую дисциплину, так как занимается изучением специфических, часто сильно и многократно метаморфизованных комплексов и имеет особые методы исследования.
Палеонтология изучает древние формы жизни и занимается описанием ископаемых остатков, а также следов жизнедеятельности животных. Стратиграфия - наука об определении относительного геологического возраста осадочных горных пород, расчленении толщ пород и корреляции различных геологических образований. Одним из основных источников данных для стратиграфии является палеонтологические определения.
Различные отрасли геологии изучают принципы протекания геологических процессов. Геологические процессы видоизменяют земную кору и ее поверхность, приводя к разрушению и одновременно созданию горных пород. Экзогенные процессы обусловлены действием силы тяжести и солнечной энергии, а эндогенные - влиянием внутреннего тепла Земли и гравитации. Все процессы взаимосвязаны между собой, а их изучение позволяет использовать метод актуализма для познания геологических процессов далекого прошлого.
Геология полезных ископаемых изучает типы месторождений, методы их разведки и поиска. Отдельной наукой является геология горючих полезных ископаемых - нефти, горючего газа, угля.
Лозунг геологов «Mente et Malleo» - «умом и молотком». Молоток как главное орудие геологов остался в прошлом веке, сейчас на первый план выходит теоретическое мышление, что требует синтеза геологии с другими естественными, а также точными науками. Давно уже никто не открывает месторождений на ощупь, сначала нужно понять, как формируются месторождения и где их искать, а затем уже устраивать дорогостоящие экспедиции, разведку и бурение. В последние десятилетия геологи выработали методы на основе точных наук - математики, химии, физики - эффективно применять которые позволила новая теория, объединившая различные направления геологии. Мобилизм, или теория движения литосферных плит, о котором подробнее будет рассказано ниже, дал колоссальный толчок развитию геологии и был сразу воспринят российскими учеными.
В 1972 году на симпозиуме в США ученые многих стран впервые увидели на геофизических разрезах, как плита Наска движется под южноамериканский континент и на ее изломе находятся очаги землетрясений, которые постоянно сотрясают Чили. Места, где плита погружается в мантию, зоны субдукции, очень опасны в сейсмическом отношении, но они также порождают крупные месторождения полезных ископаемых. Испанцы XVI века могли не заботиться о поиске золота, серебра и платины, они просто вывозили их из Центральной и Южной Америки галеонами, пока не кончилось все, что было на поверхности. Геолог XXI века действует иначе, он ищет древние зоны субдукции, потому что там возможны крупные месторождения драгоценных металлов. Руды Камчатки и Средней Азии именно такого происхождения.
Новые теории соединяют фундаментальные науки и геологию, увязывая между собой направления, прежде развивавшиеся каждое по своей внутренней логике: геохимию, геофизику и поисковую геологию. Теперь стало возможным создавать действительно глобальные концепции внутреннего строения Земли, этапов ее развития. Хотелось бы подробнее рассмотреть здесь эволюцию взглядов на причины протекания геологических процессов и формирования поверхности Земли.
В морфологическом плане крупнейшие элементы земной поверхности континенты и океанические впадины. В свою очередь, в строении каждого из них тоже присутствуют неоднородности. И континенты, и океаны разделяются на области активного тектонического развития геосинклинали и стабильного развития платформы. У каждой области мы отмечаем свой набор геологических формаций и последовательность в их образовании, формы залегания осадочных толщ, проявление магматизма и метаморфизма.
3. Сущность геотектонических гипотез
На разных этапах развития геологических знаний ученые пытались найти причину таких различий и на основе известных причинно-следственных связей создать гипотезу, объясняющую различие и особенности в строении и развитии земной коры. Такие гипотезы называют геотектоническими.
Первая гипотеза возникла во второй половине XVIII века и получила название гипотезы поднятий. Ее предложили М.В. Ломоносов, немецкие ученые А. фон Гумбольдт и Л. фон Бух, шотландец Дж. Хаттон.
Суть гипотезы в следующем - поднятия гор вызваны подъемом из глубин Земли расплавленной магмы, которая на своем пути оказывала раздвигающее действие на окружающие слои, приводившее к образованию складок, пропастей разной величины. Ломоносов впервые выделил два типа тектонических движений - медленные и быстрые, вызывающие землетрясения.
В середине XIX века на смену этой гипотезе пришла гипотеза контракции французского ученого Эли де Бомона. В ее основе была космогоническая гипотеза Канта и Лапласа о происхождении Земли как первоначально раскаленного тела с последующим постепенным охлаждением. Этот процесс приводил к уменьшению объема Земли, и в результате Земная кора сжималась, и возникали складчатые горные сооружения подобные гигантским «морщинам». Для своего времени это была прогрессивная гипотеза, достоинством которой является разработка учения о геосинклинальном, орогенном и платформенном этапах развития земной коры. Но с позиций этой гипотезы было трудно объяснить, почему смятие происходит в определенных зонах, и почему этот процесс был периодическим.
В середине XIX века англичанин Д. Эйри и священник из Калькутты Д. Пратт открыли закономерность в положениях аномалий силы тяжести - высоко в горах аномалии оказывались отрицательными, т.е. обнаруживался дефицит массы, а в океанах аномалии были положительными. Чтобы объяснить это явление предложили гипотезу, согласно которой земная кора плавает на более тяжелом и вязком субстрате и находится в изостатическом равновесии, которое нарушается действием внешних радиальных сил.
Эта гипотеза, не имея широкого самостоятельного значения, тем не менее, в части движения земной коры по субстрату легла в основу другой геотектонической гипотезы.
Космогоническую гипотезу Канта-Лапласа сменила гипотеза О.Ю. Шмидта о первоначальном твердом, холодном и однородном состоянии Земли. Возникла необходимость иного подхода в объяснении формирования земной коры. Такую гипотезу предложил В.В. Белоусов. Называется она радиомиграционная. Суть этой гипотезы:
1. Основной энергетический фактор - радиоактивность. Разогрев Земли с последующим уплотнением вещества происходил благодаря теплу радиоактивного распада. Радиоактивные элементы на начальных этапах развития Земли распределялись равномерно, и поэтому разогрев был сильным и повсеместным.
2. Нагревание первичного вещества и его уплотнение привело к разделению магмы или ее дифференциации на базальтовую и гранитную. В последней концентрировались радиоактивные элементы. Как более легкая, гранитная магма «всплывала» в верхнюю часть Земли, а базальтовая погружалась вниз. При этом происходила и температурная дифференциация. В то время как, верхняя гранитная часть остывала и кристаллизовалась, внутренняя часть за счет внутреннего разогрева расширялась, воздействовала на твердую оболочку и та начинала растрескиваться. По образовавшимся трещинам устремлялись лавы. Это приводило к потере энергии и охлаждению подкоровых областей. В местах наибольшего охлаждения происходило сжатие, земная кора прогибалась, и зарождались геосинклинали. В результате каждого геосинклинального цикла внедрялись гранитные магмы, и с ними происходила миграция радиоактивных элементов в верхнюю часть земной коры. Следствием этого явилось постепенное охлаждение внутренних частей Земли, которое привело к переходу от активных тектонических движений к более спокойным, т.е. от геосинклинального состояния к платформенному.
Недостатком этой гипотезы можно считать то, что с ее позиций трудно объяснить периодичность и синхронность тектонических процессов. Устранить этот недостаток должна была гипотеза пульсации. Согласно этой гипотезе Земля периодически испытывает периоды расширения, сменяющиеся периодами сжатия. В периоды расширения развиваются вертикальные движения, появляются разрывы в земной коре, интенсивно проявляется магматизм. В периоды сжатия происходит складкообразование, затухает магматизм.
Если проанализировать перечисленные гипотезы, то можно отметить для них общее:
1. Преобладание вертикальных (или радиальных) тектонических движений в процессе формирования земной коры.
2. Признание стабильного (фиксированного) положения отдельных частей земной коры относительно подстилающей мантии.
Эти гипотезы стали называть фиксистскими, а ученых, которые развивают идеи фиксизма, стали называть фиксистами. Современные геотектонические гипотезы разрабатываются, используя идеи мобилизма. В основе этой идеи лежат представления о преобладании в тектонических движениях земной коры горизонтальных движений
Гипотеза континентального дрейфа утверждает, что относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли. Внимательно рассмотрев очертания береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки, невольно удивишься их потрясающему сходству. Еще в 1620 г. великий англичанин Фрэнсис Бэкон объяснял это совпадение возможной связью двух континентов в далеком прошлом. В 1912 г. А. Вегенер изложил наиболее полно гипотезу континентального дрейфа в своей книге «Происхождение океанов и континентов». Будучи метеорологом, он особенно заинтересовался тем, что в определенные прошлые эпохи оледенением были охвачены экваториальные области, в то время как в высоких широтах преобладали тропические условия.
Само по себе это наблюдение можно было бы объяснить сдвигом направления оси вращения планеты, происходящим без каких-либо перемещений в ее поверхностных оболочках. Однако Вегенер выдвинул множество качественных аргументов в пользу того, что в прошлом континенты примыкали друг к другу. Помимо сходства береговых очертаний он обнаружил соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Вегенер отстаивал идею о существовании единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны.
Позже А.Дю Тойт (1937) отверг идею единого суперконтинента, предполагая, что первоначально существовали северный континент Лавразия, южный Гондвана и разделяющий их океан Тетис. Согласно П. Хоффману (1991), за всю историю Земли континенты, по крайней мере, пять раз объединялись в суперконтинент, образуя поочередно Лаурентию (1,9 миллиарда лет назад), безымянный (1,5 миллиарда лет назад), Роднию (1 миллиард лет назад), Гондвану (650 миллионов лет назад) и Пангею (250 миллионов лет назад).
Проводившиеся в середине нашего столетия интенсивные исследования океанического дна привели к открытию глобальной системы подводных гор, так называемых срединно-океанических хребтов. Одновременно была выдвинута важная гипотеза, что в области осей океанических хребтов постоянно происходит формирование новых участков океанического дна, расходящихся в стороны от хребта. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин. Действительно, можно предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично в обе стороны от него, формирует новый океан. Скорее всего, таким образом, возник Атлантический океан, посреди которого теперь расположен рассекающий его на две части срединно-Атлантический хребет.
Концепция континентального дрейфа завоевала общее признание исследователей Земли лишь в период между 1967 и 1970 годами. До этого изучение твердой Земли велось в основном на континентах, где ярко проявляются вертикальные движения земной коры. Хотя в поддержку новой концепции выдвигались убедительные аргументы, почти все геофизики выступали против нее. Их возражения основывались, по большей части, на представлениях о жесткой мантии Земли - части земных недр, заключенной между корой и ядром, - и отсутствии эффективного механизма движения континентов.
Действительно, было известно, что через мантию могут распространяться поперечные сейсмические волны, и это свидетельствовало о ее твердом состоянии. Поэтому возникал весьма важный вопрос, каким образом твердое вещество мантии может допускать горизонтальное перемещение континентов на многие сотни и тысячи километров. С другой стороны, уже в конце прошлого столетия на основе измерений силы тяжести было высказано соображение, что мантия ведет себя подобно жидкости. Под горными массивами, например, располагаются легкие породы. Дефицит массы «горных корней», - лежащих под горными массивами пород, - примерно равен избытку масс выступающих вверх гор. Это можно объяснить, исходя из принципа гидростатического равновесия, если допустить, что мантия ведет себя как жидкость, на которой горные массивы плавают подобно льдинам на воде.
Как показали исследования высот прибрежных террас в Скандинавии, земная поверхность там все еще продолжает «всплывать» после таяния мощных слоев льда, намерзшего во время последнего ледникового периода. Исходя из скорости этого процесса, было установлено, что коэффициент вязкости материала мантии чрезвычайно велик, но не бесконечен, и, следовательно, в геологических масштабах времени, в течение многих миллионов лет, можно считать, что мантия ведет себя как жидкость.
Позже было установлено, что при температурах, равных заметной доле температуры плавления, активизируются так называемые процессы ползучести, позволяющие мантийным породам перетекать за времена порядка десять тысяч лет. Жесткая литосфера - кора и самая верхняя часть мантии - состоит из пород, температура которых достаточно низка, в силу чего они не могут испытывать течений даже за столь длительные промежутки времени.
Чтобы континенты могли двигаться, на них должны действовать силы. А. Вегенер предполагал, что движения в Земле, ответственные за континентальный дрейф, вызываются или приливными силами, или силами, связанными с вращением Земли. Однако позже английский геофизик сэр Г. Джеффрис показал, что эти силы оказываются недостаточными, и описал полученные результаты в своей книге «Земля: ее происхождение, история и строение». Для приведения в движение континентов необходимо найти какой-то другой механизм. Он должен обладать запасом энергии, достаточным, по крайней мере, для того, чтобы покрывать расход энергии, непрерывно теряемой при землетрясениях, вулканических извержениях и горообразовании.
В качестве такого гипотетического механизма была предложена тепловая конвекция - вертикальные потоки жидкого вещества мантии. Конвекция может возникнуть в жидкости, находящейся в поле силы тяжести, если жидкость нагревается снизу или изнутри и охлаждается сверху. В результате более холодные породы погружаются в глубь мантии, а нагретые поднимаются к поверхности Земли. Согласно одной из концепций, нагрев мантии происходит за счет радиоактивного распада изотопов урана 235U и 238U, тория 232Th и калия 40K.
В 60-х годах концепцию континентального дрейфа дополнительно подтвердили результаты палеомагнитных исследований. Под действием внешнего магнитного поля Земли породы в момент своего образования приобретают намагниченность, которая сохраняется в дальнейшем. Исследования ее ориентации позволяют определить, как перемещались относительно магнитных полюсов Земли породы за время, прошедшее с момента их образования. Образцы пород из разных частей одного и того же континента, не претерпевших локальных деформаций, указывают примерно одно и то же направление на магнитные полюса Земли. Однако породы Северной Америки и Европы дают различные положения магнитных полюсов. Отсюда делался вывод, что это различие возникло в результате относительного дрейфа двух континентов. Сопоставление расположения границ между областями с повышенным и пониженным значениями напряженности магнитного поля по сравнению с ее средним значением и оценка времени, за которое направление геомагнитного поля изменилось на противоположное, позволило количественно определить скорость раздвигания океанического дна.
Восстановление картины геологических процессов, протекавших миллиарды лет назад и знание механизма этих процессов имеет не только академическую ценность. Значение полезных ископаемых для современной промышленности нельзя переоценить. Детальное знание о процессах перемещения веществ в литосфере планеты может помочь прогнозировать перспективные для разработок районы. Приблизительно 3,5 млрд. лет назад на Земле зародилась жизнь. Возникновение жизни кардинально изменило химические процессы внутри планеты. Около 2,5 млрд. лет назад образовалась кислородная атмосфера, окислившая осадочные породы в океане, а ведь именно они опускаются в мантию в так называемых зонах субдукции.
Океанские осадки содержат в себе до 3% воды, несколько десятых процента углекислоты и, попадая в недра, реагируют с мантийным веществом, выплавляя оттуда редкие элементы. Обогащенный расплав в свою очередь поступает наверх и изливается через гигантские разломы - рифты, наращивая океанскую кору. Пройдя многократный процесс плавления, глубинное вещество, обогащенное редкими элементами, образует в земной коре гигантские залежи полезных ископаемых, как, например, Хибинский и Ловозерский массивы на Кольском полуострове, крупнейшие источники апатита и редких земель. Этот глобальный круговорот вещества подтверждает анализ изотопов стронция, неодима, осмия. Крупные месторождения можно открыть и сейчас, если этим заниматься, применяя точное знание.
Неотектонические (новейшие) движения проявились в различных частях Земли и определили её современный рельеф. Наиболее они проявились в формировании горного рельефа. Все горы на Земле сформировались в неоген - четвертичном периодах, реже палеоген - четвертичном, хотя по высоте они отличаются. Гималаи и Альпы - высокие, а Уральские горы значительно ниже первых. Это зависело от неравномерности проявления интенсивности неотектонических движений. Для изучения современных и неотектонических движений широко используется геоморфологические методы. С помощью топокарт и аэроснимков выявляют аномалии рельефа, которые отражают тектонические движения. Признаками неотектонических опусканий служит образование эстуариев, погружение террас ниже уровня моря, величина коралловых рифов более 40-60 м.
Научное и практическое значение изучения тектонических движений и результатов этих движений состоит в проведении палеотектонические реконструкций и возможности определять условия формирования строения земной коры. Реконструкции движений по разломам и определения путей движения рудоносных растворов и их концентрации в благоприятных структурных позициях позволяют на практике проводить целенаправленные поиски полезных ископаемых.
4. Историческая геология и прошлое Земли
Гипотеза континентального дрейфа оказала большое влияние на развитие многих разделов геологии, в том числе, и историческую геологию. Этот раздел геологической науки хотелось бы рассмотреть подробнее, в связи с большим его значением не только для восстановления картины прошлого Земли, но, в значительной степени, и для прогнозирования ее будущего. Историческая геология является одним из крупных разделов геологических наук, в котором в хронологическом порядке рассматривается геологическое прошлое Земли. Поскольку геологическим наблюдениям доступна пока земная кора, постольку рассмотрение разнообразных природных явлений и процессов распространяется на земную кору. Формирование Земной коры определяют многообразные факторы, из которых ведущими являются - время, физико-географические условия и тектоника. Поэтому для восстановления истории земной коры решаются следующие задачи:
1. Определение возраста горных пород.
2. Восстановление физико-географических условий земной поверхности прошлого.
3. Восстановление тектонических движений и различных тектонических структур.
Историческая геология включает в себя ряд разделов. Стратиграфия занимается изучением состава, места и времени образования пластов горных пород и их корреляцию. Палеогеография рассматривает климат, рельеф, развитие древних морей, рек, озер и т.д. в прошлые геологические эпохи. Определением времени, характера, величины тектонических движений занимается геотектоника. Время и условия образования магматических пород восстанавливает петрология. Таким образом, историческая геология тесно связана практически со всеми областями геологического знания.
Одной из важнейших проблем геологии является проблема определения геологического времени формаирования осадочных пород. Формирование геологических пород в фанерозое сопровождалось все усиливающейся биологической активностью, поэтому палеобиология имеет большое значение в геологических исследованиях. Для геологов важным моментом является то, что эволюционные изменения в организмах и появление новых видов происходит в определенный промежуток геологического времени. Принцип финальной сукцессии постулирует, что в одно и тоже время в океане распространены одни и те же организмы. Из этого следует, что геолог, определив набор ископаемых остатков в породе, может найти одновременно образовавшиеся породы.
Границы эволюционных преобразований - границы геологического времени образования осадочных горизонтов. Чем быстрее или короче этот промежуток, тем больше возможностей для более дробных стратиграфических делений толщ. Таким образом, решается задача определения возраста осадочных толщ. Другая важная задача - определение условий обитания. Поэтому так важно определить те изменения, которые на организмы наложила среда обитания, зная которые мы можем определить условия формирования осадков
Еще в начале прошлого века все основные выводы об относительной геохронологии строились главным образом на изучении более или менее крупных и сравнительно высокоорганизованных животных, таких как моллюски, кораллы, трилобиты, некоторые ракообразные, брахиоподы и позвоночные. По этим организмам устанавливались и главные этапы развития животного мира планеты. На остатки простейших и других микроскопических организмов геологи обычно не обращали серьезного внимания, ибо в свете господствовавших тогда эволюционных воззрений предполагалось, что эти животные крайне незначительно изменяются во времени и не могут быть использованы в качестве указателей возраста отложений.
Однако при бурении скважин часто бывает совершенно невозможно обнаружить в тонком столбике (керне) поднятой на поверхность породы какие-либо признаки «традиционной» фауны. А если остатки таких животных и встречаются - это нередко разрезанные буром фрагменты, определить которые удается далеко не всегда. Поэтому пришлось обратить внимание и на те организмы, которые раньше считались бесперспективными для стратиграфии.
Одной из первых новых групп, которой особенно заинтересовались геологи-стратиграфы, были фораминиферы. Это небольшие простейшие животные из класса корненожек, населяющие ныне тысячи квадратных километров морского дна. Одни из них имеют шарообразную форму, другие - звездчатую, третьи - линзовидную. Еще до того как биологи обнаружили эти существа в современных морях, людям были известны их ископаемые остатки.
Двадцать веков назад древнегреческий географ Страбон отмечал, что в Египте встречаются в большом количестве мелкие плоские камни, которые египтяне считают окаменевшей чечевицей. Впоследствии было выяснено, что мнимая чечевица представляет собой панцири животных. Но только в XX столетии фораминиферы заняли достойное место в шкале геохронологии.
Как в палеозойскую, так и в мезозойскую эру фораминиферы играли огромную роль в накоплении осадков морского дна. Еще большее количество их скелетов содержится в отложениях кайнозойского возраста. Сравнительное изучение морфологического строения этих простейших показало их быструю эволюцию во времени. Определив виды и роды фораминифер, встреченных в керне скважины, геолог может уверенно судить об относительном возрасте вмещающих их горных пород. Благодаря исследованию древних фораминифер были внесены серьезные уточнения в стратиграфические схемы многих районов.
Иногда раковин этих животных накапливалось на дне морей так много, что они образовывали мощные пласты толщиной до нескольких сотен метров. Такие породы, почти полностью состоящие из скелетов фораминифер, даже получили название по преобладающим формам этих организмов. Подобного происхождения известняки, названные альвеолииовыми, встречены на западе Франции и к востоку от Адриатического моря. Другой известняк - нуммулитовый - прослеживается в широкой полосе, простирающейся от Альп и Южного Средиземноморья до Гималаев. В странах бывшего СССР нуммулитовые известняки тянутся вдоль северных склонов Крымского хребта от Севастополя до Феодосии, а за Каспийским морем встречаются в палеогеновых отложениях Устюрта и Мангышлака.
С годами методы изучения микроскопических окаменелостей совершенствовались, становились более точными и разносторонними. Ныне микропалеонтология - ветвь палеонтологии, занимающаяся исследованием остатков мелких организмов, - стала равноправной участницей стратиграфических изысканий.
Все большее значение приобретает сейчас изучение примитивных ракообразных - остракод и филлопод. Эти мелкие рачки, строение которых можно рассмотреть только под микроскопом, интересны тем, что они обитают в бассейнах различной солености. Это позволяет сопоставлять отложения различного происхождения, а, зная признаки, по которым различают обитателей морских и пресноводных водоемов, можно судить и об условиях, в которых отложились данные осадки.
В последние годы внимание многих исследователей привлекают сколекодонты ископаемые зазубренные челюсти кольчатых червей-аннелид и конодонты мелкие, состоящие из кристаллического апатита пластинчатые образования, происхождение которых до сих пор еще недостаточно выяснено. Многие из них, по-видимому, также представляют собой челюсти хищных червей, а некоторые, вероятно, являются частями тела круглоротых позвоночных.
В последние десятилетия в арсенале науки об относительном возрасте Земли появился еще один метод, получивший название спорово-пыльцевого. При спорово-пыльцевом анализе исследуют ископаемые остатки пыльцы семенных растений и спор, принадлежащих древним споровым, таким как мхи, плауны, папоротники. Ветер и водные потоки разносят мириады этих частиц по поверхности Земли. Плотные внешние покровы спор превосходно сохраняются в ископаемом состоянии. Впервые примененный для уточнения истории современных лесов и торфяников спорово-пыльцевой метод занял ныне видное место в ряду исследований, позволяющих устанавливать возраст осадочных пород.
Иногда, чаще всего в морских отложениях, вместе со спорами и пыльцой растений встречаются микроскопические организмы перидинеи и акритархи. Установлено, что перидинеи представляют собой ископаемые остатки динофлагеллят (или жгутиковых). Что же такое акритархи пока не вполне выяснено. Одни исследователи считают их мелкими колониальными животными, другие яйцами ракообразных, водорослями или даже динофлагеллятами, облеченными в цисту (оболочка, которой окружают себя некоторые организмы, попадая в неблагоприятные условия). Но хотя природа этих микрофоссилий продолжает еще оставаться неясной, их обилие и широкое распространение заставили ученых взять на вооружение и эту группу, которая также помогает решать вопрос о возрасте пород и условиях их образования. Вместе с акритархами и динофлагеллятами предметом стратиграфических исследований стали диатомовые и золотистые водоросли. Все эти четыре группы палеонтологических объектов объединяются под общим названием «нанопланктон».
В ряду новых направлений исследований растет значение палеокарпологии (от латинского «карпус» семя) отрасли палеонтологии, занимающейся изучением ископаемых плодов, семян и мегаспор папоротникообразных. Судя по успехам, достигнутым при определении возраста кайнозойских отложений, можно надеяться, что палеокарпологические методы окажутся полезными и для стратиграфии более древних образований.
Возникла и развивается еще одна палеонтологическая дисциплина палеомикология, предметом изучения которой являются ископаемые грибы. Остатки грибов в неисчислимом множестве можно обнаружить в древних осадочных породах, погребенных почвах, углях, горючих сланцах и торфе. Водные грибы-паразиты поражали водоросли, чешую рыб и скелетные образования беспозвоночных. А среди наземных отложений грибы можно найти в окаменелой древесине, в янтаре, на отпечатках листьев и на костях вымерших животных. Столь широкое распространение представителей грибного царства позволяет привл ...........
Страницы: [1] | 2 |
|
