Курс лекций по "Концепции современного естествознания"

Лекция 5.1 Концепции геологических  процессов.

1. Внутреннее строение  и история геолгического  развития Земли.

  Физические, космологические, химические концепции  подводят вплотную к представлениям о Земле, ее происхождении, строении и разнообразнейших свойствах. Комплекс наук о Земле обычно называют геологией. Земля — место и необходимое условие существования человечества. По этой причине геологические концепции имеют для человека насущнейшее значение. Нам предстоит уяснить характер их эволюции. Геологические концепции возникают не самопроизвольно, они являются итогом кропотливейших научных изысканий.

  Земля —  уникальный космический объект. В  его изучении центральное место  занимает идея эволюции Земли. С учетом этого обратимся, прежде всего, к такому важному количественно-эволюционному параметру Земли, как ее время, геологическое время. Речь идет о времени (временности, темпоральности). Земли в таком виде, в каком оно представлено в геологических концепциях. Вне их представления о времени Земли превращаются в наивные воззрения, которые не поддаются сколько-нибудь убедительному подтверждению. Но, как уже не раз отмечалось, критерий подтверждаемости имеет для всякой естественно-научной концепции основополагающее научное значение.

  Выработка научных концепций о геологическом времени осложняется тем обстоятельством, что время жизни человеческого индивидуума составляет ничтожную долю возраста Земли (ок. 4,6•10⁹ лет). Простая экстраполяция актуального геологического времени в глубины прошлого геологического времени ничего не дает. Чтобы получить сведения о геологическом прошлом Земли, необходимы какие-то особые концепции. Существуют самые различные способы осмысления геологического времени [42], главные среди них — литологические (литология — наука об осадочных горных породах), биостратиграфические и радиологические.

  Литологическая  концепция геологического времени  была впервые разработана датским  врачом и натуралистом Н. Стенсеном (Стено). Согласно концепции Стено (1669), в серии нормально залегающих пластов вышележащий пласт моложе нижележащего.-

  Изотопная геохронология позволила использовать в процедурах измерения геологического времени не только порядковые определения типа «раньше—позже», но и количественные определения. В этой связи вводится шкала геологического времени, которую обычно представляют в различных версиях. Одна из них приводится ниже (табл. 13).

Таблица 1 Интервалы геологического времени (начала периодов и эпох в миллионах лет от настоящего времени)

  В названиях эонов и эр присутствует корень «зой» (от греч. гое — жизнь), сопровождаемый приставками к нему фанеро — (от греч. — явный), протеро (от греч. более ранний, первый из двух), кайно (от греч. — новый), мезо (от греч.— средний), палео (от греч. — древний). В названиях геологических эпох присутствует корень «цен». Приставки к корню «цен» характеризуют степень наличия так называемых новых (современных) организмов. Так, выражения «голоцен» и «миоцен» означают соответственно «все новые организмы» (от греч. holos— весь) и «среднее количество новых организмов» (от греч. mios — средний). В названиях геологических периодов от ранней их классификации сохранились только два выражения: третичный и четвертичный (термины первичный и вторичный периоды больше не используются). Часть названий геологических периодов связаны либо с местностями, либо с характером вещественных отложений. Так, девонский период характеризует возраст отложений, впервые изученных в графстве Девоншир в Англии. Меловой период характеризует возрастные особенности геологических отложений, содержащих много мела.

Резюме

  • В геологических науках широко используются понятия эволюционного типа: «изменение», «эволюция», «развитие»,

«катастрофа»  и т.д.

  • В геологии для количественной характеристики процессов разработаны понятие  «геологическое время» и способы измерения реального геологического времени.

  • Как  показывает история развития геологических  наук, наиболее продуктивные исследования предполагают сочетание всех возможных способов измерения геологического времени, в том числе стратиграфического, биостратиграфического и изотопного.

2. Активность тектоноческой  деятельности как  критерий геологического  развития планеты.  Строение Земли,  физические и химические  характеристики ее  внутренних оболочек.

  О строении Земли геологи судят  в основном по сейсмическим данным, получаемым при регистрации колебаний, вызываемых землетрясениями и атомными взрывами. При этом учитывается скорость передачи колебаний, а также тот факт, что продольные волны распространяются в любой среде — жидкой, твердой, газообразной, а поперечные — лишь в средах, обладающих большой упругостью, т.е. в твердых объектах. Продольные волны свя-заны'со сжатием среды (любой). В поперечной волне частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения продольной волны. Поперечные волны связаны с деформацией сдвига упругой среды. Примером поперечных волн являются колебания, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов.

  Итак, сейсмические данные позволяют судить о пространственных параметрах Земли  и ее структурных компонентов, равно как о их агрегатном состоянии. Важные сведения о строении Земли получены также в результате сверхглубокого бурения (Кольская скважина имеет глубину более 12 км).

  В глобальном масштабе форма Земли  лучше всего аппроксимируется эллипсоидом вращения — равновесной фигурой вращающейся однородной жидкости. Форма Земли (геоид) незначительно отличается от сфероида вращения. Именно поэтому географические глобусы изготавливают в форме шаров. У современной Земли полярный радиус R_п = 6356,78 км, а экваториальный R_” = 6378,16 км [44, с. 17]. Масса Земли М, = 5,98 • 10²⁴ кг, а средняя плотность рз = 5,52 г/см³.

  Строение  Земли очень сложное, оно постоянно  детализируется. В этой книге структура  Земли представлена лишь в обобщенном виде.

  Поскольку Земля имеет форму шара, то ее структурные части обычно представляют в виде сферных оболочек, число которых растет вместе с развитием геологического знания. Для начала рассмотрим внутренние геосферные оболочки.

  Первоначально Земля многими людьми воспринималась как твердый шар, более или менее однородный. Затем, в частности в связи с желанием осмыслить огненные выбросы вулканов, возникло представление о двухступенчатой структуре Земли:

внутренняя  оболочка, мантия, покрыта земной корой. Переход к трехступенчатой структуре Земли был связан с выделением ядра Земли. Дальнейшая дифференциация представлений о структуре Земли оказалась связанной с выделением ее своеобразных подоболочек. 

Рис. 1. Структура мантии Земли

  Итак, восхождение от центра Земли к  ее периферии связано с пересечением следующих геосферных оболочек: 1) внутреннего ядра Земли; 2) внешнего ядра Земли; 3) нижней мантии Земли; 4) раздела II; 5) средней мантии Земли; 6) раздела I; 7) верхней мантии Земли; 8) астеносферы, 9) нижнего слоя литосферы; 10) раздела Мохоровичича; 11) земной коры (верхнего слоя литосферы); 12) гидросферы; 13) атмосферы; 14) магнитосферы.

  Внутреннее  ядро Земли представляет собой шар диаметром 2500 км и имеет кристаллическую структуру. Сейсмологи заметили, что волны землетрясений, пробегающие планету от края до края, затрачивают на свой путь в зависимости от его направления различные промежутки времени. Это обстоятельство согласуется с расчетами, которое показывает, что внутреннее ядро Земли, являясь кристаллом, обладает анизотропными свойствами, оно пропускает сейсмические волны в одном направлении с большей скоростью, чем в другом. Разумеется, речь идет о весьма специфическом кристалле. Его температура превышает 4000 "С, но благодаря гигантскому давлению он сохраняет свою кристаллическую природу. Внутреннее ядро Земли более чем на 90% состоит из железа. 

  Внешнее ядро Земли находится в жидком состоянии (в нем затухают поперечные волны) и в основном содержит железо, его окислы, а также примеси более легких веществ — кремния, серы.

  Железная  составляющая ядра Земли ответственна за земной магнетизм. А энергичное конвективное движение внутри внешнего ядра объясняет неоднократное изменение магнитной полярности нашей планеты, о чем свидетельствуют палеомагнитные данные. Древние породы «запоминают», фиксируют направленность магнитного поля Земли. Исследование этих пород показывает, что северный и южный магнитный полюса неоднократно менялись местами.                   ^

  Мантия  Земли, расположенная от подошвы земной коры вплоть до поверхности ядра, находящегося на глубине 2900 км, главным образом состоит из окислов кремния, магния и железа [44, с. 93]. Вещество мантии находится в жидком состоянии, но вязкость его очень высока. Для всей мантии характерны интенсивные конвективные движения, обуславливающие смещения литосферных плит и приводящие к извержению на поверхность Земли высокотемпературных (ок. 1300 °С) лав — мантийного вещества.

  Ближайшие к поверхности Земли слои мантии — это лито-и астеносфера. Литосфера состоит из плит, которые при отсутствии внешних воздействий длительное время сохраняют свою форму. Как правило, располагающееся под литосферными плитами вещество астеносферы частично размягчено и под давлением деформируется, течет.

  Деформируемость астеносферы допускает скольжение по ней литосферных плит. Перемещения литосферных плит, крупнейшие из которых Тихоокеанская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Евразиатская, Индо-Австралийская и Антарктическая, составляют единицы сантиметров (ок. 3 см) в год, однако за миллионы лет им удавалось преодолевать пути в тысячи километров. Соприкасаясь, литосферные плиты взаимодействуют друг с другом и приходят во вращение. Существуют весьма тщательно разработанные глобальные кинематические модели современного относительного движения литосферных плит . Мощность (толщина) литосферных плит составляет от 2 до 100 км.

  Земная  кора — внешняя оболочка Земли, толщиной менее 10 км под океанами, но более 25 км под материками. Образуется за счет движения литосферных плит, разрушения и выветривания горных пород и осадконакоплений. Океаническая кора состоит в основном из базальтов — пород вулканического происхождения, в которых преобладают полевой шпат и пироксен. Континентальная кора сложена главным образом из гранитов и магматических пород, содержащих преимущественно кварц, кальциевый полевой шпат, кислый плагиоклаз и слюду. Плотность океанической коры больше, чем плотность континентальной коры. Максимальная контрастность рельефа определяется тектонической активностью Земли и достигает 16—17 км. Со временем неровности рельефа уменьшаются, «растекаются» вследствие действия на земную кору гравитационных сил . По этой причине перепады высот в таких древних горных поясах, как, например, Уральские горы, не превышают 2 км.