Введение в геологию (лекции 1 - 2)

1.

ГЕОЛОГИЯ
Лекции 1-2. Введение в геологию
1. Представление о происхождении Земли
и Солнечной системы.
2. Геология как научная дисциплина.
3. Периодизация истории Земли и геологическое
летоисчисление.

2.

1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПРОИСХОЖДЕНИИ
ЗЕМЛИ И СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

3.

Начало.
• 6,5-5,5 млрд.лет назад. Формирование Солнечной системы из холодного газопылевого облака, включающего как летучие компоненты:
водород, гелий, азот, кислород, пары воды, углерод, метан, так и
твердый пылевидный мелкодисперсный материал: окислы кремния,
магния, железа.
• Общая масса облака за счет аккреции (а значит и плотность вещества
внутри него) возрастают и достигают критических значений: в 10 000
раз выше нормальной плотности газа в космическом пространстве.
• Образуется коллапс, или «черная дыра»…

4.

5.

6 – 5,5 млрд.лет назад.
Происходит вспышка свехновой звезды и образование
Протосолнца.
Электрически заряженные тугоплавкие элементы срываются с
поверхности Протосолнца при его вращении (вольфрам, титан, никель,
гафний, ниобий, молибден, платина, цирконий и их окислы) и вдоль
силовых линий магнитного поля уносятся к периферии протопланетного облака, передавая ему вращательный момент. В результате
аккреции (собирания вещества от пылевидных частиц до огромных
космических тел - планетозималей, по акад. А.П. Виноградову) формируются тела протопланет.
Из периферийной части протопланетного облака (легкие газы) формируются газовые планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Нептун, Уран.
Из внутренней (преобладание тугоплавких элементов и их окислов) планеты земного типа: Земля, Марс, Венера, Меркурий, Луна.

6.

Догеологический этап эволюции Земли
5,5 млрд.лет назад. Земля сформировалась как астрономическое тело. Твердых участков
нет ни у поверхности, ни внутри планеты. Температура вещества планеты эквивалентна
температуре протопланетного облака; до настоящего момента понижалась. Собственной
атмосферы нет.
5,5-5,0 млрд.лет назад. Под действием возрастающих сил гравитации вещество Земли
уплотняется. Планета приобретает твердую поверхность из рыхлой, несцементированной
серой породы – реголита (как на поверхности современной Луны). Тяжелые и радиоактивные элементы концентрируются в центре планеты, легкие – у поверхности. Формируются ядро и мантия. Стартует внутренний разогрев планеты.

7.

Так выглядела поверхность Земли к концу догеологического
этапа ее развития…
На слайде: Луна.
Реголит под колесами
лунохода.

8.

5,0-4,4 млрд.лет назад.
Бурное выделение тепла внутри планеты (в 5-6 раз больше, чем сейчас). Происходит конвекция: перегретое вещество внутренних слоев поступает наверх и несет тепло.
Начинается нагрев и плавление верхних слоев. Плавка вещества формирует и возгоняет к поверхности слой базальта. Образуется земная
кора.
Одновременно, при плавке вещества, к поверхности планеты поступают продукты химических реакций (дегазация мантии): преимущественно - метан, аммиак; в меньшей степени – водород, пары воды,
двуокись и окись углерода. Свободный кислород практически
отсутствует...

9.

Возникает первичная атмосфера. Конденсация паров воды приводит к
образованию первых водных бассейнов.
К концу стадии мелководный первичный океан покрывал планету почти
полностью. Предположительно, объем вод первичного океана составлял в это
время около 10% современного...

10.

4,4-3,5 млрд.лет назад.
Бурное развитие вулканической деятельности по всей планете:
происходит появление многочисленных архипелагов. Эффузия (растекание лавы с образованием первичного вещества земной коры – магматических горных пород) и процесс
денудации (разрушение, снос и накопление горных пород в понижениях) приводят к появлению первичных форм вулканического рельефа – идет активное формирование чехла
новых для земной коры горных пород - осадочных и метаморфических.
Минеральные соли – продукт разрушения и метаморфизации магматических и
осадочных пород – насыщают воды первичного океана.

11.

Мощное развитие земной коры усиливает интрузию (внедрение магмы в земную кору) – образуются огромные (до десятков и сотен км) гранитные купола - нуклеосы (ядра).
Слияние нуклеосов создает основу будущей континентальной коры (30-40 км вместо
5-10 км первичного слоя коры). Так завершается начальная эпоха.
Эта эпоха в геологической истории Земли отличается отсутствием живых организмов…
К развитию планеты на последующих стадиях геологической истории вернемся позже:
прежде необходимо ознакомиться с некоторыми вводными сведениями о геологической
науке и принятыми подходами к исчислению времени в геологической истории Земли…

12.

2. ГЕОЛОГИЯ КАК НАУЧНАЯ
ДИСЦИПЛИНА

13.

Что такое «геология»?
Этимология слова «геология» - «наука о Земле». Но такое определение науки чрезмерно обширно, а кроме того – почти не отличается от
определения другой научной дисциплины – «география», частью которой она являлась на начальных этапах познания мира.
При определении предмета геологической науки чаще всего используются такие термины, как «твердое вещество Земли», «земная кора», «литосфера». Но их образование взаимосвязано с другими оболочками Земли (геосферами) – как внешними (например: атмосфера),
так и внутренними (например: ядро и мантия), с множеством характерных для них процессов и потоков энергии. В географии особо выделяется сложная оболочка, включающая литосферу, гидросферу, нижнюю
часть атмосферы и биосферу – т.н.: географическая оболочка.
Сложность взаимосвязей предопределяет обширность интересов современной геологии, большое количество направлений исследования
как научного, так и прикладного характера.
Поэтому современная геология – это уже не отдельная наука, а
обширный и сложный комплекс научных дисциплин, входящих в состав еще более обширной и сложной системы географических наук.

14.

Одно из определений геологической науки:

15.

Важнейшие направления геологии во взаимосвязи с
другими научными дисциплинами:

16.

Знание о геологии как современной научной дисциплине было бы неполным без представления об историческом пути, который она прошла за последние 2,5 тысячи лет…

17.

Гераклит Эфесский (544-483 гг.до н.э.) – древнегреческий философ.
На тысячелетия опередил Человечество в диалектическом понимании окружающего мира.
В сочинении «О природе» утверждает, что мир вечен, но непрерывно изменяется под влиянием «огня» –
наиболее динамичной, изменчивой из всех стихий
(сейчас понятно: «огонь» – энергия в понимании Гераклита). Процессы разрушения периодически сменяются
процессами созидания.
Аристотель (384-322 гг.до н.э.) – древнегреческий философ.
Вопреки господствовавшим идеям креационизма и катастрофизма, говорил, что геологические
процессы являются результатом естественных сил,
действующих в течение длительного периода времени; найденные в горных породах окаменелости
трактовал как остатки исчезнувших организмов.
Ближе всех остальных мыслителей Древней Греции стоял на пути понимания биологической эволюции.

18.

Георг Бауэр (1494-1555) – более
известный как Георгиус Агрикола –
немецкий ученый, один из основателей минералогии.
Одним из первых систематизировал минералы, принимая во внимание не только их формальные различия, но и химический состав.
В своих трудах детально описал
способы добычи и технологию переработки полезных ископаемых.

19.

Михаил Васильевич Ломоносов
(1711-1765) – первый русский
учёный-естествоиспытатель мирового значения, энциклопедист.
Один из основоположников
геологии. В своих трудах высказал ряд важных идей о механизме внутренних и внешних геологических процессов Земли, о взаимодействии этих процессов, о
причинах горообразования и возникновения минералов и руд в
земной коре.

20.

Джеймс Хаттон (1726-1797) – шотландский геолог, физик и химик. Его называют
часто «отцом современной геологии и геохронологии».
После 25 лет исследований издал труд
«Теория Земли», в котором изложил новые
представления о геологической истории
планеты:
- возраст горных пород не тысячи (Библия),
а миллионы лет;
- горы сформированы не «великим потопом» (теория нептунизма), а внутренним
теплом Земли (теория плутонизма): граниты и базальты образовались из расплавленного вещества в результате извержения вулканов;
- геологические процессы, действующие
ныне, ничем не отличаются от процессов,
действовавших в прошлом и сформулировал принцип актуализма фразой «Настоящее — ключ к будущему».

21.

Уильям Смит (1769-1839) – геолог, «отец английской геологии».
Основатель геологической
стратиграфии: установил, что слои
осадочных пород, обнажающиеся в
разных районах и непосредственно
не связанные между собой, могут сопоставляться по характерным для
каждого пласта наборам остатков ископаемых организмов или руководящим ископаемым (палеонтологический метод).
Одинаковый возраст пластов устанавливается на основании закона
Смита, по сходству окаменелостей
(по руководящим признакам). Слои
можно различать по характерным для
них наборам ископаемых органических остатков. Он также известен как
Принцип гомотаксальности — принцип Смита-Гексли, или Закон Вернера-Смита.

22.

Жорж Кювье (1769-1832) –
французский естествоиспытатель,
натуралист; член академии наук
Франции.
Основатель палеонтологии. Был
самым выдающимся зоологом в
конце XVIII – начале XIX вв. Анатомические исследования окаменелостей подтолкнули его к идее о
неизменности видов. Исследования Кювье над ископаемыми животными парижского бассейна
привели его к теории катастроф,
по которой каждый геологический
период имел свою фауну и флору и
заканчивался громадным переворотом, катастрофой, при которой
на Земле гибло всё живое, и на место старых видов приходили новые.

23.

Чарлз Лайель (1797-1875) – основоположник современной геологии (Англия).
В своём многотомном труде «Основные начала геологии» разработал учение о медленном и непрерывном изменении земной поверхности под влиянием постоянных геологических факторов.
Работы Лайеля в геологии предвосхитили открытия Дарвина в биологии и
становление его эволюционной концепции. Лайель вместе с Гукером [Джозеф
Гукер (1817-1911) – выдающийся английский ботаник] убедил Дарвина опубликовать знаменитую работу — «Происхождение видов» (1859).

24.

Докучаев Василий Васильевич (1846-1903) – российский
геолог и почвовед.
Заложил основы эволюционного учения о почвах и установил главнейшие законы почвообразования.

25.

ОСНОВОПОЛОЖНИКИ ГЕОХИМИИ
Франк Кларк (США),
1847-1931
Вернадский
Владимир Иванович
(Россия – СССР),
1863-1945
Ферсман
Александр Евгеньевич
(Россия – СССР),
1883-1945
Виктор Гольдшмидт
(Норвегия),
1888-1947

26.

3. ПЕРИОДИЗАЦИЯ
ИСТОРИИ ЗЕМЛИ
И
ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ
ЛЕТОИСЧИСЛЕНИЕ

27.

Выявление последовательности и времени образования отдельных слоев горных пород необходимо для понимания геологической истории планеты.
Раздел геологии, изучающий слои земной коры, их взаимное расположение и последовательность возникновения, называется стратиграфией.
В 1669 г. Николас Стено (Нильс Стенсен) установил «закон последовательности напластований». Главное его положение: нижние слои горных пород всегда древнее верхних. Это положение позволяет произвести относительную датировку слоев, но не количественную оценку времени их образования.
В XVIII в. Джованни Ардуино выделил 4 типа слоев горных пород (исходя из принятой им теории нептунизма): первичные («допотопные») – примитивные кристаллические породы без органических остатков; вторичные («потопные») – мраморы и слоистые известняки с морскими ископаемыми; третичные («послепотопные») – сложенные осадочными породами с обильными остатками морских животных; четвертичные («вулканические») – земляные и каменные выносы
горных потоков.
В начале XIX в. Смит предложил палеонтологический метод в идентификации слоев с выделением руководящих ископаемых, а Ж.Кювье и Александр Броньяр (1770-1847) детально разработали его.
В относительной стратиграфической шкале (ОСШ) с XIX в. приняты сл.единицы: эратема – система – отдел – ярус.
Позже, когда появились методы оценки абсолютного возраста пород (методы радиологии)
сформировалась и абсолютная геохронологическая щкала (АГШ), в которой соответствующие единицы-аналоги ОСШ получили названия: эра – период – эпоха – век. Однако позже в АГШ введена
более крупная единица: эон – период времени, объединяющий несколько эр. Его аналог в ОСШ –
эонотема. Каждая из единиц как ОСШ, так и АГШ приобрела в XIX-ХХ вв. свое собственное «имя»
[см.сл.слайд]...

28.

29.

Фанерозой – самый молодой эон (общая продолжительность: ок. 570 млн.
лет) – эон очевидной, явной жизни. Включает 3 эры: палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Слои фанерозоя содержат обильные признаки жизни –
окаменелости, отпечатки древних животных и растений, продукты их жизнедеятельности или косвенные признаки их обитания.
Криптозой – самый древний и самый длительный эон (продолжительность:
ок. 4 миллиардов лет) – эон скрытой, неявной жизни. Всё время криптозоя на
ГШ или СШ традиционно называют также докембрием.
В современной геологии в составе криптозоя выделяют 3 эона (эонотемы):
катархей, архей и протерозой. Разделение протерозоя и, особенно, архея на
эры (эратемы) проблематично и спорно из-за немногочисленности выходов
этих древнейших слоев горных пород к земной поверхности, крайней их бедности признаками древней жизни. А выходы осадочных горных пород катархея вообще неизвестны.
Другие названия катархея (от греч.: «ниже древнейшего») в научной литературе: азой, преархей, гадей, приской.

30.

МЕТОДЫ РАДИОЛОГИИ
В ОПРЕДЕЛЕНИИ АБСОЛЮТНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
Методы основаны на явлении радиоактивного распада элементов в составе минералов и горных пород. Для его определения используются радиоактивные изотопы урана, тория, рубидия, калия, углерода, водорода.
Период полураспада нестабильного элемента точно известен. Метод построен на определении соотношения масс исходного и конечного химических
элементов в минерале или горной породе. Начало распада радиоактивного вещества приходится на момент кристаллизации магматического расплава; у
каждого радиоактивного изотопа свой период полураспада:
Исходный изотоп
Конечный
элемент
Период полураспада, млрд.лет
87Rb
87Sr + ß
48.8
232Th
208Pb + 6He
14.0
238U
206Pb + 8He
4.46
40K
40Ar + 40Ca
1.30
235U
208Pb + 4He
0.70
14C
14N
5 730 лет