Лекции по геологии

Геология как наука

1. Структура геологии.
2. История развития геологии.
3. Методы геологических исследований.

1. Структура геологии.
Геология – наука о Земле (), ее составе, строении, развитии; о процессах, протекающих в ее оболочках. Современная геология изучает как статические явления, так и процессы, имевшие место в глубокой древности и происходящие в настоящее время.
Объектом геологии служит литосфера – внешняя твердая оболочка планеты толщиной 50-250км, состоящая из горных пород и слагающих их минералов. Менее доступны для исследований глубинные части Земли – мантия и ядро, изучаемые специальными методами. Геологические процессы и явления часто представляют собой результаты взаимодействия твердой оболочки Земли с атмо-, гидро- и биосферами. Их взаимопроникновение и взаимодействие в значительной степени обусловливает ход сложных процессов, протекающих на поверхности Земли.
Предметами непосредственного изучения геологии служат минералы, горные породы, ископаемые органические остатки и современные геологические процессы. Обилие предметов изучения и их сложность, необходимость разностороннего рассмотрения литосферы привели к выделению из геологии ряда отраслей или нескольких основных направлений:
1. Геохимия – науки, изучающие вещественный состав Земли: кристаллография, минералогия, петрография, литология, геохимия.
2. Динамическая геология – науки, изучающие процессы, протекающие в Земле:
а) эндогенные процессы изучают геотектоника, вулканология, сейсмология, геофизика;
б) экзогенные – гидрология, гидрогеология, океанография, геокриология, гляциология, лимнология, учения о выветривании и деятельности ветра.
3. Историческая геология – науки, изучающие историю Земли: стратиграфия, палеонтология, палеогеография, историческая геология.
4. Прикладная геология – науки, направленные непосредственно на практическое использование недр Земли: геология полезных ископаемых, инженерная геология, экономическая геология, региональная геология, геолого-разведочное дело.
2. История развития геологии.
Древнейший этап (до 18 века).
Древний период. Первые геологические знания имели уже древние люди. Тысячелетия назад наши далекие предки использовали остроугольные обломки камня в качестве орудий труда, охоты и получения огня – кремень, халцедон, опал, серный колчедан (300тыс. л.н. - неандертальцы). Позже человек научился выплавлять металлы из руд (4,5 тыс. л.н. в Египте и Мессопотамии). На папирусе Древнего Египта расшифрованы данные о рудах, впервые упоминается бурение скважин. ГП издавна использовались для строительства.
Античный период. В 6-5 вв. до н. э. Фалес (624-547) пытался объяснить землетрясения как результат перемещения воды в глубинах Земли, указал на необычные свойства магнитного железняка. Геродот описал геологическую деятельность Нила, образование его дельты. Аристотель (384-322) охарактеризовал перемещение моря на сушу. Его ученики Теофраст создал одну из первых классификаций горных пород и минералов, а Тиртамос – работу “О камнях”. Плиний Старший (23-79) описал извержение Везувия. Китайцы еще в 3 в. до н. э. Знали магнитные свойства Земли, создали первый компас и первый сейсмограф.
В Средние века, когда в Европе безраздельно господствовала церковь, прогрессивные идеи были только у народов Востока. Абу Али Ибн Сина (Авиценна 980-1037), Абу Рейхан аль Бируни (1030) описывали процессы выветривания, объяснили окатанность обломков, описали более 100 минералов (Бируни "Книга сводов для познания драгоценностей") и т.д.; пришли к выводу о самопроизвольном изменении лика Земли.
В эпоху Возрождения Леонардо да Винчи в работе "Гидромеханика" объяснил разрушение гор и движения земной коры. В 16 в. Георгий Агрикола внес большой вклад в минералогию при известных в то время всего 18 химических элементах.
До 18 века на геологию смотрели как на раздел физической географии.
Начальный этап (18 век).
Для начального этапа характерно накопление и первичная систематизация геологических данных. Естествоиспытатели этого этапа придерживались одного из двух направлений, наметившихся еще в Древней Греции, по-разному объяснявших изменение лика Земли – нептунизма и плутонизма. Геология как наука начинает формироваться в середине 18 века, что связано с деятельностью: М.В. Ломоносова (1711-1765) в России, Джемса Геттона (1726-1797) в Шотландии и Абраам Готлиб Вернер (1750-1817) в Саксонии.
М.В. Ломоносова по праву считается основоположником геологии в нашей стране. В трактате "О слоях земных" (1757-1759гг), опубликованный в 1763 году, он касается вопросов об изменчивости природы, причин образования гор, землетрясений, вулканов, рудных жил, слоистых горных пород, каменного угля, нефти, янтаря; сформулировал важный принцип современной геологии (актуализма): по наблюдениям над современными процессами можно судить о ходе тех же процессов в прошлом; справедливо полагал не просто изменение лика Земли, а именно ее развитие. Благодаря Ломоносову начинается преподавание геологии в основанном им же Московском университете (1755).
Во второй половине 18 века после Ломоносова в России огромное значение имели первые академические экспедиции, позволившие накопить колоссальный материал по огромной территории нашей страны (Н.П. Рычков, И.И. Лепехин, П.С. Паллас и др.).
В 1778г. был опубликован труд шотландца Д. Геттона "Теория Земли". Принадлежа к плутонистам, он пытался все же синтезировать нептунизм и плутонизм.
Прогрессивные идеи Ломоносова и Геттона все же не получили широкого признания, т.к. большинство исследователей того времени придерживались нептунистического направления, главой которого был профессор Фрейбергской Горной академии в Саксонии А.Г. Вернер. Он первым начал читать курс геогнозии, считая, что все горные породы образовались химическим путем или осаждались вследствие всемирного потопа.
Фундаментальный этап (19 век).
В это время закладываются фундаментальные основы геологической науки, в т.ч. палеонтологии и стратиграфии.
Английский землемер Уильям Смит (1769-1839) при прокладке каналов обратил внимание на то, что слои горных пород, далеко расположенные друг от друга, содержат одинаковые органические остатки; но слои, лежащие один над другим, содержат остатки, резко различающиеся между собой. Т.о., можно установить последовательность залегания слоев и их относительный возраст, а тем самым – историю геологических событий.
Французские ученые Ж. Кювье (1769-1832) и А. Броньяр собрали огромный палеонтологический материал. Его тщательное исследование позволило им прийти к выводу, что все животные, найденные в древних отложениях принадлежат к уже вымершим родам, а в молодых слоях – к ныне существующим родам, хотя и к иным видам, чем ныне живущие. Кювье заложил основы палеонтологии, но вместе с тем и создал антиэволюционную теорию катастроф, согласно которой развитие органического мира происходит через мировые катастрофы, выражающиеся в вымирании и появлении жизни заново в других формах. Отголосками этой теории является деление геохронологической таблицы на эры и периоды.
Теории катастроф был нанесен серьезный удар английским ученым Чарльзом Дарвином (1809-1882) с эволюционной теорией в области биологии и Чарльзом Лайелем с теорией униформизма. Однако в труде Лайеля "Основы геологии" геологические процессы прошлого не отличались от современных. В нашей стране этими вопросами занимался В. О. Ковалевский (1842-1883) – основатель эволюционной палеонтологии в России.
Выдающиеся события фундаментального этапа – возникновение учений о геосинклиналях (Д. Холл 1859, Д. Дэн 1873) и платформах (Александр Петрович Карпинский 1847-1936 основатель советской геологии, председатель АН, Алексей Петрович Павлов 1854-1929), а также контракционная гипотеза происхождения Земли Эли де Бомона на основе "горячей" гипотезы Канта-Лапласа. Синтез всех идей геологии представлен в трехтомной монографии австрийского геолога Эдуарда Зюсса "Лик Земли".
Критически-революционный этап (до 50-х гг. 20-го века).
Критически-революционный этап характеризуется критикой фундаментальных основ геологии. Контракционная гипотеза была отвергнута благодаря "холодной" гипотезе Отто Юльевича Шмидта (1891-1956) о «холодном» происхождении Земли. Революционные изменения в геологии произошли после открытий американцами рифтов, зон глубокофокусных землетрясений (зона Беньофа-Заварицкого), запусков искусственных спутников Земли и получения космических снимков, что и способствовало появлению новой концепции глобальной тектоники литосферных плит. Существенно расширилась связь геологии с другими науками: физикой, математикой, химией, биологией, астрономией, которые обогащают геологию своими достижениями и методами познания.
В нашей стране активизируются экспедиции: Владимир Афанасьефич Обручев (1863-1956), В.И. Вернадский (1863-1945), Александр Евгеньевич Ферсман (1883-1945), А.П. Карпинский, Алексей Алексеевич Борисяк (1872-1944) и др.
Современный этап.
Отличительные черты современного этапа: с одной стороны тенденции к усилению фундаментализации геологии, а с другой стороны резкое повышение ее практической значимости. Особенно выделяются отечественные ученые в области геотектоники: Н.С. Шатский, В.В. Белоусов и В.Е. Хаин; обособилась геология нефти и газа благодаря Ивану Михайловичу Губкину (1871-1939), литология (Андрей Дмитриевич Архангельский 1879-1940). Все большее значение приобретает палеонтология (Ю.А. Орлов, Л.Ш. Давиташвили). Быстрыми темпами развивается космическая геология, исследующая как Землю, так другие планеты и спутники.
3. Методы геологических исследований.
Изучение и освоение недр нашей планеты сопряжено со значительными трудностями. Методы, используемые для этих целей, делят на прямые и косвенные.
Прямые методы позволяют непосредственно изучать вещество Земли. В эту группу входят исследования в лабораториях (микроскопические, спектральные – сжиганием в плазме и расшифровкой спектрограммы) и обнажениях (выходы коренных горных пород на дневную поверхность): естественных (обрывы рек, морей, стенки оврагов, склоны гор) и искусственных (горные выработки – канавы, дорожные выемки, шурфы, карьеры, шахты, штольни, котлованы и буровые скважины). Все эти выработки позволяют извлекать вещество недр Земли (в т.ч. и полезные ископаемые) на поверхность, где его изучают и используют. Шахты лишь в единичных случаях достигают глубин порядка 2 км. Наиболее глубокими горными выработками являются буровые скважины средней глубиной до 4-5км.
Самая глубокая в мире скважина – Кольская сверхглубокая 12261м (1970-1991гг.). В настоящее время в нашей стране бурится только одна сверхглубокая скважина – Уральская, пробуренная на 5355м из проектных 15000м (1985г...). Скорость бурения таких скважин очень медленная 1-3м/ч; за один рейс углубление происходит только на 6-10м. За рубежом самой глубокой является немецкая сверхглубокая скважина КТБ-Оберпфальц (Бавария) глубиной 9901м (1990-1994), а также американская Берта-Роджерс 9583м в Оклахоме (1973-1974). В 1968г. началось бурение в океанах. Самой глубокой является скважина в Тихом океане к югу от берегов Коста-Рики: 2105м ниже океанского дна. Сверхглубокие скважины дают наиболее полную и точную информацию о строении и составе земной коры. Но ни одна из них не подтвердила полностью геологического разреза, который предполагался до начала бурения, иногда расхождения были кардинальные. Волновая картина, которая фиксируется сейсмическими методами, отражает не столько изменение состава пород с глубиной, сколько изменение их напряженного состояния и фильтрационных свойств.
Т.о., непосредственному изучению в самом благоприятном случае доступна лишь тонкая поверхностная оболочка земного шара толщиной не более 1/1000 (0,1%) от радиуса Земли. Следовательно, главным недостатком прямых методов является их невысокая глубинность, обусловленная уровнем развития буровой техники.
С целью увеличения глубинности было предложено несколько путей, объединяемых под названием косвенных, геофизических методов. Они изучают различные физические свойства недр Земли – скорость распространения в них упругих волн, электропроводность, магнитная восприимчивость и т.д. Сопоставляя полученные данные с результатами изучения свойств пород в лабораторных условиях, можно опознать реальные геологические объекты в естественных условиях их залегания. По характеру изучаемых свойств различают сейсмический метод, гравиметрический, электрометрический, магнитометрический и другие.
В качестве примера рассмотрим сейсмический метод. При землетрясениях или взрывах в толще Земли возникают упругие волны, которые расходятся с известной скоростью во все стороны от источника колебаний. Они представляют собой волны сжатия и разряжения вещества. Эти волны отражаются от границ слоев и улавливаются датчиками на поверхности Земли, где установлен сейсмограф. Зная скорость и определив время прохождения волн, можно определить расстояние, т.е. мощность данного слоя.
Гравиметрический метод заключается в изучении распределения на поверхности Земли силы тяжести. Величина ускорения меняется вследствие неравномерного распределения масс в земной коре и в зависимости от геологического строения: над участками, сложенными тяжелыми породами сила тяжести увеличивается, над участками с легкими породами уменьшается относительно теоретического значения, зависящего от географической широты. Эти отклонения именуются гравитационными аномалиями. Изучение различных аномалий позволяет судить о глубинном строении земных недр.

Геология как наука
Геологическая деятельность человека
Состав и строение Земли
Геологические процессы
Эоловая деятельность
Геологическая деятельность рек
Геологическая деятельность подземных вод
Геологическая деятельность морей
Геологическая деятельность озер
Геологическая деятельность болот
Диагенез
Магматизм
Метаморфизм
Тектонические движения
Геологические структуры земной коры
Геотектонические гипотезы

Курс лекций по геоологии отлично подойдет как готовые ответы на экзаменационные вопросы. Все темы структурированы и лаконично изложены.

Литература основная:
1. Горшков Г.П., Якушова А.Ф. Общая геология. М., МГУ, 1962.
2. Иванова М.Ф. Общая геология. М.: Высшая школа, 1974.
3. Мильничук В.С., Арабаджи М.С. Общая геология. М.: Недра, 1989.
4. Добровольский В.В. Геология. М.: ВЛАДОС, 2001.
5. Бондарев В.П. Геология. М. ФОРУМ-ИНФРА. М, 2002.
6. Карлович И.А. Основы геологии (уч. для географов). М.: «Геоинформмарк», 2002.
7. Короновский Н.В., Ясаманов Н.А. Геология (уч. для эколог. спец.). М.: «Академия», 2003.
8. Карлович И.А. Геология. М.: Академический Проект, 2004.