Цикл геологічних наук
I. Предмет та завдання геології.
Геологія - одна з фундаментальних природничих наук, що вивчає будову, склад, походження та розвиток Землі. Вона досліджує складні явища та процеси, що протікають на її поверхні та в надрах. Сучасна геологія спирається на багатовіковий досвід пізнання Землі та різноманітні спеціальні методи дослідження. На відміну від інших наук про Землю, геологія займається дослідженням її надр. Основні завдання геології полягають у вивченні зовнішньої кам'яної оболонки планети - земної кори і зовнішніх і внутрішніх оболонок Землі, що взаємодіють з нею (зовнішні - атмосфера, гідросфера, біосфера; внутрішні - мантія і ядро).
Об'єктами безпосереднього вивчення геології є мінерали, гірські породи, викопні органічні рештки, геологічні процеси.
2. Цикл геологічних наук.
Геологія тісно пов'язана з іншими науками про Землю, наприклад, з астрономією, геодезією, географією, біологією. Геологія спирається такі фундаментальні науки як математика, фізика, хімія. Геологія є синтетичною наукою, хоча в той же час розпадається на безліч взаємопов'язаних галузей, наукових дисциплін, які вивчають Землю в різних аспектах і одержують відомості про окремі геологічні явища та процеси. Так, вивченням складу літосфери займаються: петрологія, що досліджує магматичні та метаморфічні породи, літологія, що вивчає осадові гірські породи, мінералогія – наука, що вивчає мінерали як природні хімічні сполуки та геохімія – наука про розподіл та міграцію хімічних елементів у надрах землі.
Геологічні процеси, що формують рельєф земної поверхні, вивчає динамічна геологія, частиною якої є геотектоніка,сейсмологія та вулканологія.
Розділ геології, що займається вивченням історії розвитку земної кори та Землі в цілому, включає стратиграфію, палеонтологію, регіональну геологію і зветься «Історична геологія».
Є в геології науки, що мають велике практичне значення. Такі, як про родовища корисних копалин, гідрогеологія, інженерна геологія, геокріологія.
В останні десятиліття з'явилися і набувають все більшого значення науки пов'язані з дослідженням космосу (космічна геологія), дна морів та океанів (морська геологія).
Поряд із цим є геологічні науки, що перебувають на стику з іншими природничими науками: геофізика, біогеохімія, кристалохімія, палеоботаніка. До таких належать також геохімія та палеогеографія. Найбільш близька та різнобічна зв'язок геології з географією. Для географічних наук, таких як ландшафтознавство, кліматологія, гідрологія, океанографія, найбільш важливі геологічні науки, що вивчають процеси, що впливають на формування рельєфу земної поверхні та історію утворення земної кори всієї Землі.
3. Методи вивчення земних надр.
У геології застосовують прямі, непрямі, експериментальні та математичні методи.
Прямі - це методи безпосередніх наземних та дистанційних (з тропосфери, космосу) вивчень складу та будови земної кори. Основний - геологічна зйомка та картування. Вивчення складу та будови земної кори проводиться шляхом вивчення природних оголень (обриви річок, ярів, схили гір), штучних гірничих виробок (канали, шуфи, кар'єри, шахти) та бурових свердловин (мах - 3,5 - 4 км в Індії та ПАР , Кольська свердловина - понад 12 км., проект 15 км.) У гірських районах можна спостерігати природні розрізи в долинах річок, що розкривають товщіпорід, зібраних у складні складки та піднятих при гороутворенні з глибин 16 – 20 км. Таким чином, метод безпосереднього спостереження та дослідження шарів гірських порід застосовується лише до невеликої, самої верхньої частини земної кори. Лише у вулканічних областях по вивергнутій з вулканів лаві і з твердим викидам можна будувати висновки про склад речовини на глибинах 50 - 100 км. і більше, де зазвичай розташовуються вулканічні вогнища.
Непрямі - геофізичні методи, які ґрунтуються на вивченні природних та штучних фізичних полів Землі, що дозволяють досліджувати значні глибини надр.
Розрізняють сейсмічні, гравіметричні, електричні, магнітометричні та ін геофізичні методи. З них найбільш важливий сейсмічний (сейсмос - трясіння) метод, заснований на вивченні швидкості поширення в Землі пружних коливань, що виникають при землетрусах або штучних вибухах. Ці коливання називаються сейсмічними хвилями, що розходяться від вогнища землетрусів. Бувають 2 типи: поздовжні Vp, що виникають як реакція середовища на зміни об'єму, поширюються в твердих і рідких тілах і характеризуються найбільшою швидкістю, і поперечні хвилі Vs, що представляють реакцію середовища на зміну форми і поширюються лише у твердих тілах. Швидкість руху сейсмічних хвиль у різних гірських породах різна і залежить від їх пружних властивостей та їх густини. Чим більша гнучкість середовища, тим швидше поширюються хвилі. Вивчення характеру поширення сейсмічних хвиль дозволяє судити про наявність різних оболонок кулі з різною пружністю та щільністю.
Експериментальні дослідження спрямовані на моделювання різних геологічних процесів та штучне отримання різних мінералів та гірських порід.
Математичні методи вгеології спрямовані на підвищення оперативності, достовірності та цінності геологічної інформації.
4. Будова Землі.
Виділяють 3 оболонки Землі: ядро, мантію та земну кору.
Ядро – найбільш щільна оболонка Землі. Вважають, що зовнішнє ядро знаходиться в стані, що наближається до рідкого. Температура речовини досягає 2500 – 3000 0С, а тиск
300Гпа. Внутрішнє ядро, ймовірно, знаходиться в твердому стані. Склад зовнішнього та внутрішнього
однаковий – Fe – Ni, близький до складу метеоритів.
Мантія – найбільша оболонка Землі. Маса – 2/3 маси планети. Верхня мантія характеризується вертикальною та горизонтальною неоднорідністю. Під континентами та океанами її будова суттєво відрізняється. В океанах на глибині
50 км., а материках – 80 – 120 км. починається шар знижених сейсмічних швидкостей, який зветься сейсмічного хвилеводу або астеносфери (тобто геосфера «без міцності») і відрізняється підвищеною пластичністю. (Хвильовик поширюється під океанами до 300 - 400 км., Під материками - 100 - 150 км.) До неї приурочено більшість вогнищ землетрусів. Вважають, що в ній виникають магматичні вогнища, а також зона підкіркових конвекційних течій та зародження найважливіших ендогенних процесів.
В. В. Білоусов поєднує земну кору, верхню мантію, включаючи астеносферу в тектоносферу.
Проміжний шар і нижня мантія відрізняються одноріднішим середовищем, ніж верхня мантія.
Верхня мантія складена переважно феро-магнезіальними силікатами (олівін, піроксени, гранати), що відповідає перидотитовому складу порід. У перехідному шарі С основний мінерал – олівін.
Хімічний склад: оксиди Si, Al? Fe (2+, 3+), Ti, Ca, Mg, Na, K, Mn. Переважають Si та Mg.
Земна кора – це верхня оболонка Землі, складена магматичними, метаморфічними та осадовими породами, потужністю від 7 до 70 – 80 км. Це найактивніший шар Землі. Для неї характерний магматизм та прояви тектонічних процесів.
Нижня межа земної кори симетрична до поверхні Землі. Під материками вона глибоко опускається в мантію і під океанами наближається до поверхні. Земна кора з верхньою мантією до верхньої межі астеносфери (тобто без астеносфери) утворює літосферу.
У вертикальній будові земної кори виділяють три шари, складених різними за складом, властивостями та походженням породам.
1 шар - верхній або осадовий (стратосфера) складений осадовими та вулканогенно-осадовими породами, глинами, глиняними сланцями, піщаними, вулканогенними та карбонатними породами. Шар покриває майже всю поверхню Землі. Потужність у глибоких западинах досягає 20 – 25 км., у середньому – 3 км.
Для порід осадового чохла характерна слабка дислокованість, порівняно низькі щільності та невеликі зміни, що відповідають діагенетичним.
2 шар – середній або гранітний (граніто – гнейсовий), породи мають схожість із властивостями гранітів. Складено: гнейсами, гранодіоритами, діоритами, окалізами, а також габро, мармурами, силінітами та ін.
Породи цього шару різноманітні за стільником та ступенем їх дислокованості. Вони можуть бути незмінними та метаморфованими. Нижня межа гранітного шару називається сейсмічний поділ Конрада. Потужність шару – від 6 до 40 км. На окремих ділянках Землі цей шар відсутній.
3 шар - нижній, базальтовий складається з більш важких порід, які за властивостями близькі до магматичних пород, базальтів.
В окремих місцях між базальтовим шаром та мантією залягає такзваний еклогітовий шар із більш високою щільністю, ніж базальтовий.
Середня потужність шару у континентальній частині
20 км. Під гірськими хребтами досягає 30 - 40 км., а під западинами знижується до 12 - 13 і 5-7 км.
Середня потужність земної кори в континентальній частині (Н. А. Білявський) -40,5 км, хв. - 7 – 12 км. у океанах, макс. - 70 – 80 км. (високогір'я на континентах).