Способы изучения земной коры земли

Способы изучения земной коры земли

Тульский государственный педагогический университет им Л.Н. Толстого
Кафедра экологии
Голынская Ф.А.

e-mail:
tgpu@tula.net ГЕОЛОГИЯ

Цикл геологических наук. Оболочечное строение Земли.

I. Предмет и задачи геологии.

Геология – одна из фундаментальных естественных наук, изучающая строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует сложные явления и процессы, протекающие на ее поверхности и в недрах. Современная геология опирается на многовековой опыт познания Земли и разнообразные специальные методы исследования. В отличии от других наук о Земле, геология занимается исследованием ее недр. Основные задачи геологии состоят в изучении наружной каменной оболочки планеты – земной коры и взаимодействующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли (внешние – атмосфера, гидросфера, биосфера; внутренние – мантия и ядро).

Объектами непосредственного изучения геологии являются минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, геологические процессы.

2. Цикл геологических наук.

Геология тесно связана с другими науками о Земле, например с астрономией, геодезией, географией, биологией. Геология опирается на такие фундаментальные науки как математика, физика, химия. Геология является синтетической наукой, хотя в то же время распадается на множество взаимосвязанных отраслей, научных дисциплин, изучающих Землю в разных аспектах и получающих сведения об отдельных геологических явлениях и процессах. Так, изучением состава литосферы занимаются: петрология, исследующая магматические и метаморфические породы, литология, изучающая осадочные горные породы, минералогия – наука, изучающая минералы как природные химические соединения и геохимия – наука о распределении и миграции химических элементов в недрах земли.

Геологические процессы, формирующие рельеф земной поверхности, изучает динамическая геология, частью которой являются геотектоника, сейсмология и вулканология.

Раздел геологии, занимающийся изучением истории развития земной коры и Земли в целом, включает стратиграфию, палеонтологию, региональную геологию и носит название «Историческая геология.

Есть в геологии науки, имеющие большое практическое значение. Такие, как о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология.

В последние десятилетия появились и приобретают все большее значение науки связанные с исследованием космоса (космическая геология), дна морей и океанов (морская геология).

Наряду с этим есть геологические науки, находящиеся на стыке с другими естественными науками: геофизика, биогеохимия, кристаллохимия, палеоботаника. К таковым относятся также геохимия и палеогеография. Наиболее близкая и разносторонняя связь геологии с географией. Для географических наук, таких как ландшафтоведение, климатология, гидрология, океанография, более всего важны геологические науки, изучающие процессы, влияющие на формирование рельефа земной поверхности и историю образования земной коры всей Земли.

3. Методы изучения земных недр.

В геологии применяют прямые, косвенные, экспериментальные и математические методы.

Прямые – это методы непосредственных наземных и дистанционных (из тропосферы, космоса) изучений состава и строения земной коры. Основной – геологическая съемка и картирование. Изучение состава и строения земной коры производится путем изучения естественных обнажений (обрывы рек, оврагов, склоны гор), искусственных горных выработок (каналы, шуффы, карьеры, шахты) и буровых скважин (мах – 3,5 – 4 км. в Индии и ЮАР, Кольская скважина – более 12 км., проект 15 км.) В горных районах можно наблюдать естественные разрезы в долинах рек, вскрывающих толщи горных пород, собранных в сложные складки и поднятых при горообразовании с глубин 16 – 20 км. Таким образом, метод непосредственного наблюдения и исследования слоев горных пород применим лишь к небольшой, самой верхней части земной коры. Лишь в вулканических областях по извергнутой из вулканов лаве и по твердым выбросам можно судить о составе вещества на глубинах 50 – 100 км. и больше, где обычно располагаются вулканические очаги.

Косвенные – геофизические методы, которые основаны на изучении естественных и искусственных физических полей Земли, позволяющие исследовать значительные глубины недр.

Различают сейсмические, гравиметрические, электрические, магнитометрические и др. геофизические методы. Из них наиболее важен сейсмический («сейсмос» – трясение) метод, основанный на изучении скорости распространения в Земле упругих колебаний, возникающих при землетрясениях или искусственных взрывах. Эти колебания называются сейсмическими волнами, которые расходятся от очага землетрясений. Бывают 2 типа: продольные Vp, возникающие как реакция среды на изменения объема, распространяются в твердых и жидких телах и характеризуются наибольшей скоростью, и поперечные волны Vs, представляющие реакцию среды на изменение формы и распространяются только в твердых телах. Скорость движения сейсмических волн в разных горных породах различна и зависит от их упругих свойств и их плотности. Чем больше упругость среды, тем быстрее распространяются волны. Изучение характера распространения сейсмических волн позволяет судить о наличии различных оболочек шара с разной упругостью и плотностью.

Экспериментальные исследования направлены на моделирование различных геологических процессов и искусственное получение различных минералов и горных пород.

Математические методы в геологии направлены на повышение оперативности, достоверности и ценности геологической информации.

4. Строение Земли.

Выделяют 3 оболочки Земли: ядро, мантию и земную кору.

Ядро – наиболее плотная оболочка Земли. Полагают, что внешнее ядро находится в состоянии, приближающемся к жидкому. Температура вещества достигает 2500 – 3000 0 С, а давление

300Гпа. Внутреннее ядро, предположительно находится в твердом состоянии. Состав внешнего и внутреннего

одинаков – Fe – Ni, близкий к составу метеоритов.

Мантия – самая крупная оболочка Земли. Масса – 2/3 массы планеты. Верхняя мантия характеризуется вертикальной и горизонтальной неоднородностью. Под континентами и океанами ее строение существенно отличается. В океанах на глубине

50 км., а материках – 80 – 120 км. начинается слой пониженных сейсмических скоростей, который носит название сейсмического волновода или астеносферы ( т.е. геосфера «без прочности») и отличается повышенной пластичностью. (Волновод распространяется под океанами до 300 – 400 км., под материками — 100- 150 км. ) К ней приурочено большинство очагов землетрясений. Полагают, что в ней возникают магматические очаги, а также зона подкорковых конвекционных течений и зарождение важнейших эндогенных процессов.

В. В. Белоусов объединяет земную кору, верхнюю мантию, включая астеносферу в тектоносферу.

Промежуточный слой и нижняя мантия отличаются более однородной средой, чем верхняя мантия.

Верхняя мантия сложена преимущественно ферро-магнезиальными силикатами (оливин, пироксены, гранаты), что соответствует перидотитовому составу пород. В переходном слое С основной минерал – оливин.

Химический состав: оксиды Si, Al? Fe (2+, 3+), Ti, Ca, Mg, Na, K, Mn. Преобладают Si и Mg.

5. Земная кора.

Земная кора – это верхняя оболочка Земли, сложенная магматическими, метаморфическими и осадочными породами, мощностью от 7 до 70 – 80 км. Это наиболее активный слой Земли. Для нее характерен магматизм и проявления тектонических процессов.

Нижняя граница земной коры симметрична поверхности Земли. Под материками она глубоко опускается в мантию, и под океанами приближается к поверхности. Земная кора с верхней мантией до верхней границы астеносферы ( т.е. без астеносферы) образует литосферу.

В вертикальном строении земной коры выделяют три слоя, сложенных различными по составу, свойствам и происхождению породам.

1 слой – верхний или осадочный (стратосфера) сложен осадочными и вулканогенно-осадочными породами, глинами, глиняными сланцами, песчаными, вулканогенными и карбонатными породами. Слой покрывает почти всю поверхность Земли. Мощность в глубоких впадинах достигает 20 – 25 км., в среднем – 3 км.

Для пород осадочного чехла характерна слабая дислоцированность, сравнительно низкие плотности и небольшие изменения, соответствующие диагенетическим.

2 слой – средний или гранитный ( гранито – гнейсовый), породы имеют сходство со свойствами гранитов. Сложена: гнейсами, гранодиоритами, диоритами, окализами, а так же габбро, мраморами, силинитами и др.

Породы этого слоя разнообразны по сотаву и степени их дислоцированности. Они могут быть неизменными и метаморфированными. Нижняя граница гранитного слоя называется сейсмический раздел Конрада. Мощность слоя – от 6 до 40 км. На отдельных участках Земли этот слой отсутствует.

3 слой – нижний, базальтовый состоит из более тяжелых пород, которые по свойствам близки к магматическим породам, базальтам.

В отдельных местах между базальтовым слоем и мантией залегает так называемый эклогитовый слой с более высокой плотностью, чем базальтовый.

Средняя мощность слоя в континентальной части

20 км. Под горными хребтами достигает 30 – 40 км., а под впадинами снижается до 12 – 13 и 5-7 км.

Средняя мощность земной коры в континентальной части (Н. А. Белявский) –40,5 км., мин. – 7 – 12 км. в океанах, макс. – 70 – 80 км. (высокогорье на континентах).

Источник

Методы изучения глубинного строения земли

Рассмотрим сначала методы и источники информации о глу­бинном строении Земли.

Бурение

Всем хорошо известны эти методы, однако далеко не все представляют их возможности и масштабы. Скважины глу­биной 3—7 км считаются глубокими, более 7 км — сверхглубокими. Практически все они пробурены в научных целях. Самая глубокая в мире Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 262 м была пробурена в Советском Союзе. Бурение было начато в 1970 г., пре­рывалось из-за аварий и прекращено в 1992 г. Первоначально пред­полагалось пробурить 15 км.

Бурение глубоких скважин — очень дорогое и продолжительное мероприятие. Бурение в научных целях усложняется необходи­мостью постоянного отбора образцов пород, поэтому оно под силу только богатым странам с развитой экономикой.

В мире сооружается довольно много (сотни в год) менее глу­боких (от сотен метров до нескольких километров), но тоже до­вольно значительных скважин для поиска и добычи нефти, газа и других полезных ископаемых. В год сооружаются многие тысячи скважин для водоснабжения и изысканий. Изыскательские сква­жины имеют целью изучение разреза и отбор образцов для проек­тирования и строительства. Их глубина — от нескольких метров до нескольких десятков метров. Любые скважины весьма полезны для изучения глубинного строения Земли, особенно тем, что поз­воляют непосредственно получать образцы пород, но одного бу­рения явно недостаточно.

Горные выработки — шахты и карьеры. Они дают очень много полезной информации, горные породы в них доступны для непосредственного наблюдения и изучения, но их глубина обычно со­ставляет десятки-сотни метров и редко превышает 1 км.

Схема Кольской сверхглубокой скважины

0-7 км, PR — вулканические породы(диабазы) песчаники, доломиты ; после 7 км, AR — гнейсы, амфиболиты, стволы скважины разошлись на 300м.

Обнажения горных пород на склонах

Обнажением называется участок выхода на поверхность геологического тела, перекрытого в других местах вышележащими породами.

При необходимости площадь обнажения можно увеличить, сделав расчистку. Обнажения позволяют подробно изучить горные породы, но глубина, на которую при этом можно заглянуть, опре­деляется глубиной эрозионного вреза и лишь в редчайших случаях превышает 1 км.

Геофизические методы

Геофи­зика — раздел геологии, основанный на изучении физических свойств горных пород, геологических тел и Земли в целом. Геофизика имеет несколько направлений, весьма эффективных при поиске полезных ископаемых, — это электроразведка, магнитораз­ведка, радиоразведка, гравиметрия, каротаж скважин и др. Методы являются косвенными, так как измеряются только физические па­раметры, а конкретные образцы горных пород на поверхность не извлекаются. При изучении глубинного строения Земли основ­ным является вклад сейсморазведки. Глубинность методов состав­ляет сотни и тысячи километров. Вкратце поясним суть сейсмичес­ких методов.

Обнажения пород на склоне

2 и 3 — открытые для наблюдения пласты; для изучения пластов 1, 4 и 5 требуются расчистки

Если на поверхности Земли произвести взрыв или просто сильный механический удар, внутри геологической среды воз­никнет сейсмическая волна, которая будет распространяться в глубь горных пород. При достижении геологических границ, где одна порода сменяет другую, сейсмическая волна частично про­ходит дальше и частично отражается от каждой геологической гра­ницы и возвращается на поверхность.

Если поставить соответствующее оборудование и измерить время, через которое сейсмическая волна вернется на поверхность, то, зная скорость прохождения сейсмической волны через горные породы различного состава, можно вычислить глубину залегания геологической границы. Зная положение геологических границ, можно вычислить скорости прохождения сейсмических волн через породы различного состава.

За счет различных приемов удается определить положение не одной, а многих геологических границ, в том числе и очень глу­боко залегающих, совершенно недоступных, например, для бу­рения. В целом разрез расчленяется на основе выделения пластов с различной скоростью прохождения сейсмических волн. Критерием правильности сейсмических методов является их эффектив­ность при поиске нефтегазовых и других месторождений.

Схема сейсмических методов в геофизике

Приводимые в последующих главах схемы строения Земли и земной коры построены на основе сейсмических методов. Геофи­зические работы намного дешевле бурения, они выполняются быстрее, поэтому на практике те и другие работы обычно применя­ются в комплексе, дополняя друг друга. Полагают, что выводы, сде­ланные только на основе геофизических поисков, не могут счи­таться окончательно подтвержденными, однако для построений, касающихся глубин более 10 км, сейсмические источники явля­ются единственными.

Магматические породы и современная магма

Считается, что магма приходит с глубин в сотни километров, однако не следует считать, что она точно представляет состав находящегося там ве­щества.

Залегание магматических пород

При движении вверх магма расплавляет находящиеся на ее пути породы, из-за этого сильно изменяется ее состав, поэтому сообра­жения о ее начальном составе могут быть лишь примерными, од­нако полученные геологические данные безусловно используются в практике.

Тектонически поднятый блок земной коры (на рисунке справа)

слой 5 показывает амплитуду поднятия

На рисунке показано залегание горных пород и поднятый по разлому тектонический блок. Амплитуда таких поднятий может составлять километры. В земной коре имеются регионы с по­добным блоковым строением, сложенные очень древними поро­дами и практически не перекрытые сверху более молодыми образо­ваниями.

Космические данные

Материал горных пород, находящийся на глубинах, превышающих глубинность бурения или амплитуду поднятия блоков земной коры, недоступен для конкретного иссле­дования. Стремясь как-то оценить химический состав Земли, гео­логи обращаются к; данным о составе метеоритов, лунного грунта и планет земной группы.

Итак, при изучении строения Земли на глубины (несколько ки­лометров) используются различные источники информации, но чем больше глубина, тем информации становится меньше. Для глубин примерно от 10 км до центра Земли единственный источник информации — сейсмические данные геофизики. Иллюстрация внутреннего строения Земли представлена на рисунке ниже.

Как можно видеть в ее строении выделяется несколько внут­ренних оболочек, называемых геосферами — земная кора, верхняя и нижняя мантия, внешнее и внутреннее ядро.

Источник