Ямальская воронка образовалась в результате извержения криовулкана. Науки о Земле

В науке есть проблемы, которых нельзя решить усилиями одной какой-нибудь отрасли знания, а только совместными усилиями ряда смежных научных дисциплин.

В геологии к числу таковых принадлежит не только проблема движения материков, но и проблема о связи циклов развития нашей планеты с ее движением. С одной стороны, движение как нашей, так и других планет изучается астрономией, с другой, рассказать о циклах жизни планеты в истории Земли правильнее всего может геолог.

Ясно из этого, что при сопоставлении этих двух явлений совершенно неизбежно приходится воспользоваться данными геологии и астрономии. Однако нетрудно показать, что усилий этих двух наук совершенно недостаточно.

Когда на протяжении геологического времени осуществляются и развертываются геологические циклы, ход их развития определяется физической природой вращающегося тела планеты, поэтому при изучении данного вопроса необходимо также участие и геофизики. Далее, в связи с тем, что Земля и в особенности ее кора - это мозаика разнообразных веществ, потребуется участие и геохимической науки, и, наконец, своя точка зрения на эту проблему существует у механики. Словом, большая и сложная проблема о взаимоотношении геологических циклов с движением Земли, и в частности с ее вращением, требует совместной работы нескольких научных дисциплин. Мы это далее рассмотрим с позиций геологии, однако с учетом достижений ряда других отраслей знания.

До очень недавнего сравнительно времени, как известно, геология стояла на той точке зрения, что Земля внутри расплавлена и прошла огненножидкую фазу, во время которой разделилась на железное ядро и силикатные геосферы. От этого взгляда понемногу отказываются. Однако такое мнение привело к большим и чрезвычайно важным последствиям. Пока считалось, что огненножидкое ядро существует, именно к нему апеллировали геологи для объяснения всех так называемых эндогенных явлений на Земле: этим объясняли и тектонику, и землетрясения, и вулканизм. Но эта трактовка стала невозможной, когда такое представление отбросили.

Господствующее направление геологической науки в объяснении тектонических явлений и горообразования, а следовательно и геологических циклов, находится сейчас у разбитого корыта. Доказано, что Земля тело холодное, и поэтому апеллировать для объяснения тектонических фактов ныне к огненножидкому ядру не приходится.

Теория радиогенного тепла также ничего не объясняет, за исключением констатации того факта, что в земной коре на некоторой глубине концентрируются радиоактивные элементы. В результате, господствующее течение в геологии сейчас не дает объяснений тектогенезу, а только описывает тектонические явления, подводя их под рубрику структур разных типов. Равным образом в вопросе о ходе геологических явлений это направление создало пульсационную теорию, которая констатировала последовательное чередование в истории Земли пульсации разных типов, но причин этого не выяснила.

Кроме этой теории, сейчас в нашей отечественной геологии есть еще теория радиомиграционная, идущая дальше теории пульсационной в том, что стремится объяснить пульсации миграциями радиоактивного вещества внутри тела Земли именно из ее глубин к поверхности. Однако и она причин миграции не объясняет, и апеллируя к миграциям из центра

к поверхности, в сущности ссылается на то же внутреннее ядро, представление о котором было недавно отброшено. К тому же, если даже будет доказан приток эндогенного тепла из глубин, он никак не объясняет причин определенного географического распределения на Земле горных и платформенных структур, ибо от нагрева до создания движении дистанция огромного размера.

Таким образом, общепринятых объяснений причин тектонических явлений, таких же объяснений цикличности этих явлений, а равно связанных с этим геологических циклов ни пульсационная, ни радиомиграционная теория не дают, и теорию этих явлений приходится строить иными путями. Поскольку Земля представляет собой движущееся, а не неподвижное тело, ключ к раскрытию ее явлений, и, в частности, тех твердо установленных смен событий в ее истории, которых называют пульсациями, следует искать в движении Земли ив его условиях.

Известно, что на движение Земли и на ее вращение не могут не влиять окружающие Землю условия среды. Это - прежде всего охватывающие Землю условия планетной системы Солнца, а также условия того более крупного целого, к которому планетная система принадлежит. В этом аспекте мы и будем подходить здесь к освещению жизни нашей планеты.

Прежде всего перед нами встает вопрос о воздействии на Землю ближайшего соседа - Луны и центрального тела нашей планетной системы - Солнца. Луна и Солнце воздействуют на вращение Земли при ее движении: а) путем создания прецессии, б) путем создания нутации, в) путем создания в океане приливных поднятий воды и г) посредством атмосферной циркуляции.

Отклонение, связанное при вращении Земли с прецессией, как показал Веронне (Veronne, 1912,1927), неодинаково на различных параллелях. Оно ощущается как расширение и сжатие на разных параллелях, за исключением параллели 35°15’52». Выяснено, что этот эффект прецессии не зависит от состояния вещества Земли. Он остается одним и тем же, будь это вещество твердым, жидким, и, наконец, таким же остается, если оно состоит из разных слоев - жидких и твердых.

Величина параллели, на которой прецессионное отклонение сходит на нет, также установлена Веронне, отметившим, что к этой широте приурочиваются также так называемые складчатые горы. В одной работе Красовского (1941) упоминается об указании Магницкого на то, что горные поднятия располагаются вдоль 35-й параллели. К этому выводу присоединился и Красовский.

Ранее мы уже отмечали, что в 1951 г. Стовас показал, что к 35-й параллели приурочены широтные дислокации Земли. Он, не зная работы Веронне, сделал свои исчисления точного положения этой параллели и получил ту же величину, 35°15’52», которая ранее была определена Веронне. Веронне в упомянутой работе привел схему, показывающую, как на 35-й параллели сходятся воздействия со стороны полюсов и экватора, создающие чередующиеся расширения и сжатия пород, дислокации и зоны разлома земной коры. Об этой схеме мы скажем дальше.

Отклонение, по расчетам, создает тангенциальное ускорение в меридиональном направлении величиной в 4 см/сек. 2 , давящее на породы с силой, равной 0.004 веса пород.

Эти сходящиеся с двух сторон боковые давления дают, но Веронне, результирующую, направленную согласно лучу вектора, как волна суточного прилива. В течение 24-часового суточного вращения различные параллели имеют тенденцию сжиматься в сторону 35-й параллели с тем, чтобы затем в последующие 12 часов от нее оттягиваться в противоположную сторону. Это и показано на схеме косым положением экватора, как и параллелей более близких, чем 35-я. Связь прецессии с суточным движением обусловлена тем, что она вызывается действием Луны и Солнца. Суммируясь за длительные промежутки времени, прецессия может создать большое тангенциальное движение поверхностных частей земной коры.

Другими проявлениями воздействия Солнца и Луны на земную кору являются приливные движения океана. Тормозящее влияние океанов на вращение Земли было указано еще Кантом. Затем оно в течение XIX в. было подтверждено рядом автором (Адамс, де Лоне, Томсон, Тэйт, Дарвин, Ньюкомб, Браун и др.).

Энгельс указывал, что приливы разлагают вращение Земли на силы, вычитающиеся из скорости вращения и действующие на отдельные участки Земли; они оказывают на них давление, отчего и создаются дислокации. Он подчеркивал, что это объяснение дислокаций у Томсона и Тэйта вовсе не требует апелляции к огненножидким силам внутреннего ядра Земли, они обходятся без этого.

Если из эклипсов выводить ускорение Луны, являющееся следствием замедления вращения Земли, создаваемого приливами, то величина этого ускорения даст разрыв в 5 2 по отношению к той величине ускорения, которую можно объяснить приливами. Полное ускорение, по Ганзену, равно 12», даже 12».56. Ньюкомб в 1912 г. уменьшил его до 10».9 и даже 8».4. Между тем, приливное ускорение равно всего 6 и 6».1. Есть основание думать, что остальное падает на прецессию и еще на какие-нибудь другие причины, в числе которых находятся нутация, а равно циркуляция атмосферы. Н. Н. Парижский (1945) пришел к выводу, что свободная нутация трехосной Земли приводит к очень небольшому изменению угловой скорости ее вращения, совершенно неощутимому для наблюдения.

О роли циркуляции атмосферы можно сказать следующее. На основе принципа, введенного Майером, о том, что всякое движение на планете, возбужденное движением самой планеты в целом, должно на последнее как-то воздействовать, есть основание думать, что и циркуляция атмосферы подобно приливным движениям должна замедляюще действовать на движение Земли. Размер этого действия подлежит изучению.

Парийский в 1953 г. собрал данные, начиная с 1935 г., относительно годовых изменений хода кварцевых и маятниковых часов с годовым и полугодовым периодом. Оказалось, что быстрее всего Земля вращается в августе и наиболее медленно в марте. Годичный период изменения хода часов оказался реальностью. Большинство исследователей связывает этот ход изменений с действительной неравномерностью вращения Земли. Какова причина такой неравномерности? Группа бельгийских ученых ее происхождение приписывала сезонному перераспределению воздушных масс. Однако Парийский пытался показать, что это представление неправильно, ибо расчетное перераспределение атмосферных масс дает эффект в 3000 раз меньший, чем эффект наблюдаемый, и поэтому заметного влияния на скорость вращения Земли оно оказать не может.

Парийский показал также, что на скорость вращения Земли не влияют вертикальные движения - перемещения масс сезонного характера: изменения растительного, снегового и ледяного покровов, изменения влажности атмосферы за счет водных резервов на той же географической широте. Отрицательный вывод приходится сделать о переменном нагревании поверхностей суши и океана; оно также заметным образом на скорость вращения не влияет. Очевидно, причину изменений скорости вращения приходится искать в других факторах.

Еще в 1926 г. Джеффрейс указал на роль изменений количества движения разных частей атмосферы в общей ее циркуляции. Эта проблема сезонных изменений циркуляции обсуждалась Старром и Уайтжером. В данном явлении может играть роль поверхностное трение между атмосферой и субстратом, а затем его различие по разные стороны меридионально расположенных горных хребтов. Речь идет, таким образом, о влияниях этого трения и гор. Первое во много раз больше водного.

По заключению Парийского, еще нельзя сделать уверенного вывода о том, что неравномерность вращения Земли в течение года полностью объясняется движениями атмосферных масс, но вывод этот, по его мнению, можно считать вероятным. Далее, Парийский считает, что не исключена и другая возможность, т. е. что изменения угловой скорости вращения Земли связаны не только с изменениями в атмосфере, но и с какими-то изменениями внутри Земли или у ее поверхности, с изменениями силы тяжести годового периода. Сезонные изменения в циркуляции атмосферы играют существенную роль в объяснении годичной неравномерности вращения Земли. По-видимому, они все же не могут объяснить всего наблюдаемого явления в пределах года. Прецессия с нутацией вместе, приливы, движения атмосферы - вот три фактора, влияющие на движение планеты. Исчерпываются ли ими все виды воздействия на это движение или имеется еще какой-нибудь фактор, эти результаты изменяющий, мы не знаем. Далее мы не знаем, нет ли причин исторически или, может быть, периодически изменяющих в течение истории развития Земли соотношение названных факторов.

В связи с ничтожностью роли нутации, дополнительной к роли прецессии, о ней мы говорить не будем, считаясь лишь с остальными факторами. Из последних неясна роль атмосферной циркуляции. Она возможно гораздо больше, чем пока выяснено точными исследованиями. На это, по сообщениям Аппеля, быть может, намекает указанная им роль атмосферной циркуляции в движениях материков. Надо думать, что значение этих движений выходит за пределы только годовых циклов и как-то суммируется с приливами. Этим общим указанием нам здесь придется ограничиться.

Обратимся к прецессионным колебаниям, а также к приливным движениям гидросферы, которые вместе с циркуляциями атмосферы воздействуют на литосферу. Прецессия, как мы указали, создает тангенциальные перемещения в земной коре. Это, говоря словами Аппеля, «горизонтальная сила, вызываемая Луной на поверхности Земли» (1936). Что касается приливов, то они, видимо, дополняют это вертикальной составляющей дислокаций.

Аппель полагал, что фазы тех и других дислокаций, их максимумы одни и те же у изменений, созданных прецессией, и у изменений, созданных приливами, а то, что фазы обоих видов нарушений совпадают, это, по-видимому, так, относительно же совпадения их максимумов можно, как мы увидим дальше, сильно сомневаться. Возможно, что максимумы - это разные эпохи жизни планеты. Первые движения, т. е. движения, связанные с прецессией, проявляются в скольжениях, которые могут, как правильно говорит Аппель, привести к тому перемещению полюсов земной поверхности по отношению к точкам планеты, которое объясняет наблюдения над положением древних ледников в районах, ныне близких к экватору. Скорость этого перемещения полюсов по ядру близка, по Аппелю, к 5° (за период в 2 млн лет). В известный момент эти тангенциальные перемещения приводили к вертикальным движениям в земной коре, создающим горные пояса. Как это происходит - неясно. Но самый факт установлен достаточно хорошо.

Что касается движений вертикальных, создаваемых приливами, то есть основание думать, что приливы океанические, суммируясь на больших промежутках времени, создают в земной коре внутренние приливные движения. Ими объяснял Перре землетрясения, для которых он вывел три закона на статистической основе, связывающие с землетрясениями частоту критических положений Луны и Солнца, дающих вместе с тем и максимальные приливы. Сходные идеи по поводу землетрясений развивал Э. Рате. К аналогичным результатам пришли Парвиль и Г. Фламарион.

Чтобы вертикальные движения земной коры могли полностью осуществиться и образовать всю систему высоких широтных гор, примыкающих к ним геосинклинальных впадин и пр., нужно, чтобы движения смещения параллелей и полюсов прекратились. Если учесть это обстоятельство, то мы должны эти движения, связанные с прецессией или обусловленные приливами, различать, ибо они имеют разные результаты. Именно это и наводит на мысль, что происходят они, возможно, в разные фазы земной истории.

Известно, что горные поднятия в историческую фазу жизни Земли, т. е. начиная с кембрия, повторялись шесть раз. Эти короткие фазы вспышек поднятия гор - салаирская (саянская), каледонская, варисцинская, древнекиммерийская, новокиммерийская и альпийская - отделены одна от другой длинными фазами перерывов, когда поднятий гор не было. В то же время можно отметить, что места нахождения древних гор различных фаз горообразования если и совпадают, то лишь частично, а в основном они различны. А так как в каждую фазу горные пояса должны были располагаться на 35-й параллели, становится ясным, что эта параллель в течение геологической истории меняла свое положение. Если признать, что соотношение фактов во времени и пространстве было именно таким, то придется констатировать, что если в короткие фазы вспышек горообразования происходили вертикальное поднятие гор и погружение впадин, осуществлявшееся в виде приливных движений земной коры на подобие приливов океана, то в длительные фазы перерывов ярко проявлялись вызванные прецессией тангенциальные перемещения земной коры. Именно в ходе перемещений создавались новые положения полюсов, а с ними и новые положения 35-й параллели, после которых перемещение полюсов коры и ее параллелей приостанавливалось, и этим обусловливалось новое положение широтных поясов горообразования.

Горы на материках близ границ их с океанами, как ни смотреть в деталях на их генезис, представляют собой поднятия, и в этом смысле они неизбежно должны быть тоже результатом толчка извне, ибо нет, как мы выяснили, опираясь на Энгельса, другой силы, которая противодействовала бы тяжести, кроме отталкивательных сил тяготения.

На основании изложенного нам рисуется неоднократное повторение в истории Земли двух фаз: длинных промежутков, в которые происходили очень незначительные тангенциальные перемещения земной коры и коротких эпох поднятия гор на основе тех же, но более глубоких и сильных тангенциальных движений. Есть основание к этим двум фазам добавить третью. Когда перед началом эпохи нового горообразования подходил к концу этап горизонтальных перемещений, сходили на нет прежние контрастные формы рельефа, унаследованные от предыдущей горообразовательной вспышки. Это выделяло конец длительной фазы, лишенной горообразования, еще в особую фазу. Так получились три фазы развития рельефа и поднятий земной коры.

В первой фазе развитие рельефа и структур происходило энергично, и горы поднимались в эту фазу высоко, при слабом развитии в ту же эпоху тангенциальных движений земной коры - это фаза ледниковая.

Во второй фазе происходили снижение и пенепленизация ранее возникших гор и вместе с тем усиление тангенциального перемещения земной коры; это - фаза пенепленизации гор. Наконец, в третью фазу горы снижались до минимума, и тангенциальные движения начинали замедляться. В свое время эту фазу я назвал ксеротермической.

Таким образом, геологический цикл начинается ледниковой фазой, затем следует долгий промежуток пенепленизации, который сменяется третьей фазой - ксеротермической.

Ясно, что хотя в ходе развития нашей планеты, который был до сих пор во все эпохи развития нашей планеты, насколько мы знаем, поступательным, имелись элементы повторяемости, когда некоторые явления, говоря словами В. И. Ленина, как бы повторяли пройденные ступени, но повторяли их на более высокой фазе «отрицания», ввиду этого получается развитие не по прямой линии, а по спирали. Хотя контур спирали не может быть замкнутым, тем не менее извилистые элементы повторения в силу этого становятся видными в истории Земли, хотя это и не буквальное повторение. Имеется основание эти периоды времени, по окончании которых развитие как бы повторяется, но в наиболее высокой базе, называть геологическими циклами. В течение той части геологического времена, которое относится к исторической фазе жизни Земли, таких циклов было шесть, и они в совокупности своей охватили около пятисот миллионов лет.

Действующие на Земле силы меняются по фазам геологического цикла. Есть фазы, когда эти силы увеличиваются, есть такие, которые, наоборот, ослабляются. Так, в истории Земли фазы горообразования были фазами увеличения энергии Земли, возрастания геологических сил. Поскольку, как мы сказали, в исторической фазе жизни Земли имело место шесть фаз горообразования, то можно утверждать, что эта историческая часть включала в себя шесть геологических циклов. Последняя из фаз горообразования, относящаяся к альпийскому времени, по примерному расчету, если считать, что она началась во второй половине миоцена, длится уже 7 млн лет. Но она еще не окончилась и сколько продлится - неизвестно.

Можно думать, что полный максимум развития этой фазы достигнут был тогда, когда наибольшим было оледенение. Теперь оледенение идет на убыль и становится явно меньше, чем было в период распада так называемой ледниковой эпохи. Раз это так, то мы можем предположить, что переживаемая нами ныне фаза может продлиться еще 3-7 млн лет, и всю ее длительность можно оценить не больше чем в 10-15 млн лет. Это, конечно, только предположение, но оно довольно вероятное.

Едва ли длительность этой последней фазы горообразования существенно отличается от длительности предыдущих горообразовательных фаз - каледонской, варисцийской и пр. Если мы примем, что все одинакового типа фазы были более или менее равны, то также равными окажутся и промежутки между фазами горообразования. Приняв каждую фазу горообразования в истории нашей планеты равной 10-15 млн лет, для промежуточных между ними фаз получим 60-65 млн лет. Общая же продолжительность всего цикла вместе с фазой горообразования в нем окажется равной 70-80 млн лет.

Если это соотношение геологических циклов и периодов выразим на рисунке, то увидим на промежутке от конца кембрия до наших дней шесть правильно вздымающихся больших волн поднятий гор. Промежутки между максимальными пиками волн поднятия, т. е. полные геологические циклы, составляют 60-70 млн лет, причем они получаются так, что волна поднятия делится на две половины между двумя циклами. Полная волна поднятия, равная 10-15 млн лет, - это критическая фаза или фаза тектонической революции - диастрофы; длинный промежуток между волнами равен 50-55 млн лет - это органическая эпоха в жизни Земли. Термины «органический» и «критический» взяты у Сен-Симона.

Обратимся к проблеме тектонических движений на Земле в связи с явлениями в нашей Галактике. По указанию X. Шепли (1947), при расстоянии нашей солнечной системы от центра Млечного Пути в 30 тыс. световых лет для полного оборота солнечной системы вокруг своего космического центра при скорости 300 км/сек. (Шепли) или 250 км/сек. (Боки, 1948) требуется около 150-200 млн лет.

Боки полагают, что начало исторического времени жизни Земли - кембрий - было два с половиной космических года назад (Боки, 1948). Сопоставим относящиеся сюда цифры. Историческое время жизни Земли равняется, как мы видели, 456 млн лет, а полный оборот Солнца, т. е. космический год, - 150-200 млн лет. Если для выражения величины полного оборота остановимся на цифре 140-150 млн лет, то в историческое время жизни Земли уложится три полных оборота Солнца. Мы берем цифру 140-150 млн лет вот по каким соображениям.

Полный геологический цикл, как мы видели, составляет около 70 млн лет, т. е. примерно равен половине галактического года. Учитывая это, для галактического года берем не 200, а именно 150 млн лет. Если наше предположение о связи галактического года и геологического цикла верно, то в каждом галактическом году умещается два геологических цикла. За три космических года их было шесть: предсаянский, предкаледонский, предварисцийскпй, преддревнекиммерийский, предновокиммерийский и предальпийский.

Прилагаемая картина дает соотношение геологических периодов, геологических циклов и космических лет в масштабе геологического времени.

Если мы говорим о планетной системе Солнца, что она находится в динамическом равновесии, то тем более в равновесии находится система нашей Галактики - Млечный Путь. Это равновесие тоже подвержено изменениям. Астрономы отмечают, что для промежутков времени, равных миллиардам солнечных лет, очень заметным становится влияние случайных встреч отдельных проходящих мимо друг друга светил.

Откуда могут получиться такие случайные встречи? Если планеты движутся с разной скоростью, то и в Галактике близкие к ее центру звезды вращаются быстрее более далеких. При таком положении сближения светил каждый раз получаются во все новых и новых условиях, что вызывает и новые условия резонансов гравитационных колебаний. Постепенно периодически меняются и формы светил, и характер их движений. Влияние соседних светил в виде взаимодействия между собой их гравитационных воздействий и гравитации планетной системы, определяющей ее форму и прочность, в состоянии заметно изменить направление движения данного светила в пространстве и его скорость (меняются и скорость, и орбита). Дело здесь не в близких встречах светил, для которых рассчитано, что они на расстоянии ста космических единиц могут сблизиться в среднем один раз в двадцать триллионов лет, или в сто тысяч лет космических (Боки, 1948), а в воздействиях более далеких.

Известно, что «орбита Солнца постоянно изменяется под влиянием более далеких соседей. Отдельная звезда, проходящая на расстоянии в один световой год, изменит направление движения Солнца меньше чем на одну минуту дуги, но число таких встреч довольно велико» (Боки, 1948). В течение космического года, как говорят Боки, полный эффект от всех встреч с другими звездами будет в среднем примерно тот же, как от указанной выше одной встречи на расстоянии ста космических единиц.

Иначе говоря, эти далекие действия будут очень эффективны. Если они сильно отражаются и на самом Солнце, то не может не быть отражения их и на планетах системы Солнца. Обмен гравитационной энергии должен, конечно, распространяться и на планеты, в том числе на Землю.

Тектоника, согласно представлению Энгельса о толчке извне, есть результат борьбы, сочетания и взаимодействия двух гравитационных сил: силы тяжести - притяжения самой Земли и тяготения других тел, прежде всего Земли и Солнца. Соотношение этих двух сил меняется в ходе движения нашей планеты и в ходе движения других небесных тел по отношению к ней. Первая сила, по Энгельсу, создает притяжение, вторая - отталкивание. Они, в основном, уравновешивают друг друга. Но внешняя сила в зависимости от расположения светил усиливает свое воздействие, подобное тем воздействиям, которые Солнце производит в приливообразующей силе Земли.

Когда же мы говорим о тектонике, периодически повторяющей свои энергичные движения примерно через 70 млн лет, то ясно, что здесь имеется в виду долгосрочно ритмично повторяющееся воздействие. Это - проблема нерешенная, но решить ее можно только совместными усилиями нескольких наук. Геология дает точную хронологическую канву для распределения в геологическом времени тектонических диастроф.

Добавим к этому следующее. Если, говоря о приливных водах океана, мы их создание можем приписать только факторам, происходящим внутри планетной системы Солнца, но вне Земли, то изменения скоростей могут диктоваться и гравитационными силами вращения, имеющими источник в Галактике, вне системы Солнца. Это очень важно в связи с тем, что периодичность тектонических вспышек в истории нашей планеты такова, что объяснить ее приливными воздействиями планет невозможно, поэтому надо искать другие причины. Этими причинами и являются изменения движения светил, логически принуждающие выйти за пределы планетной системы в нашу Галактику - Млечный Путь.

Возможно, однако, что эти силы, если они проявляются, воздействуют на планетную систему и Землю не непосредственно, а через Солнце и Луну, изменяя через них прецессионные качания и приливное трение. Здесь мы находимся все-таки в области гипотез, и признанным фактом, который пока надо объяснять гипотезами, является повторяемость шести геологических циклов в 60-70 млн лет каждый. Это достоверно. Согласование же циклов с космическими годами менее достоверно, но очень вероятно.

Б. Ю. Левин недавно указал, что в течение существования Земли климат на ней почти не изменился (1954). Это утверждение не совсем верно. Климат Земли изменялся много раз, но все изменения его носили не поступательный, а циклический характер. История климата планеты в целом показывает, что изменения его носили характер лишь колебаний - временных, хотя и длительных, отклонений от некоторого среднего уровня. Таким образом, и те большие геологические циклы, которые нами выше охарактеризованы, носят характер больших климатических колебаний от ледниковой фазы через фазу умеренную к фазе засушливой, ксеротермической, после которой климат вновь возвращается к ледниковой фазе.

Мною в свое время подробно были освещены геологические циклы, причем черты их характеристики относились именно к климатическим и биологическим условиям частей цикла. Там же была применена схема соотношения геологических циклов и периодов, которая повторяется в данной работе с тем лишь отличием, что здесь геологические циклы сопоставлены с космическим, чего я не делал ранее. Зато там много говорилось о биологической стороне вопроса, и было показано, что с фазой засушливой, или ксеротермической, совпадают одновременные большие сплошные вымирания не всех, но определенных органических форм.

Очевидно, сейчас, учтя сопоставление геологических циклов с космическими годами, можно указать соотношение фаз вымирания живых существ с оборотами Галактики, что дает возможность дать впоследствии более определенную характеристику относящихся сюда частей этих оборотов.

Обращаясь к характеристике климатической стороны геологических циклов, можно отметить следующее. Ледниковые фазы каждого геологического цикла отличаются холодным климатом, обилием вод на суше и сокращением трансгрессии в океане. В умеренную фазу количество воды на суше начинает постепенно убывать, а в океане - увеличиваться, отчего происходит трансгрессия. Наконец, в засушливую фазу воды на суше меньше всего, а в океане ее имеется в достаточном количестве. Ясно, что геологические циклы характеризуются не только определенными чертами структурно-тектонических изменений, о которых мы уже говорили, но могут быть охарактеризованы как большие климатические изменения.

В 1941 г. я указал, что эти две стороны природных явлений тесно связаны между собой - поднятие высоких гор, создание контрастного рельефа (высокие поднятия и сильные опускания), и оледенение. Л. С. Берг (1946) не согласился с моей точкой зрения и указал, что оледенение имеет свои отдельные причины, которые кроются в понижении температуры воздуха, причем по поводу этого понижения температуры «можно в настоящее время высказывать только догадки». Берг (1938) полагал, что «почти не может быть сомнения в том, что причина внезапного охлаждения лежит или в деятельности Солнца или в каких-то других более отдаленных космических фактах».

Нужно признать, что это сказано весьма неопределенно, и получается, что поднятие гор зависит от каких-то внутренних причин и с факторами космическими, внеземными, никак не связано, а вот оледенение вызывается воздействием внеземных причин. На самом же деле и то, и другое, т. е. изменение структур и рельефа, с одной стороны, и изменения климата Земли, с другой, достигается одними и теми же причинами - воздействием на вращение Земли движений и сил, вызываемых телами, находящимися вне Земли, и прежде всего Луной и Солнцем. Мысли о внеземных силах, которые привлекает Берг, надо распространить не только на климаты, но и на земную геоморфотектонику, и тогда получится тот параллелизм горных поднятий и климатических изменений, на который я указываю с 1941 г.

Этот параллелизм и неотрывность геоморфотектонических и климатических изменений, которые мы только что указали, позволяют, когда видимы только изменения климатические, указывать по ним соответствующие им явления геоморфотектонические, и, наоборот, когда видны только геоморфотектонические стороны цикла, по ним восстанавливать проявления климатические. Из всех трех фаз геологического цикла наиболее заполнена цикловыми проявлениями того и другого рода фаза ледниковая, являющаяся вместе с тем и фазой горообразовательной. О фазах умеренной и ксеротермической можно сказать, что там эти цикловые проявления были минимальными и, надо думать, сходили на нет к концу цикла.

В исторической части жизни Земли было, как указано, шесть циклов, и поэтому горообразовательная фаза повторялась шесть раз. Ближе всего - альпийская горообразовательная фаза, которая является последней. Поднятия этой фазы происходили, как уже говорилось, на промежутке от второй половины миоцена, именно от эпохи верхнего сармата включительно, до современности. Они длятся уже 7 млн лет и, возможно, продолжатся еще столько же, если судить по аналогии с другими горообразовательными фазами. Именно поднятия этой фазы создали на Земле высокие горы последней вспышки горообразования.

При суждении об этих горных структурах надо иметь в виду следующее. Главные самые большие структуры Земли, ее мегаструктуры, - это материки и океаны. Что касается гор, то они - производное материков и океанов и являются макроструктурами. Находясь на материках, на краях их с океаном, горные пояса всегда являются производными взаимодействия океанов и материков. Как правильно указывал Карпинский, они тем сложнее и выше, чем больше несущий их материк. Этому отвечает и то, что в сейсмике движению материков отвечают сейсмы глубиной в 150, 300, 700 км, а горным поясам - движения в 30-70 км.

В моих работах о современной геологической эпохе (1940, 1941) было сказано, что горообразовательные омолаживающие рельеф материков движения миоценово-четвертичного времени являются движениями вертикальными - прямыми поднятиями и опусканиями. Эти движения, конечно, не самостоятельны, и поскольку, как мы видели, они связаны с величинами материков, то и зависят от тех глубоких тангенциальных движений земных оболочек, в которых участвуют несущие их материки в целом. Вместе взятые и вертикальные поднятия гор, действующие против действия силы тяжести, и попутно порождающие их вместе с вертикальными же опусканиями мощные тангенциальные перемещения толщ земной коры, конечно, являются производными отталкивательных сил, т. е. того толчка извне, идею о котором так давно выдвинул Ф. Энгельс; это - следствия прецессии и приливных воздействий.

Таким образом, именно толчок извне производит изменение гравитационного сжатия Земли во времени. Но это изменение сжатия, если его принять, возникает не автоматически, само по себе, а под действием сил извне, которые могут закономерно и зонально создавать под определенными широтами поднятия лежащих выше масс. Это и является симптомом происходящего изменения гравитационного сжатия нашей планеты на определенных площадях, вызванного отталкивательными силами, действующими при движении Земли и противостоящими силе тяжести.

Следовательно, не сжатие Земли в глубинах играет роль в создании тектоники Земли, а изменения полярного уплотнения во времени, а они, если следовать мысли Энгельса, лишь производные силы тяготения в ее «отталкивательной» части.

Есть полное основание утверждать, что в начале этой фазы существования гор они были созданы прямым поднятием. Иными словами, каковы бы ни были подготовительные процессы к горообразованию - это подготовляло глубокое тангенциальное перемещение земной оболочки - само поднятие горных поясов создано было больше всего вертикальными силами. Этот вывод сделан на базе того большого фактического материала геоморфологических наблюдений над горными структурами, который был мною собран в течение ряда лет, с 1942 по 1950 г., в горах Средней Азии, особенно в Ферганской и Таджикской впадинах (1945а, 1948а, б, в). В этих материалах дается критика теории поднятия тор по теории складкообразования.

Если учесть, что это вертикальное поднятие, будучи прерывистым, запечатлено рядом уровней высоких горных денудационных поверхностей в количестве от 6 до 10, то можно сделать вывод, что эти уровни молодых денудационных поверхностей являются этапами поднятия горных поясов.

Остановимся на возрасте молодых денудационных поднятий. Самые высокие из этих поверхностей создались раньше всего и относятся к верхнему миоцену. Остальные восемь уровней поверхностей размещаются между концом миоцена и бакинским ярусом Прикаспия и его аналогами других мест, относящимися уже к фазам четвертичного времени или частью к концу плиоцена.

Недавно Н. И. Кригер (1951), исследуя явление образования речных и морских террас, пришел к выводу, что террасообразование есть колебательный цикловой процесс изменения вертикального положения дна долин относительно водораздела. Вследствие этого разнообразие комплексов уровней таких колебаний ограничено в связи с условиями, связанными с видом террасового ряда. Террасы в большинстве случаев не локальны, а являются отражением колебаний для данной полосы. Это сближает, по Кригеру, геоморфологию и климатологию. Колебательное движение литосферы здесь совпадает с таким же колебанием климатического характера в атмосфере. Денудационные горные поверхности и такие же поверхности платформенные представляют собой древние дочетвертичные террасы, и с этой точки зрения их тоже можно рассматривать как циклическое явление, высотные характеристики его денудационных уровней можно дополнять климатическими. Этим путем получим циклы промежуточные по величине между геологическим циклом, с его ледниковой и другими фазами, и одними из самых больших многовековых периодов - пятитысячелетними.

Если циклы денудационных поверхностей исчисляются миллионами лет, то циклы террасовые - сотнями и десятками тысяч лет. Это - большие циклические части последней фазы геологического цикла, имеющие свою климатическую характеристику, в которую входит такое большое явление, как оледенение, и его этапы.

Приведенные данные о поднятиях гор альпийской фазы позволяют нам взглянуть и на этапы поднятия горных систем как на циклическое явление. Отдельные части поднятия представляют собой отдельные циклы. На указанном промежутке альпийского поднятия гор мы видим, таким образом, не меньше шести этапов поднятий, индикаторами которых являются денудационные поверхности, и пять промежутков между ними.

Мы не знаем, конечно, скоростей, с которыми происходили эти поднятия. Если представить себе, что каждое предыдущее поднятие отделено от следующего за ним одинаковыми или близкими по величине интервалами времени статического состояния рельефа и структур, то можно было бы сказать, что каждый этап, отделяющий цикл от одного этапа поднятия до следующего, равен примерно одному миллиону лет.

Когда мы изучаем поднятие гор, нам кажется, что начинаем ясно чувствовать климатический момент тогда, когда оно приводит к оледенению. Фактически это не так, и о климатическом моменте при поднятии гор говорит еще и денудация - работа и роль воды при поднятии. Изучая горообразование, мы, конечно, обязаны обращать внимание и на эти моменты, находящиеся с поднятием гор в неразрывной связи.

Поэтому если мы это осознаем, то в полной мере поймем, что циклическое явление поднятия гор идет наряду с тоже циклическим явлением изменения климата. Те промежутки времени, которые отвечают в поднятии гор одному периоду и вмещают в себе, как только что сказано, миллион, а может быть и два миллиона лет, являются не только этапом поднятия гор, но своеобразным климатическим циклом.

Как известно, для современной климатической фазы климатология знает ряд коротких климатических колебаний, климатических циклов, продолжительностью около 3, 6, 11, 16 и 30-35 лет. Среди этих коротких циклов, связанных с колебаниями деятельности Солнца, особенно выделяются так называемые брикнеровские «периоды» и «одиннадцатилетние» циклы, связанные с колебаниями солнечной активности.

Эд. Бриннер в 1890 г. обратил внимание на повторяющиеся 30-35-летние циклы, причем он проанализировал два явления почти за 200 лет, начиная с 1700 г., и частично привлек более ранний материал начиная с XIV в.

В отечественной литературе над проблемой брикнеровских «периодов» работал М. А. Боголепов, который обратился к русским летописям и в ряде работ с 1907 по 1929 г. использовал данные о климате за период с IX-X вв. по наше время. Во многом он не был согласен с Бриннером. Постановка вопроса Боголеповым учитывает гораздо более сложные обстоятельства, но в основном он подтвердил существование этих периодов. Позднее эти циклы показал А. В. Шнитников (1949, 1950, 1957), установив их реальность вплоть до последних лет, с продолжительностью в пределах 25-35 лет.

Весьма широко распространенными являются циклы 11-летние. Они стали широко известны с 1873 по 1881 г., когда были опубликованы в Германии обширные труды В. П. Кеппена, в которых отмечалось существование климатических 11-летних циклов. В 1873 г. он обработал данные по 250 станциям за годы с 1820 по 1870. Он выделил несколько 11-летних циклов, но не мог не указать, что эти периоды не выдерживаются все время, так что если брать длинные метеорологические ряды, то получается большая разноречивость результатов. Несмотря на это, идея Кеппена не была забыта и получила подкрепление, когда Вольф открыл 11-летний цикл солнечных пятен, что позволило связать эти циклы непосредственно с деятельностью Солнца.

Сейчас 11-летний цикл находит в СССР много сторонников. К нему склонялся М. А. Боголепов, его поддерживали и поддерживают В. Б. Шостакович (1931, 1934)..В. Ю. Визе, С. Хромов, М. С. Эйгенсон (1948), Б. М. Рубашов, Н. С. Токарев, А. В. Шнитников (1951). Гелиофизики Смитсонианского института Карнеджи в США также присоединились к этим идеям. В течение 40 лет развивал идею об этой цикличности Аббот. Имеются, однако, работы Бергенмейера, Баура, г-жи Паранджи, в которых этот цикл резко критикуется, отвергается. Если есть периоды, когда этот цикл виден отчетливо, то имеются другие годы, когда он совершенно не проявлялся, что, видимо, является следствием весьма малой активности Солнца в такие годы.

Несмотря на эти последние высказывания, реальность проявления 11-летнего солнечного цикла к настоящему времени не подлежит сомнению. Несколько по-иному обстоит дело с другими климатическими циклами - 16-летними, 6-летними, 3-летними и пр. Они не всегда четко проявляются на больших промежутках времени, а иногда вовсе теряются, причем причина этого до сих пор не выяснена.

Самыми малыми колебательными явлениями представляются год и сезонные климатические колебания (весна, лето, осень и зима), имеющие чисто периодический характер. Они сомнениям не подлежат и полностью выдерживаются, хотя и причудливость вариаций у характеристик года и фаз года очень велика.

Кроме коротких циклов и периодов типа, очерченных выше, современная наука знает значительное количество циклов более длинных, вековых и многовековых (80-летние, 111-летние, 500-600-летние, 2000-летние и т. д.). Необходимо сразу подчеркнуть, что некоторые из них имеют явно «солнечное» происхождение, т. е. являются следствием колебаний солнечной активности. Примером таких циклов является вековой цикл солнечной активности, показанный Шнитниковым и приводимый в книге Эйгенсона (1957), а также и других авторов.

Происхождение иных циклов еще недостаточно или не всегда ясно. Однако реальность подтверждается их существованием в различных геофизических явлениях. Так, в 1868 г. Фриц, а в 1883 г. Рейс показали 110-112-летние циклы, в 1928 г. их же установил Брукс. Он выдвинул циклы 75-80-летние. Известны циклы в 500 лет, обнаруженные Бруксом, Турковским и др. Наконец, Предтеченским выдвинуты периоды в 1600 лет, Шнитниковым - в 1800-2000 лет. Имеется и еще целый ряд других циклов и периодов. Соотношение вековых и многовековых циклов таково, что вековые циклы или периоды складываются из соответственных малых циклов как своих частей.

На схемах, взятых из Э. Ле Дануа (Danois, 1950), можно видеть, как 111-летний цикл складывается из 11-летних циклов или как цикл тысячелетний складывается из 111-летних. На этом рисунке изображено, как потепление конца первого тысячелетия нашей эры переходит постепенно в похолодание климата, достигающее максимума к половине XV в. (к 1436 г.), после которого начинается потепление, продолжающееся до наших дней. То же самое кратко резюмировано, с исключением мелких колебаний, где показаны изменения сплошности льда у полюсов. На нем обрисованы две теплые эпохи. Центры каждой отстоят одна от другой на 1300-1300 лет. Это указывает на существование цикла, близкого к циклу в 1800 лет, который выдвигал и убедительно с большим талантом обосновывал А. В. Шнитников.

Схема, которую он давал в 1949 г., очень интересна, но еще убедительнее, показательнее та схема, к которой он пришел в 1957 г. в своем большом труде. В этой схеме он объединяет такие климатические явления и процессы, как водоносность рек, состояние озер, изменения внутренних трансгрессий морей и суммирует все это, как изменения общих условий увлажненности. Он показывает несколько циклов в 1800-2000 лет. От 3500 до начала современной эпохи таких циклов два с половиной. Он показал хронологическую связь этих явлений с приливными явлениями.

Даже самые большие из ныне известных многовековых циклов, циклы двухтысячелетние, мизерно малы по сравнению с циклами геологическими. По отношению ко всей ледниковой части геологического цикла они составляют их пятнадцатимиллнонную долю.

В отношении геологических циклов мы в предыдущем изложении видели связь их с вращением, доводом в пользу чего является их примерное равенство, очевидно, соответствующее периодичности и правильности вращения, а затем кратность геологических циклов с космическими годами, что связывает их с вращением Галактики.

Что касается обычных климатических Циклов современной эпохи, а равно многовековых климатических циклов, то в связи с большим отличием их величин от размеров геологических циклов распространить вывод об их связи с вращением планеты нельзя. Однако эта связь с вращением планеты у обычных климатических циклов современности несомненна и ее легко показать.

Так, И. В. Максимов (1953) отметил, что «одиннадцатилетние колебания солнечной активности испытывают восьмидесятилетние циклические колебания, в ходе которых значения периода и амплитуды одиннадцатилетнего цикла солнечной активности испытывают значительные изменения. При этом увеличение средней величины солнечной активности связано с уменьшением периода и увеличением амплитуд одиннадцатилетних ее колебаний, а уменьшение - с увеличением периода и уменьшением размеров одиннадцатилетнего цикла солнечной активности».

Существует, видимо, и другой закон вековых изменений периода и амплитуды 11-летних колебаний солнечной активности. На основании периодографического анализа изменений средней толщины годовых колец секвой в Калифорнии, как указал тот же Максимов, (1954), выяснено, что размеры 80-летних колебаний климата северного полушария Земли испытывали в течение трех тысячелетий значительные изменения.

Максимов указывает на изменение 11-летнего цикла в пределах от 6 до 16 лет, причем амплитуда колебаний солнечной активности менялась за то же время от 51 до 153% своей величины. Характеристики колебаний этих малых циклов являются еще более значительными в ходе развития 600-летних циклов. Эти изменения малых циклов в ходе развития больших отнюдь не должны настраивать нас на скептический лад и заставлять отвергать на этом основании существование 11-летних и других мелких циклов.

М. А. Боголепов интуитивно предчувствовал существование материального носителя климатических колебаний, когда говорил, что они связаны с возмущением всего тела Земли. Мы можем сейчас на основе имеющихся новых фактов выразись это более конкретно и связать их с вращением Земли и ее изменениями.

Как указал Стовас (1951), сопоставление кривой среднего значения амплитуды 11-летних колебаний средних годовых чисел Вольфа с кривой вращения за большой, почти 300-летний, период приводит к совершенно неожиданному результату, т. е. к совпадению их 80-летних максимумов и к общему единому характеру поведения кривых, что не случайно и указывает на единую причинную связь между ними. Он отметил, что в 1949 г. к совершенно аналогичным выводам пришел Ю. Д. Калинин. Последний, сравнивая эпохи скачков в геомагнитных вариациях по наблюдениям за 60 лет в обсерваториях Павловска и Бомбея с эпохами скачков в угловой скорости вращения Земли, писал, «что те и другие скачки представляются имеющими общую причину».

Прилагаемая кривая это хорошо иллюстрирует. Она составлена Стовасом для средних значений амплитуд 11-летних колебаний среди годовых чисел Вольфа с кривой угловой скорости вращения Земли. Из кривой, дополненной геомагнитными данными Калинина, получается определенная зависимость и геомагнитных вариаций, и климатических циклов мелкого калибра от колебаний угловой скорости вращения Земли.

То же самое можно видеть, если сопоставить графики изменений приливов на протяжении последнего столетия с графиком изменения скорости вращения планеты за то же время.

Э. Ле Дапуа указал, что большое значение в истории приливов имеют 111-летние лунные периоды.

Поэтому на графике мы берем для сопоставления не точно столетие, а именно такой 111-летний период. В нижней части графика сравниваются вершины векового прилива за 111 лет, с 1828 по 1939 г., и график изменений скорости вращения Земли на то же время. График изменений скорости вращения показан в двух видах. График дает впечатление прямой пропорциональности векового прилива и скорости вращения.

Но это впечатление, если посмотреть на правой стороне чертежа обозначение размеров скоростей в пространственных секундах, является ложным: они убывают и являются отрицательными к вершинам поднятых пиков и положительными в опущенных местах кривой. Наоборот, на графике в эти скорости показаны так, что их максимальные значения находятся вверху.

Если график нужен для того, чтобы показать взаимную связь приливов и скоростей вращения, то из графика в видно, что приливы, как это полагал Энгельс, вычитаются из скорости, так что чем выше прилив того или иного года, тем ниже скорость вращения Земли. Эти две величины таким образом антагонистичны. Видно, что вековой прилив растет за счет уменьшения скорости вращения, и поэтому там, где он достигает большой величины, скорость ничтожна (1885 г.), а там, где он мал (1830, 1939 гг.), - скорости велики. Максимум одной из этих величин отвечает минимуму другой.

Мы проанализируем два графика. На первом была показана зависимость геомагнитных и климатических колебаний от угловой скорости вращении Земли, на втором - связь приливов с той же угловой скоростью. Оба графика вместе связывают климатические колебания с приливами и скоростью вращения.

От изменений высот векового прилива зависят и биологические явления в океане. С высокими приливами 1885 г. совпадали сказочные уловы сельди, и, наоборот, в 1830 и 1939 гг., когда приливы были низкими, улов сельди был невелик. Улов сельди сам по себе не есть биологическое явление, но он связан с последним, так как определяется условиями размножения. А это явление, которое прямо связано с уловом, представляет явление биологическое. Очевидно, биологические явления тоже зависят от приливов, т. е. связаны со скоростью вращения Земли. Видимо, в теплые годы высоких приливов размножение сельди повышается, в результате чего достигаются прекрасные уловы. Наоборот, в годы холодные ухудшаются условия размножения сельди и снижается улов. Даже не анализируя этот вопрос глубже, можно констатировать, что те же приливы, которые обусловливают, как мы только что видели, геотектонику, являются вместе с тем причиной и климатических колебаний.

Мы пришли, таким образом, к большому и важному выводу об единстве факторов, определяющих динамику тропосферы, динамику твердой земной оболочки - литосферы, гидросферы и наконец существование жизни.

Как ни толковать два предыдущих графика в деталях, основное их содержание определенно говорит за то, что климатические циклы (11-, 80- и 111-летние) обнаруживают через приливные поднятия океана определенную связь с вращением Земли. Можем ли мы этот вывод перенести на циклы большой длительности (600-, 1000- и 2000-летние)? Доказать их исторический ход, шаг за шагом, как это сделано для более коротких колебаний, мы не можем. Однако эту характеристику, видимо, надо распространить и на многовековые циклы, в особенности на 2000-летние, как доказано Шнитниковым.

Выше мы отмечали, что короткие циклы, являясь составной частью многовековых и находясь под их влиянием, также испытывают изменения. Восьмидесятилетние колебания средней величины солнечной активности в среднем через 570 лет испытывают усиления, и то же самое относится к вековым изменениям одиннадцатилетнего цикла.

Если это учесть и считаться с тем, что в кратных числах выражается связь коротких циклов многовековых, то можно сказать, что многочисленные циклы земных климатов современной эпохи - это не разрозненные явления, а части согласованного целого - единой системы циклов. Каждый из 500-, 1000-, 1800-2000-летних циклов складывается из 11-, 80- и 111-летних циклов и, следовательно, на всем протяжении каждого из них должна проявляться зависимость климатических колебаний и приливов от скоростей вращения. Это же необходимо распространить на всю современную эпоху (послеледниковое время), которая охватывает период в десяток тысяч лет или около того. Следовательно, сюда войдет пять-шесть 2000-летних циклов, которые, возможно, сведутся к двум приблизительно 5000-летним циклам, мысль о которых была выдвинута недавно.

Вся система циклов таким образом тесно связана и имеет единую основу с вращением Земли. Если вращение, как мы видели, лежит в основе геологических циклов, то оно же, если от крупного перейти к мелкому, лежит в основе сезонных подразделений года, т. е. влияние вращения распространяется и на все промежуточные циклические явления. Иначе говоря, это значит, что вся система циклических явлений, от космического года и геологического цикла до цикла годового, имеет единое основание. Система циклических явлений едина по своей сущности.

Но так как 111-летние периоды образуют своего рода ряд ступеней, спускающихся к наиболее холодному времени (XVI в.), ясно, что и скорости вращения должны от максимума к максимуму сильно меняться, ибо самые большие приливы, судя по исследованиям Отто Петтерсона, наблюдались в XIV-XV вв., затем они в обе стороны убывали, но не прямо, а через 111-летние циклы. Для скоростей вращения здесь должна получиться такая желестница ступеней» только в обратном направлении: если приливы XIV-XV вв. были огромными, то скорость вращения должна была быть очень малой.

Во сколько раз должна увеличиться величина этой лестницы, если в общую картину изменения скорости вращения уместить ледниковую форму цикла и вслед за этим дать картину изменений скорости вращения для всего геологического цикла? От этого мы очень еще далеки, но необходимо идти именно в эту сторону на основе того общего положения, что всегда существовавшие на Земле океаны постоянно, но по-разному, своими приливами уменьшали и скорость вращения нашей планеты и вместе с тем оказывали на ее тело давление, создавая поднятия и опускания.

В заключение, возвращаясь к малым циклическим колебаниям, следует сказать следующее. Если выше мы говорили, что за поднятием гор надо видеть происходящие одновременное этим климатические изменения, то сейчас можно отметить, что за климатическими циклами малых размеров нужно разглядеть и сопровождающую их геотектонику. Те и другие изменения всегда идут параллельно.

Общие выводы, к которым мы пришли, являются следующие.

1. В истории развития нашей планеты в геологическом времени неизбежно наблюдаются элементы некоторой повторяемости, которые находят свое выражение и в больших геологических циклах большой длительности, и во вмещающихся в эти циклы, как их части, многовековых, вековых и малых климатических периодах, и циклах как современной эпохи, так и эпох более ранних.

2. Вся совокупность циклических изменений условий существования планеты разной длительности (больших и малых), определяющая детали спирали ее развития, составляет единую взаимно связанную стройную систему явлений, укладывающихся друг в друге и имеющих общее подчинение.

3. Для больших геологических циклов и малых климатических периодов и циклов характерны их взаимная неотрывность и параллелизм в ходе развития структурных изменений литосферы и климатических изменений атмосферы и гидросферы.

4. Каждое структурное изменение подразумевает происходящее параллельно ему в ходе времени изменение климатическое, и наоборот.

5. Циклические климатические колебания современной геологической эпохи и эпох прежних, с одной стороны, а равно системы, представляющие собой тектонические движения (in statu nascendi) и новейшие тектонические движения, именуемые неотектоникой, с другой, создаются од

ними и теми же причинами, что определяет неразрывную связь между этими двумя группами явлений.

6. При взаимной зависимости и параллелизме структурных и климатических изменений невозможно применить к объяснению структурных явлений действия внутренних сил Земли, ибо это оторвало бы структурные явления от климатических, поскольку к последним внутренние явления планеты явно не имеют отношения. Таким образом, принятие только внутренних причин для объяснения изменений планет лишило бы возможности разъяснить одни и те же причины для тех и других изменений.

7. Поскольку в ходе изменений климатов и структур Земли увеличение ледников на материковых площадях и на горных поднятиях развиваются параллельно с изменением структур, то нельзя для объяснения этих двух групп явлений применять разные причины. Эти причины являются едиными. Нельзя поэтому к изменениям структур применять внутренние силы, а оледенения объяснять силами внеземными. Причины и того, и другого одни и те же. Эти причины определяются теми гравитационными силами, которые создаются при движении Земли, в частности при ее вращении. Это относится как к изменениям циклических проявлений современной эпохи и эпох прежних в структурах и климате, так и к тем изменениям, которые создаются в ходе данного геологического цикла.

8. Только на основе движения Земли, в целом, можно понять кратное соотношение тектонических периодов развития планеты с космическим годом, а равно только на этой основе понятными становятся прецессионные и приливообразующие воздействия Солнца и Луны на тело нашей планеты, создающие деформацию коры планеты, т. е. ее тектонику.

9. Для объяснения цикличности горообразования и движения материков в истории нашей планеты приходится учитывать не только вращение Земли, но и ее поступательное движение.

10. Неясно, нужно ли при толковании геологических циклов вводить непосредственное действие Галактики на планету или это действие передается через Солнце и Луну; во всяком случае связь больших циклов с галактическими влияниями едва ли можно оспаривать.

11. Поднятие гор проще понять быть может как прилив твердых масс, аналогичных приливу водному. Напряжения, его создающие, накопляются постепенно в течение больших промежутков времени.

12. На основании установленной прочной связи климатических и структурных изменений никак нельзя тектонические явления считать явлениями только литосферы. Они являются результатом взаимодействия литосферы коровой и подкоровой с другими оболочками Земли - гидросферой и атмосферой.

13. Изменения в ходе развития фаз геологических циклов суммируются тем, что два конца геологического цикла - начало и окончание имеют следующие совпадения тектонических и климатических явлений:

14. Вымирание больших групп животного мира и связанные с этим смены семейств и родов приурочены к концам геологических циклов; вымирание растений происходит немного раньше. Есть основание предполагать, что природные судьбы животного и растительного миров планеты определяются фазами геологических циклов. Они были бы иными, если бы планета была неподвижной.

15. Вращение Земли в современную эпоху и изменения ее скорости во многом определяют судьбы животного и растительного миров.

16. На основании данных об изменениях отношений гидросферы и литосферы в ходе геологического времени пора признать, что следует отказаться от термальных толкований тектонических изменений планеты, а перейти к динамическому ее толкованию на основе взаимодействия оболочек Земли.

17. Это значит, что тектонические явления рождаются в пульсациях вращательного режима Земли, а вовсе не в ее термине, которая играет только второстепенную роль.

В итоге всего вышеизложенного, можно сказать, что при анализе изменений геологических явлений во времени нами в полной мере выяснены три важных момента: а) надо признать неотрывность климатических и структурных изменений в ходе геологического времени, б) надо признать невозможность, в силу этого, объяснить изменения в теле планеты одними внутренними причинами и, наконец, в) признать надо участие природных вод во всех циклических изменениях Земли, от коротких климатических периодов через многовековые до геологического цикла и его фаз.

Последний факт особенно важен, поскольку он говорит о связи жизни литосферы с природными водами, мысль о котором поставлена в заглавии этого труда. Мы подходили к мысли, о влиянии приливов на геотектонику; а это значит, что приливы не только уменьшили скорость вращения планеты, но создавали давление, действующее на тело Земли и создающее в нем нарушения, приводящие к поднятиям и опусканиям. Иначе говоря, изменения структуры литосферы создаются с участием в основном приливных волн океанических вод. Об этом следует постоянно помнить.

Климатические же изменения Земли, с которыми мы познакомились выше, дали нам представление о том, что в этих изменениях имеется целая иерархия изменений начиная от суточного цикла до огромного геологического цикла и его фаз. Краткосрочные изменения носят название современных климатических периодов, или циклов. Поднимаясь по этой иерархии вверх от малого к более крупному, мы приблизимся к фазам геологического цикла и, наконец, к суммирующему все эти фазы самому циклу - геологическому году, охватывающему огромное геологическое время.

Как мы убедились выше, если характеризовать фазы цикла, то никак нельзя ограничиваться только явлениями в литосфере, ибо цикл, как и меньшие периоды, охватывает и литосферу, и все другие оболочки Земли. Могло бы казаться, что цикл и фазы относятся к литосфере, а более мелкие периоды ее не касаются, а отражаются только в изменениях атмосферы и гидросферы. Но это не так. Как малые циклы, именуемые климатическими периодами, так и большие геологические промежутки колебаний затрагивают все земные оболочки.

Именно поэтому была неудачна попытка Э. Ога объяснить цикл только причинами, относящимися к литосфере.

Об этом я писал 30 лет назад. Не повторяя целиком развитой тогда аргументации, изложу ее в основных чертах.

У Ога получилось деление на три фазы: орогенезис, литогенезис и глиптогенезис. Но эти фазы накладываются во времени друг на друга, а не четко разделяются: поднятие гор требует одновременного отложения осадков, т. е. литогенезиса, а когда на одних местах Земли происходит отложение осадков - литогенезис, тогда на других происходит глиптогенезис. Именно поэтому я предложил иное деление фаз цикла: ледниковая, умеренная и ксеротермическая. Нетрудно отдать себе отчет в том, что здесь основой характеристики фаз являются природные воды и их количество на поверхности Земли в разные фазы.

Далее, неопровержимым является сейчас положение о связи и единстве всех видов вод нашей планеты, и земные воды мы должны представлять себе как единое целое. Поэтому указанные изменения количества вод на поверхности могут происходить только за счет перераспределения вод этого целого. В последнее время в основу гидрогеологии поставлена проблема формирования подземных вод.

Проследить формирование подземных вод удобнее всего на основе единства всех природных вод. Это обстоятельство удостоверяет неразрывность связи подземных вод с материковыми и океаническими. С другой стороны, материковые воды, наземные и подземные, неотрывны от вод океанических, и убыль вод в океане приводит к увеличению их на материках, и наоборот. Без знания этих основных положений нельзя понять судеб природных вод на Земле и вместе тем геологических циклов. Природные воды оказываются здесь, таким образом, основным индикатором различий геологических фаз, определяя разную их увлажненность, что дает и климатические, и биологические характеристики.

Понятие увлажненности, введенное в науку Шнитниковым, имеет чрезвычайно важное значение. Шнитников ярко и убедительно обрисовал в своей книге (1957) увлажненность для малых колебательных периодов, от годового цикла до циклов многовековых. Охарактеризовать и индивидуализировать их можно тоже только учитывая увлажненность, т. е. состояние природных вод Земли. Я ссылаюсь здесь на факты, изложенные в его прекрасной книге. Повторять и перелагать здесь связанные с этим факты было бы неуместно. Но общий вывод еще раз повторить можно; это третье положение, которым мы закончим изложение главы: во всех изменениях в «жизни» Земли, от коротких периодов через многовековые до смен фаз геологического цикла и смен циклов во времени, обязательно участие природных вод, которыми определяется количество фаз.

Если разъяснению третьего из трех положений, выдвинутых в этой главе, мы посвятили ее конец, то к положению второму и первому мы вернемся в дальнейшем. Второе положение говорит о невозможности объяснить изменения планеты одними внутренними причинами. Разъяснение его позволит нам вернуться к положению первому - о неразрывности изменений климатических и структурных - и сделать из него надлежащие выводы о причинах изменения структур Земли.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

«Литосфера Земли» - Схема образования земли. Действующие вулканы. 5. Образование Мирового океана. 4. Атмосфера из вулканических газов. Внутреннее строение земли. Лава. Потухшие вулканы, Литосфера – антропогенное воздействие. Вулканы. АНДЫ – самые длинные горы на Земле. Образование горных хребтов. Коралловые рифы. Слои земной коры.

«Движение земной коры» - Урок № 22. Разнообразие в залегании горных пород. 5-6 баллов-легкие повреждения зданий. 1-2 балла-слабые толчки, не ощущаются человеком. Грабен. Движение вещества. Горст. 3-4 балла-толчки ощущаются, но разрушений не происходит. 11-12 баллов-разрушается все на земной поверхности. С и л а з е м л е т р я с е н и й.

«Экзогенные процессы» - Распространяются на небольшую глубину – до 20-30 метров. 19. Седиментация – осаждение, накопление перемещённого вещества. Результатом является образование всё большего и большего числа трещин. Транспортировка – перенос продуктов разрушения на другое место. Федеральное государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования.

«Материки» - Африка. География Познание материков. Слайды Шульц Татьяны Сергеевны. Природные зоны Северная Америка. Евразия. Природные зоны Евразия. Африка- второй материк по величине После Евразии. Км. Южная Америка. Тема: Северная Америка. Южная Америка Природные зоны.

«Геологическая история Земли» - А) четвертичный Б) неогеновый В) палеогеновый Запишите в таблицу получившуюся последовательность букв. Расположите перечисленные периоды геологической истории Земли в хронологическом порядке, начиная с самого раннего. 2. Расположите перечисленные периоды геологической истории Земли в хронологическом порядке, начиная с самого раннего.

«Складки» - Форма складок зависит также от соотношения крыльев и замка. Размеры складок характеризуются длиной, шириной, высотой. Классификация складок по положению осевой плоскости. Построение структурной карты методом схождения и профилей структур. Структурная геология и геологическое картирование. Строение надвига или шарьяжа.

Всего в теме 6 презентаций

О геологии наверняка знает каждый, несмотря на то, что она является, пожалуй, единственной естественнонаучной дисциплиной, не изучаемой в школьном курсе. Развитие «геологических» знаний сопутствовало развитию человечества на всех этапах его истории. Достаточно вспомнить, что общая периодизация истории основана на характере используемых для производства орудий труда материалов: каменный, бронзовый и железный век. Добыча и совершенствование технологии обработки полезных ископаемых неизбежно связаны с увеличением знаний о свойствах минералов и горных пород, выработкой критериев поиска месторождений и совершенствованием способов их разработки. Технологический прогресс, в том числе и на современном этапе развития цивилизации, немыслим без использования природных ресурсов.

Вместе с тем, в понимании, близком к современному, термин «геология» впервые был применен лишь в 1657 году норвежским естествоиспытателем М. П. Эшольтом, а как самостоятельная ветвь естествознания геология начала складываться только во второй половине 18 века. В это время были разработаны элементарные приёмы наблюдения и описания геологических объектов и процессов, первые методы их изучения, проведена систематизация разрозненных знаний, возникли первые гипотезы. Этот период связан с именами выдающихся учёных А. Броньяра, А. Вернера, Ж. Кювье, Ч. Лайеля, М. Ломоносова, У. Смита и многих других. Геология становится наукой.

Наука - выработанная в результате деятельности человека, взаимосвязанная развивающаяся система знаний о законах мира.

Компоненты научного познания:

1. Постановка проблемы, т.е. задачи, которая не может быть решена на основании имеющихся знаний.

2. Выработка гипотезы - системы предположений, основанных на ряде фактов. Гипотеза вырабатывается на основании формулировки точек зрения о проблеме. В ходе доказательства одни гипотезы отвергаются, другие подтверждаются фактами и обогащают теорию.

3. Теория - система обобщенного знания о той или иной области (например, теория Ч. Дарвина).

Геология - развивающаяся система знаний о вещественном составе, строении, происхождения и эволюции геологических тел и размещении полезных ископаемых. Таким образом, объектами изучения геологии являются: состав и строение природных тел и Земли в целом; процессы на поверхности и в глубинах Земли; история развития планеты; размещение полезных ископаемых. Намечается определенная иерархия геологических тел (где тела каждого последующего ранга организации вещества образованы закономерным сочетанием тел предыдущего ранга): минерал - горная порода - геологическая формация - геосфера - планета в целом. «Минимальным» объектом, изучаемым в геологии, выступает минерал (составляющие минералы элементарные частицы и химические элементы рассматриваются в соответствующих разделах физики и химии).

Минералы - однородные по составу и строению кристаллические вещества, образовавшиеся в результате природных физико-химических процессов. Изучению минералов посвящена одна из ветвей геологии - минералогия.

Минералогия - это наука о составе, свойствах, строении и условиях образования минералов. Это одна из старейших геологических наук, по мере развития которой от неё отделялись самостоятельные ветви геологических наук.

Горные породы - естественные минеральные агрегаты, образующиеся в глубинах Земли или на её поверхности в ходе различных геологических процессов. По происхождению (генетически) выделяются три типа горных пород: магматические, образующиеся в результате кристаллизации огненно-жидких природных преимущественно силикатных расплавов - магмы и лавы; осадочные, формирующиеся на поверхности Земли в результате физического и химического разрушения существующих пород, осаждения минералов из водных растворов или в результате жизнедеятельности живых организмов; метаморфические, возникающие при преобразовании магматических, осадочных или ранее образовавшихся метаморфических пород в глубинах Земли под воздействием высоких температур и давлений. Горные породы рассматриваются петрографией.

Петрография - наука, занимающаяся изучением состава, строения, происхождения и закономерностей распространения горных пород. Обычно из петрографии выделяется, как самостоятельная наука, литология, изучающая осадочные горные породы.

Геологические формации - закономерное сочетание определенных генетических типов горных пород, связанных общностью условий образования. Геологические формации рассматриваются во многих разделах геологии (петрографии, литологии, геотектонике и др., даже выделяется особое направление - учение о формациях). Учитывая, что выявление формаций, как объектов высокого ранга, возможно лишь при изучении крупных участков земной коры, важная роль в их исследовании отводится региональной геологии.

Региональная геология - раздел геологии, занимающийся изучением геологического строения и развития определенных участков земной коры.

Геосферы - концентрические слои (оболочки), образованные веществом Земли. В направлении от периферии к центру Земли расположены атмосфера, гидросфера (образующие внешние геосферы), земная кора, мантия и ядро Земли (внутренние геосферы). Область обитания организмов, включающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть земной коры, называется биосферой.

Важнейшая роль в изучении геосфер, их состава, протекающих в них процессов и их взаимосвязи, отводится геофизики и геохимии.

Геофизика - комплекс наук, изучающих физические свойства Земли в целом и физические процессы, происходящие в её твёрдых сферах, а также в жидкой (гидросфера) и газовой (атмосфера) оболочках.

Геохимия - наука, изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на её поверхности. Наука, исследующая глубинные процессы, изменяющие состав и строение твердых оболочек Земли, называется геодинамика.

Минералы и горные породы залегают в виде определённых геологических тел. Важными направлением геологии является науки, изучающие формы залегания пород, механизм и причины образования этих форм. Наука, изучающая формы залегания горных пород в земной коре и механизм образования этих форм называется структурная геология (обычно рассматривается как раздел тектоники).

Тектоника - наука о строении, движениях и деформациях литосферы и её развитии в связи с развитием Земли в целом. Геологами приходится иметь дело с толщами горных пород, накопившимися на миллиарды лет. Поэтому ещё одним важнейшее направление включает науки, восстанавливающие по следам, сохранившимся в толщах горных пород, события геологической истории и их последовательность.

Геохронология - учение о последовательности формирования и возрасте горных пород.

Стратиграфия - раздел геологии, занимающийся изучением последовательности образования и расчленением толщ осадочных, вулканогенно-осадочных и метаморфических пород, слагающих земную кору. Обобщающей дисциплиной этого направления является историческая геология - наука, изучающая геологическое развитие планеты, отдельных геосфер и эволюцию органического мира. Все названные геологические науки тесно связаны с палеонтологией, возникшей и развивающейся на стыке геологии и биологии.

Палеонтология – наука, изучающая по ископаемым остаткам организмов и следам их жизнедеятельности историю развития растительного и животного мира прошлых геологических эпох.

Прикладное направление геологических наук также включает в себя ряд важных разделов: геологию полезных ископаемых; гидрогеологию - науку о подземных водах; инженерную геологию, изучающую геологические условия строительства различных сооружений и др.

Многогранность объектов изучаемых геологией превращает её комплекс взаимосвязанных научных дисциплин . При этом, в большинстве случаев, каждая отдельная дисциплина включает в себя три аспекта: описательный (изучающий свойства объекта, классифицирующий их и пр.), динамический (рассматривающий процессы их образования и изменения) и исторический (рассматривающий эволюцию объектов во времени).

По области использования результатов научные исследования делятся на фундаментальные и прикладные. Цель фундаментальных исследований - открытие новых основополагающих законов природы или способов и средств познания. Цель прикладных - создание новых технологий, технических средств, предметов потребления. Применительно к геологии необходимо отметить следующие практические задачи: открытие новых месторождений полезных ископаемых и новых способов их разработки; изучение ресурсов подземных вод (также являющихся полезным ископаемым); инженерно-геологические задачи, связанные с изучением геологические условия строительства различных сооружений; охрана и рациональное использование недр.

Геология имеет тесную связь со многими науками. На приведенном рисунке указаны разделы наук, возникшие в результате взаимодействия геологии со смежными дисциплинами:

Рис.1. Связь геологии с другими науками

Важнейшим методом геологических исследований является геологическая съёмка - комплекс полевых геологических исследований, производимых с целью составления геологических карт и выявления перспектив территорий в отношении наличия полезных ископаемых. Геологическая съёмка заключается в изучении естественных и искусственных обнажений (выходов на поверхность) горных пород (определение их состава, происхождения, возраста, форм залегания); затем на топографическую карту наносятся границы распространения этих пород с указанием характера их залегания. Анализ полученной геологической карты даёт возможность создания модели строения территории и данных о размещении на ней различных полезных ископаемых.

Геология - настоящая наука историческая, и самой важной ее задачей является определение последовательности геологических событий. Не имеет смысла говорить, что чтобы выполнить все эти задачи, с давних времен разработан ряд наипростейших и интуитивно очевидных признаков временных соотношений пород. Все знают, что интрузивные взаимоотношения всегда представлены контактами интрузивных пород и вмещающих их толщ. Так же известно, что обнаружение признаков таких интрузивных взаимоотношений (зоны закалки, даек и т. п.) однозначно указывает на то, что же интрузия образовалась позднее чем вмещающие породы.

Известно, что ксенолиты и обломки попадают в породы, где в результате разрушения их собственного источника, соответственно они все образовались ранее вмещающих их пород, и поэтому могут быть использованы для определения их относительного возраста. И всё же принцип актуализма показал, что геологические неисчерпаемые силы, которые действуют в наше время, родственно работали и в те времена. Невероятно, но Джеймс Хаттон смог сформулировать принцип актуализма фразой «Настоящее - ключ к будущему».

Безапелляционное утверждение не совсем точное. Вероятно, понятие "богатырская сила" - понятие не геологическое, а физическое, к геологии имеющее опосредованное отношение. Грамотнее говорить о геологических процессах. Выявление сил, сопровождающих эти процессы, могло бы стать главной задачей геологии, чего, к сожалению, нет. Стало известно, что в наше время принцип актуализма является тормозом в развитии представлений о процессах геологии. Конечно же, принцип первичной горизонтальности смог подтвердить, что морские осадки при образовании залегают только горизонтально.

Нет сомнения в том, что принцип суперпозиции заключается именно в том, что все породы, которые находятся в не нарушенном складчатостью и разломами залегании, следуют по очерёдности, в порядке их образования. Молодые породы находятся выше, а древние ниже по разрезу. Кстати сказать, принцип финальной сукцессии постулирует, что в одно и то же время в океане были распространены одни и те же организмы. Стоит также акцентировать внимание на вот чем: палеонтолог, определив набор ископаемых остатков в породе, может разыскать одновременно образовавшиеся породы.

ВВЕДЕНИЕ

Геология и цикл геологических наук

Стремление к познанию окружающего мира столь же свойствен­но человеку, как и его стремление использовать ресурсы природы для удовлетворения своих жизненных потребностей. С отдаленных времен люди использовали камни для изготовления орудий труда, охотничьего и боевого оружия, осваивали горные пещеры для ук­рытия от непогоды, возводили из каменных глыб оборонительные и культовые сооружения. Опыт, накопленный в дальнейшем при по­иске руд, выплавке из них металлов, разработках камня для строи­тельства, проведении земляных работ, а также наблюдения за извер­жениями вулканов, землетрясениями и следами вековых колебаний поверхности Земли способствовали становлению науки о Земли - геологии. Начиная с XVIII в. геология активно развивается в тесной связи с развитием других естественных наук.

Главным объектом изучения геологии служила и служит земная кора - наружная каменная оболочка планеты, хотя во второй поло­вине XX в. все большее внимание геологов привлекает состав и со­стояние подкорового вещества планеты в связи с тем, что происхо­дящие в нем процессы оказывают мощное влияние на земную кору.

Развитие геологии происходило в разных направлениях. Изучал­ся состав минералов и горных пород, геологическое строение отдельных регионов, геологические процессы, происходящие на по­верхности Земли и в ее недрах. В результате этого внутри геологии образовалась разветвленная система геологических наук. Процесс дифференциации геологических наук продолжается по мере углуб­ления наших знаний и обнаружения новых фактов. Примером может служить история развития геологических наук, изучающих вещест­венный состав земной коры.

Эти науки складывались постепенно, причем научная мысль раз­вивалась в тесном взаимодействии с практикой. Еще в глубокой древности для получения металлов было необходимо уметь распо­знавать различные камни, изучать и систематизировать их свойст­ва. Так зародилась минералогия, наука о природных химических со­единениях - минералах. Минералогия изучает их происхождение, свойства и изменения под влиянием различных факторов. Само сло­во «минерал» имеет латинский корень «minera», т.е. руда. Первые крупные минералоги были одновременно и горными инженерами, и металлургами, и химиками.

Изучение минералов, многие из которых встречаются в виде хорошо образованных кристаллов, породило кристаллографию (от греч. к rystallos - лед) - науку, предметом изучения которой вначале была геометрия внешних форм, а затем и внутреннее строе­ние кристаллов. Открытие рентгеновских лучей было использовано для выяснения закономерностей расположения атомов в кристал­лическом веществе. Полученные данные способствовали формиро­ванию нового научного направления - кристаллохимии.

В результате различных геологических процессов минералы об­разуют закономерные скопления - горные породы. Наука, изучаю­щая слагающие земную кору горные породы, их состав, структуру, условия образования и залегания, называется петрографией (от греч. petra - скала, камень, grafo - пишу, описываю), причем выделяются петрография горных пород глубинного (магматического и метаморфического) происхождения и литология (от греч. litos - камень) - петрография осадочных пород.

Изучение вещественного состава земной коры происходило па­раллельно с развитием физики и химии, на основании достижений которых создавались новые приборы и разрабатывались специаль­ные методы исследования. Так, на основе законов волновой теории света и технологии изготовления тонких (толщиной 0,03 мм) про­зрачных шлифов из массивных горных пород был изобретен поля­ризационный микроскоп и разработан кристаллооптический метод исследования, который открыл новый мир структуры горных по­род и способствовал общему прогрессу петрографии.

Простое описание свойств минералов и установление их химическо­го состава к концу XIX в. уже не отвечали общему уровню науки. Тре­бовалось выяснение процессов и условий генезиса (от греч. genesis - происхождение, образование) минералов. Благодаря постепенно на­капливающимся новым фактам описательная минералогия уступила место генетической. Успехи в области генетической минералогии соз­дали основание для возникновения еще одной науки - геохимии, ос­новоположниками которой были выдающиеся ученые XX в. В.И.Вер­надский (Россия) и В.М.Гольдшмидт (Норвегия), а в дальнейшее ее развитие внес крупный вклад русский минералог и геохимик А.Е.Ферсман. Эта наука изучает историю химических элементов, закономерно­сти их миграции и распределения в земной коре и на планете в целом. Так, в процессе изучения вещественного состава земной коры сложились три, тесно связанные между собой науки, одна из которых имеет объектом изучения химические элементы (геохимия), другая - их при­родные химические соединения (минералогия), а третья - различаю­щиеся процессами образования, минералогическим и химиче­ским составом горные породы.

В настоящее время для выяснения состава и строения минералов, руд и горных пород, закономерностей их образования используются новейшие достижения естественных наук и техники. Широко при­меняются методы химического, спектроскопического, рентгеноструктурного, термического, кристаллоптического, флюоресцентного анализов.

Не менее активно развивались науки, изучающие строение зем­ной коры и протекающие в них процессы. Таковы вулканология - наука, изучающая извержения вулканов, их строение и состав про­дуктов вулканических извержений, сейсмология (от греч. seismos - землетрясение) - наука, изучающая землетрясения и причины их вызывающие, а также геофизика, изучающая сейсмическим, грави­метрическим, магнитометрическим и геотермическим методами строение глубинных частей земных недр.

Исключительно важное значение имеет геотектоника (от греч. tektonike - строительное искусство) - наука о закономерностях строения и движения земной коры и их порождающих процессах, происходящих в подкоровых глубинах Земли. С геотектоникой не­разрывно связаны структурная геология, изучающая геологические структуры, образуемые горными породами, и региональная геоло­гия, обобщающая и уточняющая данные о строении отдельных ре­гионов.

Сложную научную проблему представляет оценка геологического времени, на протяжении которого происходило становление и разви­тие земной коры, образование и преобразование материков и океа­нов, климатические изменения и развитие органического мира. В процессе исследований в этой области постепенно сформировались следующие геологические науки. Стратиграфия (от лат. stratum - слой) изучает последовательность залегания слоев горных пород и устанавливает их относительный возраст. Стратиграфия опирается на данные палеонтологии (от греч. palaios - древний; ontos - существующие) - науки, находящейся на грани биологии и геоло­гии, изучающей окаменелые остатки древних животных и растений, по которым воссоздается история развития органического мира и вместе с тем устанавливается относительный возраст отложений, со­держащих остатки определенных организмов. Геохронология - нау­ка, изучающая с помощью точных физических и геохимических ме­тодов абсолютный возраст разных геологических объектов. Благо­даря достижениям этих наук мы имеет обоснованную хронологию главных событий геологической истории Земли.

Наконец, в комплексе геологических наук существуют такие, ко­торые имеют определенную практическую направленность. К ним относится геология нефти и газа, геология угля, изучающие обра­зование, строение и закономерности размещения месторождений указанных полезных ископаемых. Металлогения - наука о закономерностях распространения и геологических эпохах образования месторождений металлов, тесно связанная с геологией рудных месторождений, изучающей особенности вещественного состава, об­разование и геологическое строение залежей руд разных металлов. Гидрогеология изучает условия залегания, формирования и хи­мический состав подземных вод. Инженерная геология изучает гор­ные породы в качестве основания при строительстве гражданских и промышленных сооружений, прокладке железных и автодорог, ма­гистральных трубопроводов, плотин и других гидротехнических объ­ектов.

Современные представления о строении, составе Земли, ее образовании и возрасте

Земля входит в состав системы, где центром является Солнце, в котором заключено 99,87% массы всей системы. Характерной осо­бенностью всех планет Солнечной системы является их оболочечное строение: каждая планета состоит их ряда концентрических сфер, различающихся составом и состоянием вещества.

Земля окружена мощной газовой оболочкой - атмосферой. Она является своеобразным регулятором обменных процессов между Землей и Космосом. В составе газовой оболочки выделяется не­сколько сфер, отличающихся составом и физическими свойствами. Основная масса газового вещества заключена в тропосфере, верхняя граница которой, расположенная на высоте около 17 км на экваторе, снижается к полюсам до 8-10 км. Выше, на протяжении стратосфе­ры и мезосферы, нарастает разреженность газов, сложно меняются термические условия. На высоте от 80 до 800 км располагается ионо­сфера - область сильно разреженного газа, среди частиц которого преобладают электрически заряженные. Самую наружную часть га­зовой оболочки образует экзосфера, простирающаяся до высоты 1800 км. Из этой сферы происходит диссипация наиболее легких L атомов - водорода и гелия.

Строение и состав Земли. Еще более сложно стратифицирована сама планета. Масса Земли оценивается в 5,98-10 27 г, а ее объем - в i 1,083-10 27 см 3 . Следовательно, средняя плотность планеты составляет около 5,5 г/см 3 . Но плотность доступных нам горных пород рав­на 2,7-3,0 г/см 3 . Из этого следует, что плотность вещества Земли неоднородна.

Главнейшими методами изучения внутренних частей нашей планеты являются геофизические, в первую очередь наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся от взрывов или землетрясений. Подобно тому, как от камня, брошен­ного в воду, в разные стороны расходятся по поверхности воды волны, так в твердом веществе от очага взрыва распространяются упругие волны. Среди них выделяют волны продольных и попе­речных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распро­странения волны. Поперечные колебания можно представить как чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распро­странению волны.

Волны продольных колебаний, или, как принято говорить, про­дольные волны, распространяются в твердом веществе с большей скоростью, чем поперечные. Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные - только в твер­дом. Следовательно, если при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает попе­речные волны, то можно считать, что это вещество находится в жид­ком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это - свидетельство твердого состояния вещества.

Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности веще­ства. При резком изменении плотности вещества скорость волн будет скачкообразно меняться. В результате изучения распространения сейсмических волн через Землю обнаружено, что имеется несколь­ко определенных границ скачкообразного изменения скоростей волн. Поэтому предполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных трех главных границ раздела выде­ляют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро (рис. 1).

Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увели­чением скоростей продольных сейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница получила название раздела Мохоровичича (в честь серб­ского ученого А. Мохоровичича, который ее открыл), или просто гра­ница М. Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры, как указано выше, не превышает 2,7-3,0 г/см 3 . Граница М расположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов - от 4 до 10 км.

Учитывая, что радиус Земного шара равен 6371 км, земная кора представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, состав­ляющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% ее объема.

Мантия - самая мощная из геосфер Земли. Она распространяет­ся до глубины 2900 км и занимает 82,26% объема планеты. В мантии сосредоточено 67,8% массы Земли. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает с 3,32 до 5,69 г/см 3 , хотя это происходит неравномерно.

На контакте с земной корой вещество мантии находится в твер­дом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней частью мантии называют литосферой.

Агрегатное состояние вещества мантии ниже литосферы недос­таточно изучено и по этому поводу имеются различные мнения. Предполагается, что температура мантии на глубине 100 км состав­ляет 1100-1500°С, в глубоких частях - значительно выше. Давление на глубине 100 км оценивается в 30 тыс.атм., на глубине 1000 км -1350 тыс. атм. Несмотря на высокую температуру, судя по распро­странению сейсмических волн, вещество мантии преимущественно твердое. Колоссальное давление и высокая температура делают не­возможным обычное кристаллическое состояние. По-видимому, вещество мантии находится в особом высокоплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должны вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.

Мантию подразделяют на верхнюю (слой В, простирающийся до глубины 400 км), промежуточную (слой С - от 400 до 1000 км) и нижнюю (слой Д - от 1000 до 2900 км). Слой С именуют также слоем Голицина (в честь русского ученого Б.Б.Голицина, установив­шего этот слой), а слой В - слоем Гутенберга (в честь выделившего его немецкого ученого Б.Гутенберга).

В верхней мантии (в слое В) имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-ви­димому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии. Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн предпо­лагает, что жидкая фаза составляет до 10%, что отражается на более пластичном состоянии вещества по сравнению с выше и ниже рас­положенными слоями мантии. Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (от греч. asthenes - слабый). Мощность ослабленной зоны достигает 200-300 км. Располагается она на глубине пример­но 100-200 км, но глубина меняется: в центральных частях океанов астеносфера располагается выше, под устойчивыми участками ма­териков опускается глубже.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития гло­бальных эндогенных геологических процессов. Малейшее наруше­ние термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В астеносфере возникают маг­матические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносфе­рой эти два слоя объединяют под названием тектоносфера.

В последнее время внимание ученых в мантии привлекает зона, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что эта зона намечает нижнюю границу конвективно­го тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию (слой В) и верхнюю часть промежуточного слоя с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом воз­растает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной коры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшает­ся до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространя­ются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в ин­тервале глубин 2700-2900 км, в переходном слое Д 1 (в отличие от нижней мантии, имеющей индекс Д) происходит зарождение гигант­ских тепловых струй - плюмов, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро Земли - центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% ее объема, но содержит более трети всей массы Земли. Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра на­ходится в жидком состоянии. В то же время наблюдения за проис­хождением приливных волн позволили установить, что упругость Земли в целом очень велика, больше упругости стали. По-видимо­му, вещество ядра находится в каком-то совершенно особом состоя­нии. Здесь господствуют условия чрезвычайно высокого давления в несколько миллионов атмосфер. В этих условиях происходит пол­ное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, веще­ство «металлизируется», т.е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность. Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, воз­никающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность ядра - 5520 кг/м 3 , т.е. это вещество в два раза тяже­лее каменной оболочки Земли. Вещество ядра неоднородно. На глу­бине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8100 м/с до 11000 м/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая.

Вещественный состав разных оболочек Земли представляет весь­ма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава дос­тупна лишь земная кора. Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее мас­сы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. Все осталь­ные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер Земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изучения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного со­става глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, раз­личаются. Можно с большой уверенностью предполагать, что верх­няя мантия также состоит из силикатов, но содержащих меньше кремния и больше железа и магния по сравнению с земной корой, а нижняя мантия - из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая структура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, находящихся в земной коре.

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учитывая высокую плотность (9,4- 11,5 г/см 3) и невозможность рас­пространения поперечных сейсмических волн, ученые предполага­ют, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из оксидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и некоторых других элементов. По причине еще большей плотности центральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу железных метеоритов и состоит из никелистого железа. В таблице 1 сопоставлены химический состав земной коры, метеоритов и услов­но рассчитанный средний состав Земли в целом.

^ Образование Земли и ее возраст. Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. Документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существо­вания Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность хи­мических элементов, из которых состоят Земля и метеориты. На ос­новании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их веще­ство прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате Большого Взрыва этой звезды в плоскости ее экватора образовалась дисководная протопланетная туманность.

Исходным материалом для образования планет был так называе­мый звездный газ - разобщенные ионизированные атомы. По мере охлаждения в соответствии с температурными условиями из него возникали твердые частицы и происходила их консолидация. Древ­нейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеори­ты. Их возраст по данным ядерной геохронологии составляет 4,5- 4,7 млрд. лет. Абсолютный возраст вещества Луны - 4,7 млрд. лет. Земля как планета имеет близкий к этим данным возраст.

С момента становления планеты начался процесс образования горных пород, слагающих земную кору. Абсолютный возраст наи­более древних горных пород следующий: граниты Кольского полу­острова - 3,1 млрд лет; гнейсы Украины - 3,5; граниты Африки -3,5; амфиболиты Гренландии - 3,75; чарнокиты Антарктиды - 3,9 млрд лет.

Таким образом, становление планеты Земля совершилось на протяжении примерно 0,5 млрд. лет. Около 3,9-4,0 млрд. лет назад происходит образование первых горных пород и, следовательно, начинается геологическая история Земли.

^ Роль геологии в обеспечении развивающейся экономики минеральным сырьем

Значение минеральных ресурсов для развития человеческого об­щества трудно переоценить. Наличие минерального сырья - необ­ходимое условие любой цивилизации, степень его использования отражает уровень развития общества. Недаром ступени развития человечества получили название по составу использовавшегося ми­нерального сырья - каменный век, бронзовый век, железный век.

Использование каждого вида минерального сырья, с одной сто­роны, предполагает определенный уровень развития общественно­го производства. Известно, какое важное значение имеет каменный уголь в современной экономике. Но еще в начале XIX в. владельцы угольных шахт в Америке проводили демонстрационное сжигание каменного угля, рекламируя это непривычное в то время топливо. (" другой стороны, использование нового вида сырья вызывает оп­ределенные изменения в промышленном производстве. Например, одним из основных факторов создания и развития авиационной промышленности явилось открытие и освоение нового металла - алюминия. В 1885 г. во всем мире было добыто всего 3 т алюминия. Этот металл представлял собой лишь интересную редкость. Но с почала XX в. выработка алюминия нарастает быстрыми темпами: перед Первой мировой войной - 50 тыс. т, перед Второй мировой войной - 500 млн. т, в середине XX в. - более 10 млрд. т.

Некоторые минералы были известны и использовались в глубокой древности, практическое использование других происходило по м. ре их открытия и изучения свойств и состава. С изобретением паровой машины приобрел значение каменный уголь, а производство машин обусловило возрастающий спрос на железные руды. Прогресс машинного производства, создание двигателей внутреннего сгорания и появление новых видов транспорта, применение минеральных удобрений в сельском хозяйстве - все это способствовало уве­личению разнообразия используемых видов минерального сырья и возрастанию их добычи. Особенно ярко этот процесс проявился в росте добычи металлов на протяжении XX в. (рис. 2).

На рисунке 3 совмещены две кривые. Одна из них показывает число открытых, другая - число используемых химических элемен­тов в общественном производстве от начала новой эры до нашего времени. Хорошо видно, как резко возрастают обе кривые со второй половины XIX в., причем кривая использования химических эле­ментов приближается к количеству известных элементов.

Для России, благодаря ее обширной территории и разнообразию геологического строения, роль геологии в выявлении природных бо­гатств недр особенно ответственна, так как минеральные ресурсы страны являются важным фактором ее экономического развития. Важнейшие отрасти государственного производства базируются на использовании минерального сырья. Достижения наук геологиче­ского цикла, творчески использованные государственной геоло­гической службой, обеспечили существенную минерально-сырьевую базу России. Открытие геологами залежей железных руд обуслав­ливают производство черных металлов, служащих основой тяжелой индустрии. Обнаруженные месторождения каменного угля, нефти и газа являются главными источниками энергетического сырья, а также поставщиками сырья для химической промышленности. Из месторождений руд цветных металлов поступают химические элемен­ты, необходимые для самых различных отраслей промышленности: машиностроения, приборостроения, промышленности средств транспорта и обороны, для энергетического хозяйства и пр. Без об­наружения месторождений редких и рассеянных химических эле­ментов были бы невозможны такие новые отрасти производства, как радиотехника, электроника, ракетная техника.

Говоря о жизненной важности минерально-сырьевых ресурсов для развивающейся экономики, нельзя обойти проблему экологичес­ких последствий технического прогресса.

Нарастающее потребление минеральных ресурсов в значитель­ной мере связано с несовершенством современных технологий, при которых существенная часть исходных продуктов выходит из про­изводственных циклов и поступает в окружающую среду. По срав­нению с XIX в. в настоящее время мировое потребление одних видов минерального сырья увеличилось в десятки раз (например, каменно­го угля, железа, меди и др.), а других - в сотни раз (например, нефти, алюминия, молибдена и др.). Во всем мире ежегодно извлекается около 100 млрд. т минеральных ископаемых, включая строительные мате­риалы, балласт для дорог и т.п. Если это количество отнести к пло­щади всей мировой суши, то окажется, что с каждого квадратного километра суши ежегодно извлекается около 700 т.

Среди многих негативных последствий хозяйственной деятель­ности современного общества одно из наиболее опасных - про­грессирующее загрязнение биосферы металлами. Техногенные металлы поступают в окружающую среду в иных соотношениях по сравнению с их соотношениями в земной коре, применительно к которым на протяжении длительного времени развивались и адап­тировались живые организмы. При этом значительная часть вы­брасываемых с технологическими и бытовыми отходами металлов выпадает в непосредственной близости от источников загрязнения, создавая антропогенные геохимические аномалии на площади ин­дустриальных центров и больших городов. Это оказывает негатив­ное действие на природу и здоровье населения.

Проблема нейтрализации загрязнения окружающей среды, сба­лансированности использования минеральных ресурсов, совершен­ствования производственных технологий - одна из кардинальных проблем начала 3-го тысячелетия новой истории человечества. Науки геологического цикла, изучающие закономерности рас­пределения и миграции химических элементов, в первую очередь геохимия, должны внести свой вклад в решение этой насущной про­блемы.

^ Краткий обзор истории изучения и освоения недр России

Издавна люди использовали доступные им богатства недр. Из­вестны довольно глубокие шахты для добывания кремней эпохи не­олита. Скифы добывали золото, кельты - выплавляли медь и оло­во. Наши непосредственные предки - славяне - использовали не медь и бронзу, а железо. Железная руда в изобилии находилась на дне озер в виде бобовой руды, которую сгребали черпаками, стоя на плоту. Добывали также дерновые железные руды, срезая лопатой дерн. О железорудных промыслах свидетельствуют до сих пор со­хранившиеся названия населенных пунктов. Например, возле Череповца есть город Устюжна с добавлением «Железопольская», в Мещере - поселок Гусь Железный и т.д. К XVII в. железный про­мысел получил широкое распространение.

Первая попытка государственной организации поиска руд в Рос­сии была предпринята при Петре I. В 1700 г. был создан Приказ Рудокопных дел, который в 1719 г. был преобразован в государственную Берг-Коллегию. Петром был издан указ «Берг-привилегии», в котором, в частности, говорилось: «Соизволяется всем и каждому дается воля, какого бы чина и достоинства ни был, во всех местах, как на собственных, так и на чужих землях искать, копать, плавить, варить и чистить всякие металлы, сиречь золото, серебро, медь, оло­во, свинец, также и минералы». Образцы минералов собирались в "созданную в 1716 г. Кунсткамеру, из которой потом был образован Минеральный кабинет, а еще позже - Минералогический музей Академии Наук. При Петре I были построены железоделательный завод в Карелии (Петрозаводск), заводы Демидовых на Урале, уси­лены тульские заводы. Россия сразу вышла на одно из первых мест по производству железа. Отметим, что в XVIII в. Россия занимала первое место в мире по выплавке черного металла, а по выплавке меди уступала лишь Англии.

К этому времени, помимо железных руд, были открыты многочис­ленные небольшие месторождения меди в Предуралье в медистых песчаниках пермо-триаса, из которых почти два века выплавлялась основная масса меди России.

Вскоре за освоением Урала с его железом, медью, золотом, само­цветами началось освоение в Сибири. Люди Демидова обнаружили на Алтае медные, а затем серебро и свинцово-цинковые руды. Почти одновременно поиски руд начались в Забайкалье в Нерчинском крае. Еще при Петре I был издан приказ строить Нерчинский серебро-свинцовый завод. На протяжении XVIII-XIX вв. за Уральским хреб­том было открыто более тысячи рудных месторождений.

В 1773 г. в Петербурге было организовано Горное училище. Это третья высшая горная школа: первая была создана в 1716 г. в г. Остраве (Чехия), вторая - в 1765 г. во Фрайберге (Саксония).

В дальнейшем оно было преобразовано в Горный кадетский корпус. Во времена Бориса Годунова светлую нефть в бочках привозили и Москву из Печорских лесов. На Апшеронском полуострове с глу­бокой древности известны «вечные огни», с которыми был связан культ огнепоклонников. Строились храмы, где вечно горели нефтяные газы. Нефть и ее продукты использовались для строительства, в медицинских целях, а также в качестве горючего материала. Од­нако только после того, как научились выделять из нефти ценные вещества, нефть стала важнейшим полезным ископаемым. Активная добыча нефти путем бурения началась в мире во второй полови­не XX в. Первая скважина в районе Баку была пробурена в 1869 г. Начало научного изучения минералов и руд связано с деятель­ностью выдающегося ученого-энциклопедиста М.В.Ломоносова (1711-1765 гг.). Первым трудом Ломоносова по минералогии был каталог Минералогического музея, напечатанный в 1745 г. В 1742 г. он написал работу «Первые основания металлургии или рудных дел», которая была издана лишь в 1763 г. с добавлением статьи «О слоях земных». В1757 г. Ломоносов на заседании Академии наук зачитал доклад «Слово о рождении металлов от трясения земли». Незадолго до смерти он планировал описание минералов России и составил план этой работы («Известие о сочиняемой Российской минералогии»).

Основы минералогии как самостоятельной науки в России были заложены академиком В.М.Севергиным (1765-1826). Им был на­писан первый на русском языке курс минералогии («Первые осно­вания минералогии»), составлен оригинальный справочник - опре­делитель минералов и горных пород («Новая система минералов») и выполнено задуманное Ломоносовым описание минералов России («Опыт минералогического землеописания Российского государ­ства»).

На протяжении XIX в. в России сложились крупные научные школы в области геологии, кристаллографии, петрографии, палео­нтологии.

В конце XIX в. в России в связи с развитием капитализма начал­ся промышленный подъем. Резко возросла потребность в минераль­ном сырье - металлах, каменном угле, нефти. Для успешного их об­наружения стало необходимо планомерное изучение геологическо­го строения страны. С начала XIX в. геологическими работами ру­ководил Ученый Комитет Военного корпуса горных инженеров. Те­перь возникла необходимость создать специальную государст­венную геологическую службу. С этой целью в 1882 г. был орга­низован Геологический комитет, в который вошли крупнейшие геологи России. Геологический комитет сыграл важную роль в из­учении геологии нашей страны. Он организовал составление обзор­ной геологической карты Европейской России, детальных геоло­гических карт Донбасса, Криворожского района, рудных районов Урала. Геологические исследования были проведены на отдельных рудоносных площадях Сибири, в нефтеносных районах Кавказа, Прикаспия, Средней Азии, а также вдоль линии Сибирской желез­ной дороги.

Однако возможности Геологического Комитета были небольши­ми. Первоначально в его составе было всего восемь человек (дирек­тор, шесть геологов и делопроизводитель). Этот состав, конечно, не мог обеспечить объема предстоящих работ.

После окончания Первой мировой и гражданских войн вновь начались настойчивые геологические поиски. В 20-х годах откры­ваются уникальные по своим запасам месторождения калийных солей в Соликамске и Хибинское месторождение апатитов. Начина­ются поиски нефти Второго Баку, Ухты, железных руд Курской маг­нитной аномалии, детально изучаются рудные месторождения на Урале.

Геологическая служба была укреплена. На базе Геологического Комитета было создано Геологическое управление, преобразован­ное затем в Комитет по делам геологии, а позже - в Министерство геологии.

Открытие месторождения вольфрама и молибдена, ртути и сурь­мы, ванадия и германия, циркония и бериллия, олова и алмазов - увлекательная история развития целеустремленной научной мыс­ли и беззаветного напряженного труда геологов. Крупные успехи в изучении месторождений минерального сырья связаны с деятель­ностью научных коллективов под руководством крупных ученых: залежей нефти - под руководством И.М.Губкина (1871-1939), месторождений угля - С.И.Степанова (1880-1947), рудных место­рождений – В. А. Обручева (1863-1956), Ю. А. Билибина (1901-1952), С. С. Смирнова (1895-1947) и др.

В настоящее время в нашей стране потребляется около 90 видов минерального сырья, разведанные запасы которых весьма значи­тельны.

^ Геологические знания, современная культура и образование

Как бы ни было велико значение геологических наук для тех­нического прогресса и развития мировой экономики, не меньшее, а может быть и большее значение имеют геологические знания для формирования культурного уровня современного человека. Волна суеверий и предрассудков, всколыхнувшаяся на исходе XX в., свиде­тельствует о существенных пробелах в естественно-научной просве­щенности широких масс населения. В преодолении невежественных заблуждений весьма ответственная роль принадлежит геологи­ческим знаниям. Всеми своими положениями геология свиде­тельствует о материальной реальности окружающего мира, научно объясняет причины землетрясений, вулканических извержений и других внушающих ужас катастрофических природных явлений, раскрывает длительную и сложную историю Земли, многочислен­ными фактами доказывает эволюцию органического мира и проис­хождение человека. Таким образом, геологические знания, наряду со сведениями из области других естественных наук - физики, хи­мии, биологии, географии - являются неотъемлемой частью совре­менной культуры.

Как показано выше, некогда единая наука геология по мере своего развития дифференцировалась на многочисленные науки и направ­ления геологического цикла. Это нашло отражение в организации пре­подавания геологии в системе высшей школы. В высших учебных заведениях геологического профиля каждая из наук геологического цикла преподается в виде самостоятельной учебной дисциплины. Тако­вы курсы минералогии, петрографии, геотектоники, региональной гео­логии и др. Для специалистов не геологического профиля, подготовка которых нуждается в обеспечении определенным объемом геологиче­ских знаний, обычно используется учебная дисциплина, традиционно сохраняющая название «геология». В этом курсе обобщены основопо­лагающие сведения и достижения большей части наук геологического цикла. Сказанное имеет прямое отношение к высшему географичес­кому образованию, в структуре которого предусмотрен значительный объем знаний из области геологических наук, необходимых для важ­нейших физико-географических курсов - геоморфологии, физичес­кой географии России и мира, а в части закономерностей распростра­нения месторождений различных видов минерального сырья - для курсов экономической географии.

Вместе с тем преподавание сведений из области геологии в гума­нитарных, медицинских и многих других вузах по вполне понятным причинам не проводится. Следовательно, большая часть специали­стов с высшим образованием обладает геологическими знаниями, полученными в средней школе. Это накладывает особую ответст­венность на организацию преподавания в средней общеобразова­тельной школе геологических сведений, необходимых для современ­ного культурного уровня.

В настоящее время геология как самостоятельный предмет в про­грамме средней общеобразовательной школы отсутствует. Элемен­ты геологических знаний сообщаются учащимся преимущественно на уроках географии и лишь отдельные данные на занятиях по химии и биологии. Именно на уроках географии учащиеся могут получить общие сведения о строении Земли и земной коры, о минералах и горных породах, о примечательных событиях геологической исто­рии. По этой причине основательная геологическая подготовка учителей географии является необходимой и ответственной частью высшего географического педагогического образования.

Контрольные вопросы к самостоятельной работе студентов

1. Какие науки входят в цикл наук о Земле?

2. Изложите современные представления о строении планеты Земля.

3. Какое значение имеют науки о Земле для современной экономики? Пе-1ечислите главные виды минерального сырья.

4. Кратко охарактеризуйте основные этапы истории освоения недр России.

5. Какие выдающиеся отечественные ученые-геологи Вам известны? В чем включается их вклад в развитие наук о Земле?

6. Каковы роль и значение геологических знаний для современной культуры?

Цикл геологических наук. Оболочечное строение Земли.

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.

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.

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.

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 0С, 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.

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).