учебники / Короновский Н.В. «‎Общая геология‎» 3-ие издание

воде и породах других планет (космохимия); гидрогеология исследует подземные воды; геокриологи пытаются проникнуть в тайны вечной мерзлоты, которой у нас в стране заняты огромные пространства; учением о рудных месторождениях занимается геология полезных ископаемых, а нефть и каменный уголь исследуют специалисты по горючим полезным ископаемым; изучение верхних слоев Земли для строительства — это инженерная геология и грунтоведение, а проникновением в глубины Земли с помощью физических методов занимается геофизика, которая сама подразделяется на много дисциплин в зависимости от используемого метода. Для поисков полезных ископаемых и научного прогноза нужны разнообразные геологические карты. Их составляют специалисты по

геологической съемке и поискам месторождений полезных ископаемых. И каждая из названных отраслей и дисциплин геологических наук подразделяется на ряд еще более узких специализаций, в которых используются новейшие достижения физики, химии, вычислительной математики и техники. Добыча полезных ископаемых развивается так быстро и захватывает такие большие участки Земли, что на повестку дня со всей остротой встал вопрос об охране окружающей среды и земных недр, чем занимается экологическая геология.

Вряд ли стоит еще перечислять то, чем занимается современный геолог, да это практически и невозможно сделать, настолько различны те задачи, а также методы и приемы, с помощью которых геолог эти задачи решает. Геолог нашего времени — это высокообразованный специалист, владеющий столь различными знаниями и такой новейшей техникой, что сравнивать его с геологом, скажем, начала и даже середины XX в. вряд ли возможно. Объем информации, знаний удваивается сейчас каждые десять лет, а в будущем этот процесс будет еще ускоряться.

Что же мы знаем о нашей планете? Наверное, не так уж мало. Но, как это ни удивительно, в космос человек проник на десятки и сотни миллионов километров, тогда как самая глубокая скважина с огромными трудностями прошла по горным породам чуть больше 12 км. При радиусе Земли около 6371 км это меньше, чем крохотный булавочный укол! И надежд в обозримом будущем проникнуть глубже 20 км с помощью буровой установки почти нет. Мы знаем, что возраст Земли 4,6 млрд лет, мы с большой точностью знаем ее размеры, скорость вращения вокруг оси, скорость движения по орбите, массу Земли, среднюю плотность вещества планеты. Геологи хорошо изучили все те горные породы, которые находятся на суше площадью 150 млн км2, но мы только начинаем познавать океанское и морское дно, площадь которого (360 млн км2) более чем в два раза превышает площадь суши. И тем не менее геологи имеют вполне определенное представление о том, что находится внутри Земли вплоть до ее центра.

12 Введение

Методы познания глубоких недр планеты Земля в основном косвенные, и большая их часть основана на решении так называемых обратных задач. Для геолога очень важно не только собирать факты, но и анализировать их, обобщать для того, чтобы установить закономерности развития геологических процессов, эволюции крупных структур земной коры и земного шара в целом.

Используя методы экспериментирования и наблюдения, применяют также теоретические средства познания. Геолог-исследователь должен уметь выявлять актуальные проблемы своей науки, грамотно ставить задачи, корректно выдвигать и проверять гипотезы, четко и компактно формулировать получаемые выводы. Собранный фактический материал нужно уметь целенаправленно преобразовать в модели, без чего невозможно ни ввести его в исследование, ни анализировать, ни обобщать.

На современном этапе развития геологии все возрастающую роль играет компьютерное моделирование, позволяющее проникать глубоко в сущность многих процессов. Сегодня компьютер в руках геолога — это такой же необходимый инструмент, как и молоток, еще не потерявший своего значения.

Учебник «Общая геология» посвящен не только динамической геологии, т. е. геологическим процессам. В части I учебника кратко рассматривается образование Вселенной, галактик и Солнечной системы. Приводятся сравнительные данные о планетах, содержатся сведения о форме Земли, ее внутреннем строении, геофизических полях, методах определения относительного и абсолютного (изотопного) возраста горных пород. Дается характеристика основных положений современной геологической теории — тектоники литосферных плит, т. к. она прекрасно объясняет многие геологические процессы.

Вчастях II и III рассматриваются важнейшие геологические процессы внешней и внутренней динамики, а в части IV, являющейся заключительной, приводятся основные сведения о главных структурах литосферы, обсуждаются актуальная современная проблема взаимодействия человека с геологической средой, достижения в изучении Земли, нерешенные вопросы.

Впоследние годы в геологии широко распространились представления о нелинейных неравновесных геодинамических системах, неоднократно проходящих в своей эволюции так называемые точки бифуркации. Это состояния неустойчивости перед неизбежным, но случайным, непрогнозируемым «выбором» какого-то одного из теоретически равновозможных путей дальнейшего развития. Большой Взрыв, начало лавинной аккреции межзвездной пыли, возникновение Земли, зарождение

иперестройка режима конвекции в мантии, обращения полярности гео-

магнитного поля, расплавление и кристаллизация, разрыво- и складкообразование в земной коре, землетрясения и оползни, переходы режима водного потока от неустойчивого равновесия к эрозии или аккумуляции — эти и многие другие примеры подобного непредсказуемого «выбора» описаны в последующих разделах учебника. В целом же концепция нелинейности и бифуркаций в связи с проблемой прогнозируемости геологических процессов освещена в заключительном разделе.

Таким образом, учебник вводит студента в круг основных проблем современной геологической науки, которые и необходимо усвоить на первом курсе. Чтобы был сформирован фундамент, позволяющий успешно двигаться вперед.

Big Bang), впервые была создана А. А. Фридманом в России в 1922 г. Талантливый ученый А. А. Фридман скончался в 1925 г. в возрасте 37 лет, но выдающаяся теория при его жизни по достоинству оценена не была. С ка- кого-то момента, отстоящего от нас на 12–15 млрд лет, вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, или инфляции, которое в самых общих чертах можно уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному. Как мы увидим в заключительной главе учебника, Большой Взрыв — это катастрофический процесс, грандиозная бифуркация. Вечно возникающий вопрос «А что же было до Большого Взрыва?», по мнению известного английского физика С. Хогинга, носит метафизический характер, т. к. это состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.

Современная теоретическая физика достоверно описывает процессы Большого Взрыва. Так, температура в 1032 К была достигнута через 10–43 с, 1010 К — через 1 с, 109 К — через 1 мин, 104 К — через 100 тыс. лет, а 103 К — через 1 млн лет. Расширяющееся вещество становилось менее плотным и менее горячим.

Теорию первоначально не только очень плотной, но и очень горячей Вселенной в конце 40-х гг. прошлого века развивал знаменитый физик Г. Гамов. Первичный нуклеосинтез, т. е. образование ядер легких элементов, стал возможен уже через несколько минут после начала Большого Взрыва, а через 1 млн лет началось и формирование атомов.

С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется и все объекты в ней: и галактики, и звезды — удаляются на равное расстояние друг от друга. Это расширение, или инфляция «всех от всех» в настоящее время хорошо подтверждается экспериментальными факторами. В начале своего существования, примерно до 300– 400 тыс. лет, наша Вселенная была «кипящей смесью» из протонов, электронов, нейтрино и излучения, взаимодействовавших между собой и вследствие расширения охлаждавшихся.

«Разбегание» галактик и скопление галактик. Доказательство этого явления связано с эффектом Допплера, заключающимся в том, что спектральные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объекта всегда смещаются в красную сторону пропорционально расстоянию до источника света, а приближающегося — в голубую1 . Во всех случаях наблю-

1 Если λ — длина волны излучающего источника, то эффект Допплера выражается

формулой: , где V — скорость удаления объекта, С — скорость света. При

удалении объекта λ’ > λ, т. е. спектральные линии смещаются в красную сторону, при приближении λ’ < λ — в голубую.

дения спектральных линий поглощения от галактик и далеких звезд смещение происходит в красную сторону, причем чем дальше отстоит от нас объект наблюдения, тем смещение больше (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Эффект Допплера. При удалении объекта от наблюдателя спектральные линии смещаются в сторону красного цвета («красные смещения»)

Все галактики и звезды удаляются от нас, и самые далекие из них удаляются с большей скоростью. Это закон астронома Э. Хаббла, открытый им в 1929 г.: V = HR, где V — скорость удаления, R — расстояние до космического объекта, а Н — коффициент пропорциональности, или постоянная Хаббла, Н = 15 км/с / 106 световых лет (1 световой год = = 9,6 1012 км или 6,3 104 АЕ)1. Например, скопление галактик в созвездии Девы (расстояние 78 млн св.лет) удаляется от нас со скоростью 1200 км/с, а галактики в созвездии Гидры (расстояние 3 млрд 960 млн св. лет) — со скоростью 61 тыс. км/с. Следует подчеркнуть, что все галактики разбегаются от всех, а не от нас как центра наблюдения, а Галактика Млечного Пути, в которой находится Солнечная система, — это самая рядовая галактика среди многих миллионов других.

«Реликтовое излучение». В 1964 г. американские астрономы А. Пензиас и Р. Вилсон с помощью рупорной антенны фирмы «Белл телефон» в штате Нью Джерси обнаружили фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного тела с Т ≈ 2,75 К2 . За это выдающееся открытие

1 АЕ — астрономическая единица, равная 150 млн км — расстоянию от Земли до Солнца.

2 К — кельвин, единица температуры: 0К — «абсолютный нуль» — температура тела, состоящего из неподвижных атомов. 273 К — это 0 °С.

ХХ в. авторы в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии. Еще до обнаружения фонового микроволнового излучения оно было предсказано фи- зиками-теоретиками, в частности Г. Гамовым.

Излучение с такой низкой температурой представляет собой реликт равновесного электромагнитного излучения с очень высокой (около 100 млрд К) первоначальной температурой, существовавшего на самых ранних стадиях образования Вселенной, сразу же после начала Большого Взрыва. С тех пор эффективная температура от многих миллиардов градусов кельвина упала до трех, а реликтовое излучение равномерно заполняет всю Вселенную.

Химический состав Вселенной представляет собой по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1 %. В такой пропорции — 3:1 — Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а кроме того, и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.

Что может ожидать Вселенную в будущем? Ответ на этот вопрос заключается в установлении средней плотности Вселенной и величины уже упоминавшейся выше постоянной Хаббла. Современное значение плотности равно 10-29 г/см3, что составляет 10–5 атомных единиц массы в 1 см3. Чтобы представить такую плотность, надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40 тыс. км! Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности, то Вселенная будет только расширяться, а если средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратится, и она начнет сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию. Сейчас существует гипотеза очень быстрого, инфляционного, расширения Вселенной.

Спустя примерно 1 млрд лет после начала Большого Взрыва в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов стали формироваться звезды и галактики — скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса и гравитационного сжатия космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приводит к очень высоким температурам — 10–15 млн К, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т. е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.

Обнаруженные в наши дни слабые вариации реликтового излучения в форме температурных колебаний в пространстве, равные 0,001 % от средней величины, свидетельствуют о неравномерной плотности

вещества во Вселенной. Вероятно, это первичное различие в плотности

ипослужило как бы затравкой для возникновения в будущем скоплений галактик. Там, где плотность была выше средней, силы гравитации были больше, а следовательно, уплотнение происходило сильнее и быстрее относительно соседних участков, от которых вещество перемещалось в сторону более плотных сгущений. Так начиналось формирование звезд и галактик спустя 1 млрд лет после Большого Взрыва. Только 200 лет назад В. Гершель открыл межзвездные облака, а до этого все пространство между звездами считалось эталоном пустоты. В 1975 г. обнаружены гигантские молекулярные облака (ГМО), масса которых в миллионы раз больше солнечной массы.

В2003 г. были получены данные, говорящие о том, что Вселенная только на 4 % состоит из обычных атомов, из которых образованы звезды и планеты. Остальные 96 % представлены «темной энергией» (73 %)

искрытой, или «темной», массой (23 %), состоящей из неизвестных пока частиц, понять сущность которых важнейшая задача науки.

Галактика Млечного Пути (ГМП) — одна из 100 000 миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной, которая иногда называется метагалактикой, — обладает формой уплощенного диска, с диаметром около 100 тыс. св. лет и толщиной 20 тыс. св. лет. В разрезе в центре наблюдается утолщение (балдж), которое состоит из старых звезд с воз-

растом 8–10 млрд лет, и ядро, скрытое облаками плотного газа (рис. 1.2, 1.3). Не исключено, что в центре ГМП существует «черная дыра», как в ядрах других спиральных галактик. ГМП окружена темным облаком ненаблюдаемого вещества, масса которого в 10 раз или более превышает массу всех звезд и газа в ГМП. Молодые звезды с возрастом от 100 тыс. до 100 млн лет в осевой части диска окружены огромной сферической областью — гало, в которой находятся старые звезды. В ГМП есть скопления нейтрального, молекулярного и ионизированного водорода.

Недавно астрономы открыли, что ГМП погружена в гигантское облако раскаленного до 1 млн градусов Цельсия газа с невероятно малой плотностью до 10–18 плотности земной атмосферы. Это облако простирается вплоть до соседних с нами галактик. А ближайшая к нам галактика Андромеды находится на расстоянии 1,5 млн световых лет.

Где же наше место в ГМП? Солнце, представляющее собой небольшую звезду с радиусом около 700 тыс. км, среднего возраста типа желтого карлика, располагается в 3/5 от центра галактики в пределах главного диска. То, что оно принадлежит ГМП, было установлено всего лишь 65 лет назад шведом Б. Линдбладом и голландцем Я. Оортом.

С Земли как одной из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца, мы видим звезды Млечного Пути в виде арки, пересекающей небосвод,

т. к. мы смотрим на край ГМП из ее срединной области. В 1610 г. Галилей насчитал в Млечном Пути всего 6 тыс. звезд, а сейчас их насчитывается более 100 млрд. Ближайшая к нам звезда, не считая Солнца, — Альфа Центавра — четыре световых года. Все звезды ГМП медленно вращаются вокруг галактического центра и Земля уже облетела центр Галактики 25–30 раз. Солнце с планетами совершает один оборот вокруг центра ГМП за 250 млн лет со скоростью 240 км/с. Галактический год играет важную роль в периодизации геологической истории Земли.

Чтобы попытаться более наглядно представить шкалу времени, в рамках которой мы оперируем космическими терминами, воспользуемся шкалой Мейерса (1986).

15 млрд лет = 24 часа = 1 сутки.

Это время, прошедшее после начала Большого Взрыва (по современным представлениям — 14–15 млрд лет).

1.Спустя 4 с в полночь образовались устойчивые атомы.

2.Через 4–5 часов возникли галактики и звезды.

3.Через 18 часов образовалась Солнечная система.

4.Через 20 часов появились первые формы жизни.

5.Через 22 часа 30 минут первые позвоночные вышли на сушу.

6.В период 22 часа 30 минут — 23 часа 56 минут существовали динозавры.

7.За 10 с до полуночи появились первые человекообразные.

8.За 0,001 с до полуночи произошла «промышленная революция».

1.2.СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

В центре нашей планетной системы находится звезда — Солнце, в котором сосредоточено 99,866 % всей массы системы. На все девять планет и десятки их спутников приходится только 0,134 % вещества системы. В то же время 98 % момента количества движения, т. е. произведения массы на скорость и радиус вращения, сосредоточено в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 тыс. астероидов, или малых планет, и около 1011 комет, а также огромное количество мелких обломков — метеоритов.

1.2.1. Солнце и его параметры

Солнце — это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в ГМП. Солнце имеет диаметр ~1,4 млн км (1 391 980 км), массу, равную 1,98 1033 км, и плотность 1,4 г/см3 (хотя в центре она может достигать 160 г/см3).

Вструктуре Солнца различают внутреннюю часть, или гелиевое ядро,

сТ ~15 млн °С и давлением 300 млрд земных атмосфер, далее распола-