Основные данные о земле

Основы геологии

Учебное пособие для студентов специальности

«Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»

Березники 2008

УДК 551.1/.4.

ББК 26.3

Б 43

Рецензенты:

доктор геолого-минералогических наук И.И.Чайковский

(Горный институт УрО РАН),

кандидат технических наук Б.В.Титов

(БФ Пермс. гос. техн. ун-та)

Белкин, В.В.

Б43 Основы геологии: учеб. пособие/ В.В.Белкин.- Перм. гос. техн. ун-т. – Березниковский филиал, 243 с.

ISBN

Изложено содержание курса «Геология», контрольные вопросы, рекомендуемая литература для студентов специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» при изучении основ геологии.

УДК 551.1/.4.

ББК 26.3

Б 43

ã ГОУ ВПО

«Пермский государственный технический университет», 2008

ISBN

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение……………………………………………………......................………8

Часть I. Основные данные о Земле и земной коре…........................……… 13

· Глава 1. Форма, размеры и строение Земли…...................……. 13

o 1.1. Форма и размеры Земли…………….......................……13

o 1.2. Внутреннее строение Земли………......................…......15

o 1.3. Термодинамические условия………......................……18

§ Плотность. Давление. Ускорение силы тяжести ......18

§ Магнетизм. Магнитное поле Земли. Тепловой режим Земли ……………………...........................................19

§ Температура внутри Земли. Средний химический состав Земли………………......………………21

· Глава 2. Вещественный состав земной коры…………………..25

o 2.1. Химический состав земной коры………………………25

o 2.2. Минералы………………………………………………..25

§ Физические свойства минералов….............................27

§ Оптические свойства минералов….............................28

§ Механические свойства минералов.............................29

§ Классификация минералов и их описание..................30

§ Классы самородных элементов и сульфидов ..30

§ Класс галоидных соединений…………………31

§ Класс оксидов и гидроксидов…………………32

§ Класс карбонатов………………………………34

§ Класс сульфатов………………………………..35

§ Класс фосфатов……………...............................34

§ Класс силикатов………………………………..36

o 2.3. Горные породы………………………………………….40

§ Наиболее распространенные магматические породы. Нормальный ряд…………………………………...43

§ Щелочной ряд…………………………………………46

§ Осадочные горные породы…………..........................47

§ Метаморфические горные породы ………………….54

§ Породы регионального метаморфизма……………...55

· Глава 3. Строение земной коры, мантии и ядра Земли…....…58

o 3.1. Строение земной коры …………………………………58

§ Континентальный тип земной коры............................58

§ Океанская кора………………………………………..60

o 3.2. Состав и состояние вещества мантии и ядра Земли.....61

Часть II. Геологические процессы…………………………………………...66

Экзогенные процессы…………………………………………….....................66

· Глава 4. Выветривание…………………………………………...66

o 4.1. Физическое выветривание………………......................66

o 4.2. Химическое выветривание …………………………….69

§ Окисление……………………………………………..69

§ Гидратация…………………………………………….70

§ Растворение…………………………………………....70

§ Гидролиз ………………………………………………70

o 4.3. Кора выветривания……………………….......................71

o 4.4. Кора выветривания и полезные икопаемые…....….…..76

o 4.5. Почвы и почвообразование…………….........................76

· Глава 5. Геологическая деятельность ветра……………..…….79

o 5.1. Перенос……………………………………………..……80

o 5.2. Аккумуляция и эоловые отложения……………….…. 80

§ Формы эолового песчаного рельефа……………..… 82

· Глава 6. Геологическая деятельность поверхностных текучих вод……………….........................................................................85

o 6.1. Плоскостной склоновый сток………………..………...85

o 6.2. Деятельность временных русловых потоков………….86

o 6.3. Деятельность рек…………………………………..……88

§ Речная эрозия ………………………………...……….89

§ Перенос……………………………..............................90

§ Аккумуляция…………………………………...….…...91

o 6.4. Строение пойм и фациальный состав аллювия …........92

o 6.5. Цикловые эрозионные врезы и надпойменные речные террасы…………………………………….........…………93

o 6.6. Устьевые части рек………………………..……………95

o 6.7. Теоретическое и практическое значение деятельности рек………………......……………………………… 97

· Глава 7. Геологическая деятельность подземных вод…........101

o 7.1. Виды воды в горных породах…………………….…..101

§ Водноколлекторские свойства горных пород ….....101

o 7.2. Происхождение подземных вод………..…………… 104

o 7.3. Классификация подземных вод………………………105

o 7.4. Грунтовые воды и их режим …………………………106

o 7.5. Напорные подземные воды …………..........................109

o 7.6. Общая минерализация и химический состав подземных вод………………....................……………………….111

o 7.7. Минеральные воды …………………………………...114

o 7.8. Карстовые процессы…………………......................... 115

o 7.9. Оползневые процессы…………………………………118

· Глава 8. Геологическая деятельность ледников......................122

o 8.1. Типы ледников…………………………...…………… 122

§ Антарктический ледник……………………………..122

§ Гренландский ледник………………………………..123

§ Горные ледники…………………...............................124

o 8.2. Движение ледников…………………………...……… 125

o 8.3. Ледниковое разрушение и осадкообразование.....…..126

o 8.4. Переносная и аккумулятивная деятельность ледников…………………………………………………………...127

§ Отложенные морены……………...............................128

o 8.5. Флювиогляциальные или водно-ледниковые отложения……………………………............................................130

o 8.6.Отложения в перигляциальных областях…….............132

§ Зандры ……………………………………………….132

§ Лимногляциальные………………………………….132

§ Лессы............................................................................133

· Глава 9. Геологическая деятельность океанов и морей ....…135

o 9.1. Основные особенности подводного рельефа океанов и морей...............................................................................135

o 9.2. Химические и физические свойства вод океанов и морей……….......................…........................................137

o 9.3. Органический мир океанов и морей………………….139

o 9.4. Разрушительная деятельность моря………………….142

o 9.5. Образование осадков в океанах и морях и их генетические типы………………………………………………..144

§ Генетические типы донных осадков…................….145

§ Типы рифов…………………………………………..150

§ Вулканогенные осадки………...................................151

o 9.6. Диагенез и последиагенетические изменения осадочных пород …………………………………………………154

o 9.7. Понятие о фациях…………………….......................... 157

Эндогенные процессы…………………………..…………….........................160

· Глава 10. Магматизм……………………………….……………160

o 10.1. Понятие о магме…………………………………….. 160

o 10.2. Интрузивный магматизм…………………….………163

o 10.3. Вулканизм…………………………………….………167

§ 10.3.1. Продукты извержения вулканов…….......…167

§ 10.3.2. Типы вулканических построек……….……171

§ 10.3.3. Типы вулканических извержений…………173

§ 10.3.4. Поствулканические явления ……........……175

§ 10.3.5. Географическое распространение современных вулканов и проблема магматических очагов…………….............................…….177

· Глава 11. Метаморфизм…………………………...…………… 180

o 11.1. Факторы метаморфизма …………………………….180

o 11.2. Основные типы метаморфизма…………………….. 181

o 11.3. Понятие о фациях метаморфизма….......................... 183

· Глава 12. Современные и новейшие тектонические движения и методы их изучения ………….....................................…185

o 12.1. Современные вертикальные движения……........…..186

o 12.2. Современные горизонтальные движения .......……..186

o 12.3. Новейшие движения и методы их изучения..............188

· Глава 13. Тектонические нарушения………………………….194

o 13.1. Деформации и нарушения …………………………..195

o 13.2. Складчатые нарушения ……………………………..197

o 13.3. Разрывные нарушения……………………………….202

§ Основные типы тектонических разрывов................ 203

§ Сочетание разрывов и их соотношение со складчатостью………….......................................................205

§ Соляная тектоника………………..............................207

· Глава 14. Землетрясения……………………………………….. 209

o 14.1. Очаг, сейсмические волны, магнитуда и энергия землетрясений…………………………………………………….209

o 14.2. Географическое распространение и тектонический контроль землетрясений…………......……….213

o 14.3. Сейсмическое районирование и прогноз землетрясений…………………………………………………….215

· Глава 15. Основные структурные элементы земной коры...........................................................................................................218

Часть III. Основы исторической геологии ………………………………..225

· Глава 16. Относительная и абсолютная геохронология и методы реконструкции геологического прошлого………...............225

o 16.1. Относительная геохронология………………………227

o 16.2. Абсолютная геохронология …………………………230

o 16.3. Периодизация истории земли и международные геохронологическая и стратиграфическая шкалы…............…...232

o 16.4. Местные стратиграфические подразделения…………………………………………………….235

o 16.5. Восстановление физико-географических обстановок геологического прошлого…..................................... 236

o 16.6. Тектонические движения геологического прошлого и взаимоотношения пластов горных пород………………………………………………………………240

o 16.7. История развития земной коры……..........................242

ВВЕДЕНИЕ

Геология (греч. "гео" - земля, "логос" - учение) - одна из важнейших наук о Земле. Она занимается изучением состава, строения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук – математики, физики, химии, биологии, географии. Значительный прогресс в указанных областях наук и геологии ознаменовался появлением и развитием важных пограничных наук о Земле – геофизики, геохимии, биогеохимии, кристаллохимии, палеогеографии, позволяющих получить данные о составе, состоянии и свойствах вещества глубоких частей земной коры и оболочек Земли, расположенных ниже. Особо следует отметить многостороннюю связь геологии с географией (ландшафтоведением, климатологией, гидрологией, гляциологией, океанографией) в познании различных геологических процессов, совершающихся на поверхности Земли. Взаимосвязь геологии и географии особенно проявляется в изучении рельефа земной поверхности и закономерностей его развития. Геология при изучении рельефа использует данные географии, так же как и география опирается на историю геологического развития и взаимодействия различных геологических процессов. Вследствие этого наука о рельефе – геоморфология – фактически является также пограничной наукой.

По геофизическим данным в строении Земли выделяется несколько оболочек: земная кора, мантия и ядро Земли. Предметом непосредственного изучения геологии являются земная кора и подстилающий твердый слой верхней мантии - литосфера (греч. "литос" - камень). Сложность изучаемого объекта вызвала значительную дифференциацию геологических наук, комплекс которых совместно с пограничными науками (геофизикой, геохимией и др.) позволяет получить освещение различных сторон его строения, сущность совершающихся процессов, историю развития и др.

Одним из нескольких основных направлений в геологии является изучение вещественного состава литосферы: горных пород, минералов, химических элементов. Одни горные породы образуются из магматического силикатного расплава и называются магматическими или изверженными, другие – путем осаждения и накопления в морских и континентальных условиях и называются осадочными; третьи – за счет изменения различных горных пород под влиянием температуры и давления, жидких и газовых флюидов и называются метаморфическими.

Изучением вещественного состава литосферы занимается комплекс геологических наук, объединяющихся часто под названием геохимического цикла. К ним относятся: петрография (греч. "петрос" - камень, скала, "графо" - пишу, описываю), или петрология - наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их состав, структуру, условия образования, степень изменения под влиянием различных факторов и закономерность распределения в земной коре. Литология (греч. "литос" - камень) – наука, изучающая осадочные горные породы. Минералогия - наука, изучающая минералы: природные химические соединения или отдельные химические элементы, слагающие горные породы. Кристаллография и кристаллохимия занимаются изучением кристаллов и кристаллического состояния минералов. Геохимия – обобщающая синтезирующая наука о вещественном составе литосферы, опирающаяся на достижения указанных выше наук и изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на ее поверхности. С рождением изотопной геохимии в геологии открылась новая страница в восстановлении истории геологического развития Земли.

Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы – непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме – лавовых потоках. Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150–200 км. Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы и другие, физические и химические исследования – рентгеноструктурные, спектро-графические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.

Следующим направлением геологической науки является динамическая геология, изучающая разнообразные геологические процессы, формы рельефа земной поверхности, взаимоотношения различных по генезису горных пород, характер их залегания и деформации. Известно, что в ходе геологического развития происходили многократные изменения состава, состояния вещества, облика поверхности Земли и строения земной коры. Эти преобразования связаны с различными геологическими процессами и их взаимодействием. Среди них выделяются две группы: 1) эндогенные (греч. "эндос" - внутри), или внутренние, связанные с тепловым воздействием Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, с гравитационной энергией и ее неравномерным распределением; 2) экзогенные (греч. "экзос" - снаружи, внешний), или внешние, вызывающие существенные изменения в поверхностной и приповерхностной частях земной коры. Эти изменения связаны с лучистой энергией Солнца, силой тяжести, непрерывным перемещением водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной коры, с жизнедеятельностью организмов и другими факторами. Все экзогенные процессы тесно связаны с эндогенными, что отражает сложность и единство сил, действующих внутри Земли и на ее поверхности.

В область динамической геологии входит геотектоника (греч. "тектос" - строитель, структура, строение) – наука, изучающая структуру земной коры и литосферы и их эволюцию во времени и пространстве. Частные ветви геотектоники составляют: структурная геология, занимающаяся формами залегания горных пород; тектонофизика, изучающая физические основы деформации горных пород; региональная геотектоника, предметом изучения которой служит структура и ее развитие в пределах отдельных крупных регионов земной коры. Важными разделами динамической геологии являются сейсмология (греч. "сейсмос" - сотрясение) - наука о землетрясе-ниях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами.

История геологического развития земной коры и Земли в целом является предметом изученияисторической геологии, в состав которой входит стратиграфия (греч. "стратум" - слой), занимающаяся последова-тельностью формирования толщ горных пород и расчленением их на различные подразделения, а также палеогеография (греч. "паляйос" - древний), изучающая физико-географические обстановки на поверхности Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры. Расчленение толщ горных пород и установление относительного геологического возраста слоев невозможны без изучения ископаемых органических остатков, которым занимается палеонтология, тесно связанная как с биологией, так и с геологией. Следует подчеркнуть, что важной геологической задачей является изучение геологического строения и развития определенных участков земной коры, именуемых регионами и обладающих какими-то общими чертами структуры и эволюции. Этим занимается обычно региональная геология, которая практически использует все перечисленные ветви геологической науки, а последние, взаимодействуя между собой, дополняют друг друга, что демонстрирует их тесную связь и неразрывность. При региональных исследованиях широко используются дистанционные методы, когда наблюдения осуществляются с вертолетов, самолетов и с искусственных спутников Земли.

Косвенные методы познания, в основном глубинного строения земной коры и Земли в целом, широко используются геофизикой - наукой, основанной на физических методах исследования. Благодаря различным физическим полям, применяемым в подобных исследованиях, выделяются магнитометрические, гравиметрические, электрометрические, сейсмометрические и ряд других методов изучения геологической структуры. Геофизика тесно связана с физикой, математикой и геологией.

Одна из важнейших задач геологии – прогнозирование залежей минерального сырья, составляющего основу экономической мощи государства. Этим занимается наука о месторождениях полезных ископаемых, в сферу которой входят как рудные и нерудные ископаемые, так и горючие – нефть, газ, уголь, горючие сланцы. Не менее важным полезным ископаемым в наши дни является вода, особенно подземная, происхождением, условиями залегания, составом и закономерностями движений которой занимается наука гидрогеология (греч. "гидер" - вода), связанная как с химией, так и с физикой и, конечно, с геологией.

Важное значение имеет инженерная геология - наука, исследующая земную кору в качестве среды жизни и разнообразной деятельности человека. Возникнув, как прикладная ветвь геологии, занимающаяся изучением геологических условий строительства инженерных сооружений, эта наука в наши дни решает важные проблемы, связанные с воздействием человека на литосферу и окружающую среду. Инженерная геология взаимодействует с физикой, химией, математикой и механикой, с одной стороны, и с различными дисциплинами геологии – с другой, с горным делом и строительством – с третьей. За последнее время оформилась как самостоятельная наука геокриология (греч. "криос" – холод, лед), изучающая процессы в областях развития многолетнемерзлых горных пород "вечной мерзлоты", занимающих почти 50% территории РФ. Геокриология тесно связана с инженерной геологией.

С начала освоения космического пространства возникла космическая геология ,или геология планет. Освоение океанских и морских глубин привело к появлению морской геологии, значение которой быстро возрастает в связи с тем, что уже сейчас почти треть добываемой в мире нефти приходится на дно акваторий морей и океанов.

Разработка теоретических проблем геологии сочетается с решением ряда народнохозяйственных задач: 1) поиск и открытия новых месторождений различных полезных ископаемых, являющихся основной базой промышленности и сельского хозяйства; 2) изучение и определение ресурсов подземных вод, необходимых для питьевого и промышленного водоснабжения, а также мелиорации земель; 3) инженерно-геологическое обоснование проектов возводимых крупных сооружений и научный прогноз изменения условий после окончания их строительства; 4) охрана и рациональное использование недр Земли.

Познание всех закономерностей эволюции Земли, ее происхождения и развития исключительно важно в контексте общего материалистического понимания природы, в тех философских построениях, которые отражают единство мира. В этом заключается общенаучное значение геологии.

В основу данного учебного пособия положен курс геологии, читаемый на геологическом факультете МГУ – "Короновский Н.В., Якушова А.Ф. Основы геологии. Учебное издание. М., Высшая школа,1991". Из курса удалена глава "Геологические процессы в областях распространения многолетнемерзлых горных пород", сокращены главы, посвященные истории развития Земли и добавлены некоторые современные сведения.

Часть 1.

ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ О ЗЕМЛЕ

И ЗЕМНОЙ КОРЕ

Земля, имея форму геоида – эквипотенциальной поверхности, сила тяжести к которой повсеместно направлена перпендикулярно, обладает неоднородностью физических свойств и дифференцированностью состава сферических оболочек: земной коры, мантии, внешнего и внутреннего ядра. Земная кора и верхняя часть верхней мантии, образующие твердую литосферу, подстилаются пластичной астеносферой, играющей важную роль в глубинных геологических процессах. Химический состав Земли близок к среднему химическому составу метеоритов, а состав сферических оболочек резко неоднороден и изменяется с глубиной.

Глава 1.