Геология как наука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геология как наука

Вступление

Геология - комплекс наук о земной коре и более глубоких сферах Земли, в узком смысле слова - наука о составе, строении, движении и истории развития земной коры, размещении в ней полезных ископаемых.

Так выглядит современное определение геологии. Однако, как и большинство важнейших естественных наук, геология берет свое начало в глубокой древности, наверное, с самого появления человека. Возникновение геологии связано с удовлетворением насущных потребностей людей: в жилище, его обогреве, в успешной охоте. Ведь надо знать свойства горных пород, чтобы научиться применять их. Так же необходимо уметь добывать горные породы, различать их и открывать новые месторождения. Для решения связанных с этим задач и необходимы геологические знания. Но изучение минералов для удовлетворения потребностей человека - это лишь корни геологии. В те давние времена ее еще сложно именовать наукой, т.к. люди не обобщали знания, не записывали их, не развивали, а лишь накапливали и применяли на практике.

Однако постепенно геология развивалась. Во времена античности уже зарождалось представление о минералах и геологических процессах, но только в рамках натурфилософии. Как науку геологию можно рассматривать с начала XIX века [12]. Для этого этапа ее развития характерно обобщение накопленных знаний, создание научных гипотез и поиск их доказательств; использование новых методов исследования, разработанных другими науками, например, химией и физикой. Благодаря всему этому геология становится важной частью системы наук, помогающих человеку осуществлять научно-технический прогресс, удовлетворять его потребности, изучать и использовать природу. На этом этапе геология уже исследует очень сложные вопросы строения веществ, составляющих нашу планету, изучает историю развития Земли и одновременно решает практические проблемы. Это разведка и добыча полезных ископаемых, их переработка и использование, применение земных богатств в повседневной жизни.

Как мы видим, геология очень важна для современного человека, она имеет древнюю историю и изучает широкий спектр вопросов о природе, имеет большую практическую направленность.

Об истории, методах исследования и о будущих перспективах этой важной и очень интересной науки я написал в своей работе, основная цель которой описать геологию как науку.

Для достижения цели определены следующие задачи:

1.) Описать историю геологии, выделить основные особенности науки в различные периоды ее развития.

2.) Рассказать о методах исследования, применяемых в геологии.

3.) Объяснить значение геологии в современном мире.

4.) Показать важность связи геологии с другими науками.

5.) Рассказать о будущих перспективах развития геологии.

1. История геологии

геология наука знание

По моему мнению, чтобы понять какую-либо науку, необходимо знать, зачем она возникла, как развивалась, что новое появлялось в ней со временем. Эти вопросы наиболее полно раскрываются при изучении развития науки. Поэтому я решил начать свою работу с описания истории геологии.

Раскрывая историю геологии, я хочу выделить особенности ее развития в разные периоды, рассказать об основных идеях и открытиях, объяснить их смысл и значение и описать итоги достигнутого наукой.

Историю геологии обычно делят на два этапа - донаучный и научный. Их в свою очередь подразделяют на периоды. Именно по такой схеме я описал историю геологии.

1.1 Донаучный этап (с древности до середины XVIII века)

Период становления человеческой цивилизации (с древнейших времен до V в. до н.э.)

В этот период люди накапливали самые первые сведения об окружающем мире. Как я уже говорил, сначала люди удовлетворяли свои важнейшие потребности при помощи различных горных пород, и для более полноценного применения требовалось изучить их свойства, места распространения и способы добычи. Начало изучения, связанных с этим вопросов, мы уже можем рассматривать как зарождение науки геологии.

Сейчас мы не можем точно сказать что значил камень для древних людей, мы можем лишь рассмотреть следы применения различных горных пород при раскопках стоянок древних людей и сделать свои выводы о применении ими минералогических богатств планеты. Как и наши предположения о необходимости для древних людей горных пород, так и результаты раскопок, говорят о том, что человек использовал камень, чуть ли не сразу после своего появления. Ведь применение орудий труда и отличает человека от обезьяны. Возможно, конечно, что самым примитивным орудием труда первоначально служила деревянная палка, но когда человек обнаружил такие свойства камня, как острота и твердость, он начал использовать острые куски кварца и кремния для своих нужд. Такой вывод о свойствах камней уже является примером накопления геологических знаний. Археологи находят на местах стоянок древних людей не только простые острые камни, но и каменные топоры, наконечники стрел. Несколько позже люди стали применять металлы для изготовления орудий труда. А ведь их поиск и выплавка требуют от человека еще больше знаний и умений.

Потребность человечества в минеральном сырье еще больше возросла с началом массового строительства городов, с развитием ремесел.

К концу периода человек уже занимался добычей и переработкой самородных меди, железа, золота, серебра, олова и других металлов. Глина широко применялась для строительства жилья и изготовления гончарных изделий. Драгоценные камни использовались для изготовления ювелирных украшений [3].

Так в древности уже начинается накопление некоторых знаний о свойствах горных пород, их добыче и применении.

Теоретическая ветвь геологии пополняется многочисленными гипотезами о происхождении и строении Земли. Однако в них всегда присутствует вымысел, т.к. древние не могли объяснить многие явления природы [3].

В период становления человеческой цивилизации люди используют для дальнейшего совершенствования умений обращения с камнем лишь опыт предыдущих поколений. Человек еще не обобщает знания, что является важной характеристикой периода.

При переходе к античному периоду развития геологии люди уже знали множество примет для поиска месторождений полезных ископаемых, обладали практическими навыками их использования. Для будущих поколений была создана база геологических знаний.

Античный период (V в. до н.э. - V в. н.э.)

В античный период геология развивалась в основном в Греции и в Римской империи. Первоначальный запас знаний о свойствах и применении горных пород в это время уже существовал, однако эти знания в основном имели практическое значение: добыча и использование минералогических богатств планеты. Но поскольку в античные времена люди уже рассуждали о жизни, интересовались устройством мира, то геологические знания стали пополнятся более логическими объяснениями различных явлений и гипотезами их происхождения. Выводы делались на основе осмысления и переработки данных, полученных при наблюдениях. Были более правдоподобными и обоснованными.

Практическое направление геологии так же продолжало развиваться. Важным как для людей того времени, так и для нас стало, то, что в античный период многие наблюдения и гипотезы записывались. Эти сведения стали служить будущим поколениям, а мы по ним можем судить о развитии науки, в т.ч. и геологии, того времени.

Достижениями античных ученых-философов можно считать, например, вывод о том, что раньше на месте некоторых областей суши было море. Данный вывод был сделан Ксенофаном на основе нахождения морских раковин в земле. Так же в период античности уже предполагали, что наша планета шарообразная. Такое предположение было сделано на основании наблюдений земной тени на Луне во время лунного затмения. Тень имеет круглую форму, соответственно - отбрасывается круглым или шарообразным телом. А Эратосфен даже вычислил длину окружности Земли. Полученные им результаты лишь незначительно отличались от современных данных.

Большой вклад в развитие геологии внёс древнегреческий ученый и философ Аристотель. Он предлагал картину шарообразной Земли, внутри которой находятся полости и каналы, в которых циркулируют вода и воздух. Их перемещениями ученый объяснял происходящие на поверхности землетрясения. Интересно, что такая система взглядов соответствует природе Греции, для которой характерны карстовые полости, частые землетрясения. Аристотель внес в науку и некоторые минералогические сведения: составил первую классификацию ископаемых, разделив их на руды, камни и земли.

Плиний Старший, кроме землетрясений, выделял медленные вертикальные движения земли.

Страбон высказывал идею о вулканическом происхождении острова Сицилия [3].

Именно в период античности были созданы две основные гипотезы формирования Земли. Это плутонизм и нептунизм. Эти гипотезы существовали много веков и равноправно принимались многими великими людьми [12].

Плутонизм - это система взглядов, в основу которой входит понимание внутренних геологических сил Земли, как основных факторов формирования ее поверхности и недр. Нептунизм же подразумевает, что все горные породы образовались из вод океана при кристаллизации растворов. Воздействие внутренних сил Земли отвергается.

Борьба этих гипотез принесла большую пользу геологии, ведь для поиска их доказательств проводилось много исследований. Сейчас мы знаем, что победили сторонники идеи формирования Земли под действием ее внутренних сил (плутонисты). Однако доказано, что минералы могут образовываться и из водных растворов.

В античный период также были усовершенствованы способы применения геологических знаний на практике. Для обработки металлов стали использовать ковку. А добычу полезных ископаемых стали осуществлять с применением шахт вместо открытых карьеров [3].

Таким образом, античный период принес геологии множество полезных знаний. Было положено начало теоретической ветви геологии, записаны результаты наблюдений, что позволило в будущем отталкиваться от этих достижений.

Следующий период развития геологии был труден не только для нее. Эпоха средневековья характеризовалась застоем науки вообще. Но все-таки знания о Земле продолжали развиваться.

Схоластический период

Схоластический период длился с V по XV вв. в Западной Европе. В других странах он продолжался с VII по XVII вв. С падением Римской Империи научные знания прекращают свое стремительное развитие в ее пределах. Греция уже не являлась центром научных идей. Однако и в Западной Европе наука развивалась слабо. Естествознание в это время переходит к ученым Средней Азии, но об их исследованиях сохранилось очень мало данных. До нас дошли лишь некоторые их труды [12].

Ибн-Сина (или Авиценна) объяснял изменение земной поверхности двумя причинами. Одна - это воздействие внутренних сил Земли (под ними ученый подразумевал ветер, дующий в подземных пустотах). Благодаря этим силам земная поверхность поднимается, образуя возвышенность. Другая причина - внешние (метеорологические, гидросферные и др.) воздействия, разрушающие участки поверхности планеты, создающие углубления. В этой гипотезе даже учитывалось, что плотность составляющих поверхности, разрушающейся извне, различна. Тогда на месте рыхлых пород образуется понижение рельефа, на месте твердых - его повышение, т.к. вокруг них породы выветриваются сильнее.

Ибн-Сина также предполагал, что море неоднократно наступало на сушу и снова отступало. Свидетельством этого он видел нахождение в горах слоев различных горных пород. Ученый полагал, что когда суша освободилась от моря, реки промыли в ней долины, т.о. образовался современный ему рельеф.

Ибн-Синой была создана новая классификация минералов и горных пород. Он разделил их на камни, плавкие тела (металлы), горючие серные вещества и соли. Классификацию переняли европейцы, и она просуществовала достаточно долго.

Другой ученый Средней Азии - Бируни описал более 100 минералов и назвал их месторождения. Он также научился определять удельный вес минералов, сделав это почти на 700 лет раньше европейцев.

Некоторые другие азиатские исследователи продолжали развивать идеи античных представлений о мире.

Причиной медленного развития геологии в Европе явилось влияние церкви. Она вмешивалась в науку с библейской картиной мира и его происхождения. А поскольку геологи предлагали не соответствующее библейскому мировоззрение, их учения и труды подвергались критике или даже запрещались. Из-за этого возникло множество неверных гипотез, ложных учений. Произошло даже некоторое отставание науки от античной. Например, о найденных в земле останках ископаемых живых организмов говорили, будто это игра природы или пример самозарождения жизни, т.к. по церковному учению жизнь создана Богом в таком виде, в каком она есть сейчас, а находками были ныне не существующие организмы. Также вводились ложные учения о том, что Земля является прямоугольником, а звезды на небе передвигают ангелы.

Некоторые ученые в Европе, игнорируя церковь, предлагали свои идеи о мире. Но они лишь заимствовали античное мировоззрение [3].

Однако, несмотря на торможение развития теоретической геологии ее практическая направленность (прикладная геология) развивалась более успешно, особенно в Европе. Это было связано с развитием человечества, и как следствие, с возрастанием потребностей в минеральном сырье.

Строительство городов требовало природного материала для создания зданий. Возрастание числа городских ремесленников, нуждавшихся в материале для своих изделий, часто изготавливаемых из камня, также способствовало развитию горнорудного дела. Следствием этих факторов стало увеличение количества полезных ископаемых, извлекаемых людьми из земных недр [3].

Период возрождения (с XV-XVII вв. до середины XVIII в.)

Период был подготовлен эпохой великих географических открытий. Путешествия Колумба, Магеллана, Васко да Гама способствовали накоплению большого материала о всей поверхности Земли [3]. Так, во время кругосветного путешествия Магеллана было окончательно доказано, что наша планета имеет шарообразную форму. Гипотезы ученых периода возрождения становятся настолько убедительными, подтверждаются такими неоспоримыми фактами, что церковь отступает перед наукой.

В период возрождения Николай Коперник, Галилео Галилей и Джордано Бруно утвердили гелиоцентрическую модель мира [12].

Как известно, в эпоху Возрождения происходит духовный подъем человечества. Хотя влияние церкви еще сохранялось, ее учения перестают быть единственным толкованием мира. Люди начинают верить науке.

Поскольку города продолжали расти, техника развивалась, добыча богатств Земли становилась более быстрой и эффективной. Увеличилось и количество разрабатываемых месторождений.

Конечно, во время добычи полезных ископаемых люди накапливали знания о свойствах горных пород, об особенностях их залегания, о строении земной коры. Обобщение этого материала приводило к важным теоретическим выводам.

Среди людей, внесших вклад в геологию во времена периода возрождения, следует выделить немецкого ученого Георга Бауэра (или Агриколу). Он обобщил все достижения горняков Западной Европы. Ученый описал способы прокладки шахт, их особенности. Также Агриколой впервые было установлено отличие минералов от горных пород. Ученый описал свойства множества минералов, что позволило другим геологам определять минералы. Агрикола занимался и изучением кристаллов.

Знаменитый Леонардо-да-Винчи тоже внес в науку, некоторые геологические сведения. Например, он высказал идею о том, что горные породы могут располагаться пластами, залегающими горизонтально, или в виде складок. Также Леонардо считал находки древних вымерших организмов действительно их останками, а не игрой природы, в противоположность ученым схоластического периода.

В период возрождения вклад в геологию внесла Россия. Поиск месторождений широко организовывался правительством. В 1584 г. был создан приказ Каменных дел. В пределах Российской империи добывалось множество полезных ископаемых. Они также экспортировались в другие страны.

Датчанин Нильс Стено основал стратиграфию и открыл первый закон кристаллографии о постоянстве углов кристаллов, сделал первое научное обобщение-сводку по земному магнетизму [3].

Закончился донаучный этап развития геологии. Уже было накоплено достаточно материала о Земле. Его необходимо было лишь обобщить и дополнить теоретическими выводами. В научный этап, вооружившись новыми технологиями, духовными силами человечество стало решать эту задачу. Но конечно, донаучный этап развития геологии не мог мгновенно смениться научным. Поэтому в ее истории выделяют также переходный период.

1.2 Переходный период (вторая половина XVIII в.)

Переходный период в развитии геологии характеризуется тем, что в это время одновременно встречаются как старые учения донаучного периода, так и научные обобщения. Накопленные донаучным этапом геологические знания систематизируются и, таким образом, в переходный период происходит становление геологии как науки.

Важным отличием переходного периода от донаучного стало то, что в это время в геологии утвердилась идея об изменчивости мира, тогда как раньше большинство ученых считало, что мир всегда существовал в неизменном виде. Идею развития Земли высказывали многие ученые переходного периода, но в первую очередь она связана с именами Ж. Бюффона, И. Канта и М.В. Ломоносова. В своих трудах они рассматривали всю историю Земли, от ее происхождения и до современного состояния, как единую картину мира. По мнению этих ученых Земля постоянно изменялась [3].

Достижением геологии стала классификация диагностических признаков минералов, разработанная Вернером. Он также исследовал рудные полезные ископаемые и предложил систему стратиграфической последовательности горных пород. В развитии теоретической геологии ученый сыграл скорее отрицательную роль: он разработал схему формирования горных стран на идеях нептунизма.

В противоположность А.Г. Вернеру Джеймс Геттон доказывал теорию плутонизма, говоря о решающем значении в формировании Земли ее внутренних сил [1].

Ученый И. Кант в 1755 г. выдвинул гипотезу происхождения Солнечной системы. Согласно ей элементарные частицы первоначально рассеянные во Вселенной, собирались в сгустки под действием взаимного притяжения. При сжатии и раскаливании одного из сгустков вещества образовалось Солнце. Вокруг него собрались туманности, в которых возникли планеты, в т.ч. Земля. Ж. Бюффон создал гипотезу развития Земли. Он считал, что когда наша планета затвердела, она покрылась океанами. Благодаря движениям вод в них образовались неровности дна. Возвышенности стали материками при отступании воды. Период существования Земли Бюффон определял в 75 тыс. лет. Сейчас нам кажется, что это очень малый срок, однако богословы подвергли критике гипотезу Бюффона, т.к. по библейскому учению Земля существует 6000 лет [3].

Итак, к началу XIX века геология сформировалась как наука. Следующий этап ее развития - научный, пополнил знания людей о Земле новейшими сведениями.

1.3 Научный этап развития геологии (с XIX века до настоящего времени)

Героический период (первая половина XIX века)

С началом периода связано появление биостратиграфического метода. Он позволял определять относительный возраст горных пород по сложности устройства находящихся в них останков древних организмов (данный метод подробнее описан мной в п. 2.1 настоящей работы).

В качестве самостоятельной дисциплины в геологии выделилась палеонтология. (см. п. 1.4.).

В начале XIX века К.Л. фон Бухом была выдвинута первая тектоническая гипотеза. В ней ученый рассматривал вулканизм, как ведущий процесс, формирующий горы. Гипотеза была подтверждена исследованиями А. Гумбольдта. Ее приняли многие ученые, и она играла важную роль в представлении людей о горообразовательных процессах.

Сведения, полученные о химическом составе минералов и о законах образования их кристаллов, позволили к концу героического периода создать химическую классификацию минералов. Эта классификация длительное время составляла основу минералогии.

В конце героического периода в геологию был внесен еще один важный вклад. Представители стратиграфии заметили, что в некоторых слоях горных пород между организмами, относящимися к разному геологическому времени, не обнаружена эволюционная связь. Т.е. у одних организмов не могли найти предков, у других потомков. Чтобы объяснить эти факты, ученые создали теорию катастроф. Теория включала в себя идею существования в истории Земли многочисленных катастроф, которые, по мнению ученых, периодически полностью уничтожали жизнь на планете, затем она возникала заново. Ч. Лайель впервые возразил против этого в своем труде «Основы геологии…» (1830-1833 гг.). Он писал, что органический мир развивался на Земле последовательно и постоянно. Однако идеи ученого были подтверждены и приняты лишь спустя 20 лет [1, 12].

В героический период геологами была решена еще одна задача. Давно стоял вопрос происхождения странных валунов, районы распространения которых удалены на тысячи километров от мест их находок. Объяснить этот факт позволила ледниковая теория, которая предполагала влияние многочисленных оледенений на земную поверхность. Впоследствии эта гипотеза не только доказала перенос валунов ледниками, но и была подтверждена сама, а эпохи оледенений стали считать частью истории Земли.

Итак, героический период недаром получил свое название. Геология действительно достигла огромных успехов. Итогами периода стало создание первых геологических обществ, национальных геологических служб в России, Англии, Франции. Также характерными для этого периода стали большой масштаб исследований и более организованный характер их проведения [1].

Геология стала самостоятельной дисциплиной естествознания. Появилась новая профессия - геолог.

Классический период (вторая половина XIX века)

В начале классического периода появилась книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора…». Она подтверждала гипотезу Ч. Лайеля. Поскольку гипотеза эволюционного развития жизни стала подтверждаться и находками организмов, являющихся переходным звеном между теми формами жизни, которые раньше считались несвязанными друг с другом, то геологи, наконец, отказались от катастрофизма. Они приняли теорию эволюции.

Период также характеризуется появлением гипотезы контракции, выдвинутой Эли де Бомоном. Ученый считал, что в процессе остывания Земли ее объем уменьшался, это приводило к появлению складок в земной коре. Так он объяснял происхождение гор. Кажущаяся внутренняя логичность гипотезы контракции и отсутствие ей альтернативы привело к тому, что эта идея закрепилась в геологии на весь классический период [1, 12].

В классический период возникло понятие о магме - жидком веществе, которое в некоторых случаях может образовываться в твердой земной мантии. В частности магма извергается через кратеры вулканов и, освобождаясь от газов, превращается в лаву. Дифференциацией магмы назвали процесс превращения ее в различные горные породы при застывании. Этим объяснялось происхождение многих горных пород.

Хочется отметить, что во второй половине XIX века в связи с развитием промышленности во многих странах увеличился и объем добычи полезных ископаемых. Мировая выплавка стали выросла с 500 тыс. до 28 млн. тонн, в 3 раза больше стала мировая добыча угля. Поскольку все страны нуждались в еще большем количестве минерального сырья, то их правительства выделяли большие средства на развитие геологии. Следствием этого стало появление геофизики, которая позволила изучать глубинное строение нашей планеты [4].

Можно также выделить, что в классический период многое было сделано для изучения геологического строения России. В 1882 г. был основан Геологический комитет России.

В классический период произошло значительное развитие петрографии. В руках специалистов о горных породах появился поляризационный микроскоп. С его помощью изучали тончайшие прозрачные пластинки горных пород - шлифы (оптическая петрография).

Из минералогии как самостоятельная дисциплина выделилась кристаллография.

Также было положено начало геологии нефти. Ее стали рассматривать как полезное ископаемое, были созданы гипотезы ее образования [1, 12].

Таким образом, классический период развития геологии принес этой науке много пользы. Геология стала играть важную роль среди естественных научных дисциплин.

Следующий период развития геологии - «критический», стал переломным этапом в развитии естествознания в целом. Почва для совершенных в «критический» период открытий была подготовлена геологическими достижениями классического периода.

«Критический» период» (первая половина XX века)

Этот период развития геологии, не случайно получил такое название. Стоит отметить, что его становление как «критического» периода обусловлено многочисленными новыми открытиями в разных областях науки. Это и успехи в познании микромира, и открытие рентгеновского излучения, естественной радиоактивности. Все это оказывало существенное влияние и на геологию [1, 12].

В начале периода произошло крушение гипотезы контракции. Вместо нее появились другие тектонические гипотезы. Наиболее соответствующей современным представлениям о Земле стала гипотеза дрейфа континентов, предложенная А. Вегенером. Она подразумевала, что земная кора состоит из целостных блоков - литосферных плит, которые двигаются относительно друг друга, а вместе с ними и материки (см. рис. 1). Гипотеза играла очень важную роль в геологии. Она объясняла процессы горообразования смятием земной коры при столкновении литосферных плит. Также этим объяснялись землетрясения и вулканизм. Гипотеза находила подтверждение в том, что горные области зоны землетрясений и вулканизма почти всегда совпадают - они соответствуют границам литосферных плит. Также гипотезу подтверждало и то, что восточное побережье Южной Америки соответствовало западному берегу Африки, т.е., если убрать Атлантический океан, приблизив Африку к Южной Америке, они бы составили единый континент, который и образовал эти материки, расколовшись в прошлом.

Однако, несмотря на такие веские доводы в пользу правильности гипотезы, она подвергалась критике и долго не принималась в геологии. Из-за неправдоподобности гипотеза была отклонена [9]. Основной же стала ундационная гипотеза. Она подразумевала формирование рельефа за счет вертикальных движений в земной коре [1].

В «критический» период происходит выделение геотектоники в отдельную научную дисциплину. Она оказала большое влияние на развитие теоретической и прикладной геологии. Раздел этой дисциплины учение о геосинклиналях - подвижных поясах на границах литосферных плит, также продолжал развиваться, объясняя многие особенности Земли.

В.А. Обручев, С.С. Шульц, Н.И. Николаев стали основателями геотектоники - дисциплины, изучающей тектонические движения недалекого прошлого и современности.

При помощи геофизических методов была создана модель оболочного строения Земли. В ней выделили ядро, мантию, земную кору. Как мы знаем, эти геосферы выделяются и современными учеными.

В петрографии стало интенсивно развиваться физико-химическое направление исследований и, как следствие, возникла кристаллохимия. Для изучения кристаллов стал применяться рентгеноструктурный анализ.

Продолжала развиваться геология горючих полезных ископаемых. Также появилось мерзлотоведение. К концу «критического» периода были составлены геологические карты разных территорий, были написаны труды, обобщающие геологические материалы для некоторых территорий.

Увеличилась потребность в полезных ископаемых, стали добываться и применяться новые их виды - урановые руды, нефть. Для поиска месторождений разрабатывались новые методы [1, 12].

Новейший период (1960-1990-е гг.)

В начале новейшего периода произошло техническое перевооружение геологии. Появились электронный микроскоп, электронно-вычислительные машины, масс-cпектрометр (определитель массы химических элементов). Стало возможным глубоководное бурение, изучение Земли из космоса.

Важным стало то, что Землю смогли исследовать, сравнивая ее с другими планетами. Также появилась возможность определения абсолютного возраста горных пород.

Значительных успехов достигла палеонтология - выведены новые группы ископаемых останков, закономерности развития живых организмов, выделены великие вымирания в истории биосферы.

В новейший период ученые стали решать некоторые проблемы геологии, например, вопросы минералогии, в лаборатории с помощью экспериментов.

Были открыты законы метасоматической зональности (особенностей залегания минералов, видоизмененных при взаимодействии с водными растворами) и создана теория различных типов литогенеза (пути превращения горных пород в метаморфические). Также в новейший период были созданы тектонические карты Евразии и палеогеографические карты мира.

В новейший период были приняты и продолжили развитие идеи мобилизма, в т.ч. гипотеза дрейфа континентов.

Палеонтологи выявили самые ранние этапы развития жизни на Земле.

С возникновением экологических проблем связано появление геотехнологии - науки, решающей задачи рационального использования недр нашей планеты. Также появилась экологическая геология.

В новейший период был разработан механизм спрединга. Он включал идею о том, что новая океаническая кора образуется в зонах выхода и застывания магмы. Таким зонам соответствуют срединно-океанические хребты. Затем новая кора продвигается к континентам и на границе континентальной земной коры заходит под нее. В этих местах образуются глубоководные желоба, а на континентах часто происходит образование гор [12].

Геология новейшего периода мало отличается от современной. Но на этом ее развитие не остановилось, оно продолжается в настоящем и будет продолжаться в будущем.

Как вывод к истории геологии я хочу выделить основные разделы науки, сформировавшиеся к настоящему времени.

1.4 Разделы геологии

К настоящему времени в геологии сформировались следующие основные разделы.

1. Динамическая или физическая геология. Этот раздел изучает современные геологические явления, изменяющие Землю на глазах людей (атмосфера, вода, флора и фауна, вулканизм).

2. Петрография или наука о горных породах. Этот раздел уже почти достиг размеров самостоятельной науки, ведь изучение свойств горных пород важно для их применения.

3. Палеонтология - наука об ископаемых живых организмах, составляет третий раздел геологии. Он изучает развитие, происхождение древних живых существ и даже восстанавливает их среду обитания.

4. Изучением последовательности и условий залегания различных горных пород, а также следов жизни в них занимается стратиграфия. Она относится к четвертому разделу геологии. Подразделяясь на петрографическую и палеонтологическую, стратиграфия занимает важное место в геологии - она охватывает изучение сразу множества закономерностей на Земле. О стратиграфии подробнее написано в п. 2.1. настоящей работы.

5. Историческая геология составляет пятый раздел науки о Земле. Она как бы подводит итоги всем исследованиям нашей планеты: распределяет геологические памятники, процессы и явления во времени.

Это основные разделы геологии. Они в свою очередь подразделяются на множество более мелких направлений, изучающих либо разные стороны вопроса, касающегося основного раздела, либо исследующих его разными методами [11].

Итак, описана история развития геологических наук. С ее помощью сформировано представление о геологии, выделены основные идеи и положения этой науки.

2. Методы исследования

Сейчас я опишу методы, с помощью которых геология изучает Землю. Понять их очень интересно и важно. Хочу также заметить, что названия многих методов совпадают с названиями различных разделов геологии, которые их применяют.

2.1 Определение относительного возраста горных пород

Чтобы изучать прошлое планеты и развитие жизни на ней необходимо уметь определять какие горные породы образовались на Земле раньше, какие - позже. Для этого существуют самые различные способы.

Первоначально датчанин Нильс Стено выдвинул принцип: «Слой, лежащий выше, образовался позже слоя, лежащего ниже». Отраслью геологии, изучающей последовательность образования и закономерности размещения горных пород, используя этот и другие принципы, стала стратиграфия. Это одна из основных отраслей геологии.

Однако у принципа Стено имеются и свои недостатки. Например, невозможно сопоставить возраст пород, лежащих в разных местах. Позже и эта проблема была решена. Ученые заметили, что живые организмы устроены тем сложнее, чем они моложе. Так, сопоставляя особенности строения их останков в горных породах, определяют какие организмы, а следовательно и породы, более молодые. Теперь даже при перемешивании пластов горных пород можно определить первоначальную последовательность их залегания (см. рис. 2).

В настоящее время ученые выбрали для каждого периода в истории Земли наиболее характерные формы жизни. Их останки называют руководящими ископаемыми. По ним точно определяют последовательность накопления горных пород.

Благодаря этим открытиям была составлена геохронологическая шкала, в которой история Земли разделена на эоны, эры, периоды и эпохи. Шкала общепринята, используется повсеместно и важна для многих отраслей науки. Однако в ней первоначально указана лишь последовательность периодов. Их длительность, даты начали и конца были установлены при помощи изотопного метода определения абсолютного возраста горных пород [6].

2.2 Определение абсолютного возраста горных пород

Как определить возраст одних горных пород относительно других, геологи уже поняли. Но еще одна задача была не решена - определить, сколько лет существуют те или иные горные породы. С развитием ядерной физики люди научились при помощи новейших приборов определять абсолютный возраст горных пород.

Суть изотопного метода (так называется способ определения абсолютного возраста горных пород) заключается в следующем. Установлено, что нестабильные изотопы химических элементов распадаются и превращаются в более легкие стабильные атомы. Причем скорость этого распада почти не зависит от внешних условий. Так по количеству нестабильного элемента и по количеству продуктов его распада определяют, насколько сильно распался элемент. В некоторых случаях определяют не количество продуктов распада, а количество треков - областей, выжженных в породе осколками ядер нестабильного изотопа. Это позволяет узнать число делений ядер. Зная всегда постоянную скорость распада, определяют, когда он начался, а значит и как давно образовалась порода.

Самым точным является радиоуглеродный метод, при котором используется распад нестабильного изотопа углерода с атомной массой 14. Период его полураспада - достаточно короткий промежуток времени - 5768 лет. Но поскольку за время равное десяти периодам полураспада эффективность течения реакции снижается в 1024 раза, то становится затруднительно зарегистрировать такие малые изменения вещества. Поэтому время, измеряемое этим методом, не превышает 60 000 лет. В этом промежутке возраст определяется наиболее точно.

При помощи радиоуглеродного метода определяют возраст органических останков, поскольку живые организмы при жизни поглощают углерод из атмосферы. В ней содержание изотопов углерода постоянно, т.к. поддерживается образованием C¹⁴ при помощи космической радиации. А после смерти организма нестабильный углерод начинает распадаться [7].

Для определения количества изотопов углерода часто применяют метод масс-спектрометрии (см. рис. 3). В этом случае содержащийся в образце углерод окисляют, превращая его в углекислый газ. Затем молекулы газа превращают в ионы и пропускают через магнитную камеру. В ней CO₂ с легким углеродом откланяется сильнее, чем газ с тяжелым изотопом. Регистрируя отклонения от прямолинейной траектории, определяют, сколько в веществе осталось нестабильных тяжелых изотопов. Чем меньше осталось нестабильных атомов, тем древнее образец, возраст которого определяют. В годах это рассчитывают при помощи специальных формул.

Период полураспада урана с атомной массой 238 - 4,51 млрд. лет. Поэтому ураново-свинцовый метод (свинец - продукт распада урана) позволяет датировать древнейшие события, хотя при этом и снижается точность измерений. Технология метода заключается в следующем. Среди пород, возраст которых необходимо определить, отбираются те, которые содержат циркон - ураносодержащий минерал. Затем породу измельчают до кристаллов и их просеивают через специальные сетки, что бы отделить кристаллы одного размера. При погружении этих кристаллов в растворы высокой плотности, самый тяжелый из кристаллов - циркон оседает на дно. Его выбирают и слоем в один кристалл наклеивают на специальную пластинку. Затем кристаллы на пластинке шлифуют и опускают в раствор кислоты. При этом вещество внутри треков растворяется, и они становятся видными через микроскоп. Затем количество треков в единице площади подсчитывают. В годах возраст определяют по специальным математическим формулам. При этом учитывают и уменьшение скорости распада со временем.

Изотопный метод в настоящее время является наиболее точным, но существуют и другие способы определения абсолютного возраста горных пород. Например, определив скорость накопления осадочных горных пород и зная толщину их слоя, приблизительно оценивают и время образования этих пород. Но ведь скорость накопления пород может меняться, а слой их способен сжиматься и, потому подобные методики недостаточно точны.

2.3 Спектральный анализ

Люди давно заметили, что разные химические элементы, помещенные в пламя, окрашивают его в разные цвета (см. рис. 4). Например, медный купорос - в зеленый, поваренная соль - в ярко-желтый. Однако точно определить химические элементы по цвету огня невозможно, т.к. некоторые из них дают одинаковый цвет.

В 1859 г. немецкие ученые химик Роберт Бунзен и физик Гистаф Кирхгоф нашли способ различать оттенки цветов пламени. Они воспользовались своим изобретением - спектроскопом. Он представляет собой стеклянную призму, помещенную перед белым экраном. Призма раскладывает луч света на монохроматические лучи, благодаря чему видны различия между спектрами элементов, которые визуально одинаково окрашивают пламя.

Сейчас технически несложный метод спектрального анализа применяют для определения состава горных пород. Но, пожалуй, самым главным его применением стало определение состава космических тел. В этом случае раскладывают свет от звезды, поступающий из телескопа. Так достаточно точно определили, что главными составляющими Вселенной являются водород (75%) и гелий (24%). Интересно, что гелий впервые был открыт и назван при изучении спектрограммы Солнца. Лишь позже этот газ обнаружили на Земле.

Вообще, спектральный анализ оказался важен как для геологов, так и для представителей новой науки, им же и порожденной - космохимии [6].

2.4 Гравиразведка

Вес - это та сила, с которой тело, притягиваясь к Земле, давит на опору или оттягивает подвес. Оказывается, даже притяжение тел к Земле используют в геологии.

Любое тело, обладающее массой, обладает притяжением. Мы очень хорошо наблюдаем это, ведь земная гравитация и есть сила притяжения Земли. Но, если все тела притягиваются друг к другу, тогда почему мы не замечаем, например, притяжения между двумя людьми? Дело в том, что эти силы очень малы, но все-таки они существуют. Экспериментальным путем доказано, что отвес отклоняется от вертикального положения вблизи большой горы. Так же установлено, что два больших свинцовых шара на близком расстоянии катятся друг к другу [5].

В соответствии с эти можно сделать вывод, что в зависимости от плотности пород, залегающих под землей, будет меняться и величина силы тяжести (в физике - ускорение свободного падения). Но проблема в том, что эти изменения очень малы, и человек их не замечает. Только при помощи точных приборов можно установить изменения притяжения.

Первоначально силу тяжести определяли по периоду качания маятника и его длине. Однако, в связи с неудобством применения маятника, его заменили более удобным прибором - гравиметром. Его принцип действия прост: на пружинку подвешен массивный груз и по степени ее закрученности определяют силу тяжести.

Сейчас метод гравиразведки применяется повсеместно для поиска месторождений нефти (над пустотой в земле притяжение меньше) и месторождений очень плотных минералов, например, руд железа. Метод чрезвычайно прост и недорог, а для исключения ошибок его часто применяют вместе с другими методами. Составлены карты гравитационного поля Земли.

При помощи измерения силы тяжести ученые изучают вопросы, связанные с формой Земли и строением ее недр [6].

2.5 Применение окаменелостей

Находки палеонтологов, следы прежних форм жизни, могут рассказать не только о развитии живых организмов, их строении, но и еще о многих закономерностях их формирования, об окружающей их среде и ее свойствах.

Например, зная, что растительность различных климатических поясов неодинакова, ученые, изучая останки древних растений, делают выводы о климате той или иной местности в прошлом. А зная условия жизни современных сообществ живых организмов (температура, количество потребляемой пищи, грунт) можно определить условия среды обитания подобных им сообществ в прошлом. Так же, изучая ритмичность роста некоторых организмов (кораллов, двухстворчатых и головоногих моллюсков, усоногих раков и др.) определяют скорость вращения Земли, периодичность приливов, наклон земной оси, частоту штормов и многое другое. К примеру, установлено, что 370-390 млн. лет назад в году было примерно 385-410 дней, значит, Земля вращалась вокруг своей оси быстрее, чем сейчас.

На практике для поиска месторождений нефти применяют зависимость цвета останков конодонтов (живых организмов) от температуры недр, где они залегали. Если температура была до 250°С, то из органических веществ не могла образоваться нефть. Если же температура была больше 800°С, то нефть которая могла там существовать разрушилась. Но если температура была между этими пределами, то поиск нефти можно продолжить.

По особенностям состава останков морских организмов можно определить температуру и состав воды в определенное время. А исходя из всех этих данных, можно дальше выводить закономерности, существующие в мире, и применять их во всех областях науки [6].

2.6 Биогеохимический метод

Биогеохимический метод основан на изучении особенностей растений, обусловленных присутствием определенных минералов в земной коре.

Люди еще до открытия современных методов поиска полезных ископаемых пользовались тем, что у растений, растущих над разными рудами, появляются свои особенности. Например, определенные виды мхов, мяты и гвоздичных, растущие в большем, чем обычно количестве, указывают на наличие в недрах земли меди. А месторождения алюминия, вызывающие повышенное содержание этого металла в почве, приводят к укорачиванию корней и пятнистости листьев. Никель приводит к появлению белых мертвых пятен на листьях. Так, люди, визуально наблюдая растения, успешно открывали месторождения необходимых им горных пород.

В XX веке биогеохимический метод стал применяться еще более успешно: появилась возможность выявлять аномалии растительного мира с помощью аэрофотосъемки, начали применять спектроскопию для определения повышенного содержания минералов в растениях, свидетельствующего об их избытке в почве. Преимуществом метода является возможность нахождения руд, залегающих на значительных глубинах.

В настоящее время для упрощения биогеохимического метода созданы списки растений индикаторов с известной реакцией на определенные минералы. Более 60 растений из списка проверены и с их помощью можно искать почти все виды ископаемых металлов. Многие месторождения уже открыты с применением данного метода [10].

2.7 Сейсмометрия

В начале ХХ века один из основоположников сейсмологии Борис Борисович Голицын писал: «Можно уподобить всякое землетрясение фонарю, который зажигается на короткое время и освещает внутренность Земли». Действительно, скрытые от нас многокилометровыми толщами горных пород земные недра, поддаются исследованию в основном во время землетрясений. Ведь даже при помощи бурения в земную кору не проникают дальше 12 км.

Для изучения недр используют возникающие при землетрясении сейсмические волны. Применяется особенность распространения волн с разной скоростью в веществах с разными свойствами (либо через разные агрегатные состояния одного вещества), а на границе разных веществ волны либо отражаются, либо искажаются. Если источник сейсмических волн расположен вблизи поверхности Земли, то многие волны, отражаясь от нижележащих слоев возвращаются к поверхности, где их фиксируют сейсмоприемниками. Эти приборы во много раз усиливают ничтожно маленькие колебания почвы. Зная время распространения волн и учитывая их свойства делают вывод о расположении отражающих поверхностей, узнают глубину их залегания, угол наклона и структуру. Причем источником сейсмических волн часто используют искусственный взрыв, т.к. тогда точно известно время начала движения волн.

В сейсморазведке регистрируют преломленные и отраженные волны. Первые из них более сильные. При этом и методы их исследования различны.

Отраженные волны сразу дают подробный разрез изучаемого участка. Впервые при помощи отраженных волн удалось обнаружить нефтяные месторождения в 30-х годах ХХ века. После этого сейсморазведка стала ведущим методом в геофизике. Чтобы составить полное представление о строении недр Земли колебания регистрируют одновременно во многих местах.

Метод преломленных волн также успешно совершенствовался. С их помощью стало возможным проводить исследования на больших глубинах. Геологи смогли изучать строение земной коры, особенности формирования материков и океанов, причины тектонических движений.

С появлением цифровой обработки сигнала в 60-х годах анализ сейсмологической информации стал более полным и быстрым. Также ученые заменили источник сейсмических волн с взрывчатки на экологически безопасные и позволяющие выбирать частоту колебаний вибраторы.

Сейсморазведка имеет огромное значение в геологии. В основном с ее помощь определены геосферы Земли, их толщина, состояние вещества в них.

2.8 Магниторазведка

Земля, подобно гигантскому магниту окружена магнитным полем. Оно простирается в пространстве на 20-25 земных радиусов. О происхождении магнитного поля Земли до сих пор идут споры. Т.к. оно может возникнуть либо под действием электричества, либо намагниченного тела, выдвигают гипотезу, согласно которой поле земли возникает из-за электрических токов, появляющихся в земном ядре при вращении планеты.

Но, независимо от происхождения, поле оказывает огромное влияние на обитателей Земли - оно защищает от космической радиации. Также именно благодаря полю стрелка компаса ориентируется на север. Замечено, что северный конец стрелки компаса склоняется вниз по отношению к горизонтальному положению. Это наводит на мысль, что источник магнетизма находится в земных недрах.

Изучение явлений, связанных с магнитным полем помогает понять строение нашей планеты, частично узнать ее историю, выяснить связь Земли с космосом.

Замечено, что намагниченные горные породы также влияют на ориентацию стрелки компаса. Благодаря этому магнитные аномалии (отклонения от нормального поля Земли) используют при поиске полезных ископаемых, имеющих большую намагниченность (железосодержащие минералы). Уже в XVII веке в России и Швеции для поиска железных руд использовали компас. Позднее был создан более точный прибор, определяющий изменения магнитного поля Земли и его силу - магнитометр (см. рис. 6).

Изучая остаточную намагниченность горных пород, которая была ими приобретена под действием магнитного поля Земли в прошлом, ученые определяют положение магнитных полюсов и силу магнитного поля Земли в древнейшие геологические периоды. Например, установлено, что раньше на месте современного северного полюса был южный и наоборот. Предполагают, что во время их смены магнитное поле ослабевает, космическая радиация проникает на Землю, что отрицательно влияет на ее обитателей.

Магниторазведка важна для людей не только поиском полезных ископаемых. С ее помощью составляют специальные карты магнитного склонения (отклонение стрелки компаса от северного направления в градусах). Это важно для точного ориентирования на местности [6, 8].

2.9 Электроразведка

Электроразведка - это раздел геофизики, определяющий состав и строение земной коры с применением естественных или созданных искусственно электрических токов. Этот способ разведки насчитывает, пожалуй, наибольшее число разнообразных методов и их разновидностей - более 50.

Вот основные из них:

1. Метод сопротивлений - основан на пропускании через землю постоянного тока при помощи двух электродов. Затем измеряют напряжение, вызванное этим током, другими электродами. Зная силу тока и напряжение рассчитывают сопротивление. По сопротивлению узнают какие породы его вызывают (разные породы имеют различное сопротивление). А учитывая расположение электродов, узнают в каком месте находятся породы, обладающие высоким сопротивлением.

При помощи метода сопротивлений рассматривают слои, составляющие исследуемый участок, их распределение. В частности возможен поиск месторождений нефти и газа.

2. Для индукционного метода используют искусственно созданное переменное электрическое или магнитное поле. Под его воздействием в земле возникает электромагнитное поле. Зная параметры созданного поля и фиксируя свойство поля, возникшего в земле, определяют какой по свойствам средой оно испускается и где она расположена. Источник искусственного поля можно перемещать и тогда картина недр становится более подробной. Способы обработки данных, полученных индукционным методом, очень сложны.