о геологической школе учащихся в 2015-2016 гг., 1

Российская Федерация
Министерство образования
Тульской области
ГОУ ДО ТО
«Центр краеведения, туризма и экскурсий»
ул. Бундурина, 45, г. Тула, 300035
телефон/факс: 31-82-73,31-82-74
Е-mail: tur-centr@yandex.ru
14.09.2015 г. № 203
Руководителям
муниципальных органов
управления образования,
руководителям
образовательных организаций
Областная заочная геологическая школа учащихся в 2015-2016 гг.
Геологическая школа учащихся, организуется государственным образовательным
учреждением дополнительного образования Тульской области «Центр краеведения,
туризма и экскурсий». Она была создана в 2001 году для учащихся 9-11 классов
общеобразовательных учреждений. Сегодня начинается 14-й год её работы. За прошедшее
время в школе на её занятиях присутствовало и прошло обучение около 235 учащихся.
В наступающем учебном году мы снова приглашаем к занятиям учащихся 5-11-х
классов, кому интересны вопросы геологии и кто хочет в будущем связать свою жизнь с
профессией геологической направленности.
Обратите внимание на то, что занятия проводятся в заочной форме.
Занятия строятся с учётом выполнения заданий и последующего подведения
итогов. Учащиеся под руководством своего учителя и самостоятельно изучают литературу
геологического содержания, выполняют геологические изыскания в полевых условиях,
ведут исследовательскую работу.
Образовательная Программа школы учитывает концептуальные положения по
дополнительному геологическому образованию детей и методические рекомендации,
предложенные Министерством образования и науки РФ, Министерством природных
ресурсов РФ и Российским геологическим обществом (1999 г.).
Программа школы строится на основе знаний учащихся общеобразовательных
школ. Её реализация рассчитана на учебный год.
Учащимся школы необходимо выполнить 7 заданий (по одному в месяц),
участвовать в геологическом турнире (февраль), геологической олимпиаде (апрель) и
геологической практике (апрель-май), собрать геологическую коллекцию, рассказать о
своём геологическом исследовании.
Один раз в месяц (с сентября по апрель) для всех участников школы даётся
задание. Это теоретические вопросы и практические для исполнения в аудитории и на
местности. В обязательном порядке эти задания выполняются индивидуально.
Исполненное задание оформляется в текстовом варианте короткими ответами и
необходимыми иллюстрациями. Далее оно пересылается электронной почтой на е-mail
отдел краеведения: kraeved@tulacentr.ru.
Организаторы проверяют и оценивают исполнение заданий, ведут журнал,
показывают правильные ответы на вопросы и исполненные задания. Участники узнают
свои результаты на сайте http://tulacentr.ru в разделе «Развитие дополнительного
геологического образования».
Промежуточные итоги реализации программы прослеживаются в ходе участия
учащихся в геологическом турнире и олимпиаде.
В начале учебного года и по его завершению учащимся предлагается принять
участие в однодневной геологической практике.
К занятиям геологической школы приглашаются педагоги школ и учреждений
дополнительного образования, желающие повысить свой образовательный уровень. Они
вне зачёта выполняют задания, предлагаемые учащимся.
Лекционный материал для участников геологической школы
Тема 1. «Что изучает наука геология?»
Материал взят с сайта
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%
B8%D1%8F
Геология - наука о составе, строении и закономерностях развития Земли, других планет Солнечной
системы и их естественных спутников.
Существует три основных направления геологических исследований: описательная, динамическая и
историческая геология.
Происхождение названия
Первоначально слово «геология» являлось противоположностью к слову «теология». Науке о духовной
жизни противопоставлялась наука о закономерностях и правилах земного бытия. В таком контексте это
слово использовал епископ Р. де Бьюри в своей книге «Philobiblon» («Любовь к книгам»), которая вышла в
свет в 1473 году в Кёльне. Слово происходит от греческого γῆ, означающее «Земля» и λόγος, означающее
«учение».
Исторически использовался также термин «геогнозия» (или геогностика). Такое название для
науки o минералах, рудах, и горных породах было предложено немецкими геологами Г. Фюкселем (в 1761)
и A. Г. Bернером (в 1780). Авторы термина обозначили им практические области геологии, изучавшие
объекты, которые можно было наблюдать на поверхности, в отличие от чисто теоретической тогда геологии,
которая занималась происхождением и историей Земли, её корой и внутренним строением. Термин
использовался в специальной литературе в XVIII и начале XIX векa, но начал выходить из употребления
уже во второй половине XIX века. В России термин сохранялся до конца XIX века в названиях учёного
звания и степени «доктор минералогии и геогнозии» и «профессор минералогии и геогнозии».
Геологические дисциплины. В БСЭ приводится следующая классификация: науки о земной коре,
науки о современных геологических процессах, науки об исторической последовательности
геологических процессов, прикладные дисциплины, а также региональная геология.
Науки о земной коре:
Минералогия - раздел геологии, изучающий минералы, вопросы их генезиса, квалификации.
Изучением пород, образованных в процессах, связанных с атмосферой, биосферой и гидросферой
Земли, занимается литология. Эти породы не совсем точно называются ещё осадочными горными породами.
Многолетнемёрзлые горные породы приобретают ряд характерных свойств и особенностей,
изучением которых занимается геокриология.
Петрография — раздел геологии, изучающий магматические и метаморфические породы
преимущественно с описательной стороны — их генезис, состав, текстурно-структурные особенности, а
также классификацию.
Структурная геология — раздел геологии, изучающий формы залегания геологических тел и
нарушения земной коры.
Кристаллография — первоначально одно из направлений минералогии, в настоящее время скорее
физическая дисциплина.
Науки о современных геологических процессах (динамическая геология):
Тектоника - раздел геологии, изучающий движение земной коры (геотектоника, неотектоника и
экспериментальная тектоника).
Вулканология - раздел геологии, изучающий вулканизм.
Сейсмология - раздел геологии, изучающий геологические процессы при землетрясениях,
сейсморайонирование.
Геокриология - раздел геологии, изучающий многолетнемёрзлые породы.
Петрология - раздел геологии, изучающий генезис и условия происхождения магматических и
метаморфических горных пород.
Науки об исторической последовательности геологических процессов (историческая
геология):
Историческая геология - отрасль геологии, изучающая данные о последовательности важнейших
событий в истории Земли. Все геологические науки в той или иной степени имеют исторический характер,
рассматривают существующие образования в историческом аспекте и занимаются в первую очередь
выяснением истории формирования современных структур. История Земли делится на два крупнейших
этапа - эона, по появлению организмов с твёрдыми частями, оставляющих следы в осадочных породах и
позволяющих по данным палеонтологии провести определение относительного геологического возраста. С
появлением ископаемых на Земле начался фанерозой - время открытой жизни, а до этого был криптозой или
докембрий - время скрытой жизни. Геология докембрия выделяется в особую дисциплину, так как
занимается изучением специфических, часто сильно и многократно метаморфизованных комплексов и
имеет особые методы исследования.
Палеонтология изучает древние формы жизни и занимается описанием ископаемых остатков, а
также следов жизнедеятельности организмов.
Стратиграфия - наука об определении относительного геологического возраста осадочных горных
пород, расчленении толщ пород и корреляции различных геологических образований. Одним из основных
источников данных для стратиграфии является палеонтологические определения.
Прикладные дисциплины:
Геология полезных ископаемых изучает типы месторождений, методы их поисков и разведки.
Делится на геологию нефти газа, геологию угля, металлогению.
Гидрогеология - раздел геологии, изучающий подземные воды.
Инженерная геология - раздел геологии, изучающий взаимодействия геологической среды и
инженерных сооружений.
Внизу перечислены остальные разделы геологии, в основном стоящие на стыке с другими
науками:
Геохимия - раздел геологии, изучающий химический состав Земли, процессы, концентрирующие и
рассеивающие химические элементы в различных сферах Земли.
Геофизика - раздел геологии, изучающий физические свойства Земли, включающая также комплекс
разведочных методов: гравиразведка, сейсморазведка, магниторазведка, электроразведка различных
модификаций и пр.
Геобаротермометрия - наука, изучающая комплекс методов определения давления и температур
образования минералов и горных пород.
Микроструктурная геология - раздел геологии, изучающий деформацию пород на микроуровне, в
масштабе зёрен минералов и агрегатов.
Геодинамика - наука, изучающая процессы самого планетарного масштаба в результате эволюции
Земли. Она изучает связь процессов в ядре, мантии и земной коре.
Геохронология - раздел геологии, определяющий возраст пород и минералов.
Литология (Петрография осадочных пород) - раздел геологии, изучающий осадочные породы.
Изучением Солнечной системы занимаются следующие разделы геологии: космохимия,
космология, космическая геология и планетология.
Описательная геология занимается изучением размещения и состава геологических тел, в том
числе их форма, размер, взаимоотношение, последовательность залегания, а также описанием различных
минералов и горных пород.
Динамическая геология рассматривает эволюцию геологических процессов, таких как разрушение
горных пород, перенос их ветром, ледниками, наземными или подземными водами, накопление осадков
(внешние по отношению к земной коре) или движение земной коры, землетрясения, извержения вулканов
(внутренние).
Историческая геология занимается изучением последовательности геологических процессов
прошлого.
Геология - наука историческая, и важнейшей её задачей является определение последовательности
геологических событий. Для выполнения этой задачи с давних времён разработан ряд простых и интуитивно
очевидных признаков временных соотношений пород.
Интрузивные взаимоотношения представлены контактами интрузивных пород и вмещающих их
толщ. Обнаружение признаков таких взаимоотношений (зоны закалки, даек и т. п.) однозначно указывает на
то, что интрузия образовалась позже, чем вмещающие породы.
Секущие взаимоотношения также позволяют определить относительный возраст. Если разлом
рвёт горные породы, значит он образовался позже, чем они.
Ксенолиты и обломки попадают в породы в результате разрушения своего источника,
соответственно они образовались раньше вмещающих их пород, и могут быть использованы для
определения относительного возраста.
История геологии
Первые геологические наблюдения относятся к динамической геологии - это информация о
землетрясениях, извержениях вулканов, размывании гор, перемещении береговых линий. Подобные
высказывания встречаются в работах таких учёных как Пифагор, Аристотель, Плиний Старший, Страбон.
Изучение физических материалов (минералов) Земли восходит по крайней мере к древней
Греции, когда Теофраст (372-287 до н. э.) написал работу «Peri Lithon» («О камнях»). В римский период
Плиний Старший подробно описал многие минералы и металлы, и их практическое использование, а также
правильно определил происхождение янтаря.
Описание минералов и попытки классификации геологических тел встречаются у Аль-Бируни и Ибн
Сины (Авиценны) в X-XI веках. В работах Аль-Бируни содержится раннее описание геологии Индии, он
предполагал, что индийский субконтинент был когда-то морем. Авиценна предложил подробное объяснение
формирования гор, происхождение землетрясений и другие темы, которые являются центральными в
современной геологии, и в которых содержится необходимый фундамент для дальнейшего развития науки.
Некоторые современные ученые, такие как Филдинг Х. Гаррисон, считают, что современная
геология началась в средневековом исламском мире.
В Китае энциклопедист Shen Kuo (1031-1095) сформулировал гипотезу о процессе формирования
Земли: на основе наблюдений над ископаемыми раковин животных в геологическом слое в горах в сотнях
километров от океана он сделал вывод, что суша была сформирована в результате эрозии гор и осаждения
ила.
В эпоху Возрождения геологические исследования проводили учёные Леонардо да Винчи и
Джироламо Фракасторо. Они впервые предположили, что ископаемые раковины являются остатками
вымерших организмов, а также, что история Земли длиннее библейских представлений. Нильс Стенсен дал
анализ геологическому разрезу в Тоскане, он объяснил последовательность геологических событий. Ему
приписывают три определяющих принципа стратиграфии: принцип суперпозиции, принцип первичной
горизонтальности слоёв и принцип последовательности образования геологических тел.
В конце XVII - начале XVIII века появилась общая теория Земли, которая получила название
дилювианизма. По мнению учёных того времени осадочные породы и окаменелости в них образовались в
результате всемирного потопа. Эти воззрения разделяли Роберт Гук (1688), Джон Рэй (1692), Джоэнн
Вудворд (1695), И. Я. Шёйкцер (1708) и другие.
Во второй половине XVIII века резко возросли потребности в полезных ископаемых, что привело
к изучению недр, в частности накоплению фактического материала, описанию свойств горных пород и
условий их залегания, разработке приёмов наблюдения. В 1785 году Джеймс Хаттон представил для
Королевского общества Эдинбурга документ, озаглавленный «Теория Земли». В этой статье он объяснил
свою теорию о том, что Земля должна быть намного старше, чем ранее предполагалось, для того, чтобы
обеспечить достаточное время для эрозии гор, и чтобы седименты (отложения) образовали новые породы на
дне моря, которые, в свою очередь, были подняты чтобы стать сушей. В 1795 Хаттон опубликовал
двухтомный труд, описывающий эти идеи (Vol. 1, Vol. 2). Джеймс Хаттон часто рассматривается как первый
современный геолог. Последователи Хаттона были известны как плутонисты, из-за того что они считали,
что некоторые породы (базальты и граниты) были сформированы в результате вулканической деятельности
и являются результатом осаждения лавы из вулкана. Другой точки зрения придерживались нептунисты, во
главе с Абраамом Вернером, который считал, что все породы осели из большого океана, уровень которого с
течением времени постепенно снизился, а вулканическую деятельность объяснял подземным горением
каменного угля. В то же время в России увидели свет геологические труды Ломоносова «Слово о рождении
металлов от трясения Земли» (1757) и «О слоях земных» (1763), в которых он признавал влияние и внешних,
и внутренних сил на развитие Земли.
Уильям Смит (1769-1839) нарисовал одни из первых геологических карт и начал процесс
упорядочивания горных пластов, изучая содержащиеся в них окаменелости. Смит составил «шкалу
осадочных образований Англии». Работы по разделению пластов продолжились учёными Жоржем Кювье
и А. Броньяру. В 1822 была выделена каменноугольная и меловая системы, что положило начало
стратиграфической систематике. Основные подразделения современной стратиграфической шкалы были
приняты официально в 1881 году в Болонье на 2-м Международном геологическом конгрессе. Первыми
геологическими картами в России были работы Д. Лебедева и М. Иванова (карта Восточного Забайкалья,
1789-1794), Н. И. Кокшарова (Европейская Россия, 1840), Г. П. Гельмерсена («Генеральная карта горных
формаций Европейской России», 1841). На картах Кокшарова уже были отмечены силурийская, девонская,
нижне карбонская, лиасовая и третичная формации.
Вместе с тем, методологические основы такого деления ещё уточнялись в рамках нескольких
теорий. Ж. Кювье разработал теорию катастроф, утверждающую, что особенности Земли формируются в
одном, катастрофическом событии и остаются неизменными в дальнейшем. Л.Бух объяснял движения
земной коры вулканизмом (теория "кратеров поднятия"), Л. Эли де Бомон связывал дислокацию слоёв со
сжатием земной коры при остывании центрального ядра. В 1830 году Чарлз Лайель впервые опубликовал
свою знаменитую книгу «Основы геологии». Книга, которая повлияла на идеи Чарльза Дарвина, успешно
способствовала распространению актуализма. Эта теория утверждает, что медленные геологические
процессы имели место на протяжении истории Земли и все еще происходят сегодня. Хотя Хаттона верил в
актуализм, идея не была широко принята в то время.
Большую часть XIX века геология вращалась вокруг вопроса о точном возрасте Земли. Оценки
варьировались от 100 000 до нескольких миллиардов лет. В начале XX века радиометрическое
датирование позволило определить возраст Земли, оценка составила два миллиарда лет. Осознание этого
огромного промежутка времени открыло двери для новых теорий о процессах, которые сформировали
планету. Самым значительным достижением геологии в XX веке было развитие теории тектоники плит в
1960 году и уточнение возраста планеты. Теория тектоники плит возникла из двух отдельных геологических
наблюдений: спрединга морского дна и континентального дрейфа. Теория революционизировала науки о
Земле. В настоящее время известно, что возраст Земли составляет около 4,5 миллиардов лет.
В конце XIX века экономические потребности стран в отношении недр привели к изменению
статуса науки. Появилось множество геологических служб, в частности геологическая служба США (1879) и
геологический комитет России (1882). Была введена подготовка специалистов-геологов.
С целью пробудить интерес к геологии Организацией Объединённых Наций 2008 год провозглашён
«Международным годом планеты Земля».
Лекционный материал (продолжение)
Тема 2. «Основные данные о Земле и земной коре»
Материал с сайта http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1163814&uri=part01-03-1.htm Основы геологии.
Авторы: Н.В. Короновский, А.Ф. Якушова
Глава 1. Форма, размеры и строение Земли
1.1 ФОРМА И РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИ
Земля одна из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца. Первые представления о формах и размерах
Земли появились еще в глубокой древности. Античные мыслители (Пифагор - V в. до н.э., Аристотель - III в.
до н.э. и др.) высказывали мысль, что наша планета имеет шарообразную форму.
Геодезические и астрономические исследования последующих столетий
дали возможность судить о действительной форме Земли и ее размерах.
Известно, что формирование Земли происходило под действием двух
сил - силы взаимного притяжения частиц ее массы и центробежной
силы, обусловленной вращением планеты вокруг своей оси.
Равнодействующей обеих названных сил является сила тяжести,
выражаемая в ускорении, которое приобретает каждое тело,
находящееся у поверхности Земли. На рубеже XVII и XVIII вв. впервые
Ньютон теоретически обосновал положение о том, что под
воздействием силы тяжести Земля должна иметь сжатие в направлении
оси вращения и, следовательно, ее форма представляет эллипсоид
вращения, или сфероид. Степень сжатия зависит от угловой скорости
вращения. Чем быстрее вращается тело, тем больше оно сплющивается
у полюсов. На рис. 1.1, изображающем эллипсоид вращения, выражена
Рис. 1.1. Эллипсоид вращения
большая экваториальная ось (ЗОВ) и малая полярная ось (СОЮ).
Величины а = ЗОВ/2 и в = СОЮ/2 соответствуют полуосям эллипсоида.
Сжатие эллипсоида будет выражено (а - в)/а. Разница полярного и экваториального радиусов составляет 21
км. Детальными последующими измерениями, особенно новыми методами исследования с искусственных
спутников, было показано, что Земля сжата не только на полюсах, но также несколько и по экватору
(наибольший и наименьший радиусы по экватору отличаются на 210 м), т.е. Земля является не двухосным, а
трехосным эллипсоидом. Кроме того, расчетами Т. Д. Жонгловича и С. И. Тропининой показана
несимметричность Земли по отношению к экватору: южный полюс расположен ближе к экватору, чем
северный.
В связи с расчленением рельефа (наличием высоких гор и глубоких впадин) действительная форма Земли
является более сложной, чем трехосный эллипсоид. Наиболее высокая точка на Земле - гора Джомолунгма в
Гималаях - достигает высоты 8848м. Наибольшая глубина 11 034 м обнаружена в Марианской впадине.
Таким образом, наибольшая амплитуда рельефа земной поверхности составляет немногим менее 20 км.
Учитывая эти особенности, немецкий физик Листинг в 1873 г. фигуру Земли назвал геоидом, что дословно
обозначает "землеподобный".
Геоид - некоторая воображаемая уровненная поверхность, которая
определяется тем, что направление силы тяжести к ней всюду
перпендикулярно. Эта поверхность совпадает с уровнем воды в
Мировом океане, который мысленно проводится под континентами. Это
та поверхность, от которой производится отсчет высот рельефа.
Поверхность геоида приближается к поверхности трехосного
эллипсоида, отклоняясь от него местами на величину 100 - 150 м Рис. 1.2. Поверхности рельефа,
(повышаясь на материках и понижаясь на океанах, рис. 1.2.), что, посфероида и геоида
видимому, связано с плотностными неоднородностями масс в Земле и
появляющимися из-за этого аномалиями силы тяжести.
В Советском Союзе в настоящее время принимается эллипсоид Ф. Н. Красовского и его учеников (А. А.
Изотова и др.), основные параметры которого подтверждаются современными исследованиями и с
орбитальных станций. По этим данным экваториальный радиус равен 6378,245 км, полярный радиус 6356,863 км, полярное сжатие- 1/298,25. Объем Земли составляет 1,083 • 10 12 км3, а масса - 6 • 1027 г.
Ускорение силы тяжести на полюсе 983 см/с2, на экваторе 978 см/с2.Площадь поверхности Земли около 510
млн. км2, из которых 70,8% представляет Мировой океан и 29,2% - суша. В распределении океанов и
материков наблюдается определенная дисимметрия. В Северном полушарии это соотношение составляет 61
и 39%, в Южном-81 и 19%
1.2. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ
Изучение внутреннего строения Земли производится различными методами. Геологические методы,
основанные на изучении естественных обнажений горных пород, разрезов шахт и рудников, кернов
глубоких буровых скважин, дают возможность судить о строении приповерхностной части земной коры.
Глубина известных пробуренных скважин достигает 7,5-9,5 км, и только одна в мире опытная скважина,
заложенная на Кольском полуострове, уже достигла глубины более 12 км при проектной глубине до 15 км.
В вулканических областях по продуктам извержения вулканов можно судить о составе вещества на
глубинах 50-100 км.
В целом же глубинное внутреннее строение Земли изучается главным образом геофизическими методами:
сейсмическим, гравиметрическим, магнитометрическим и др. Одним из важнейших методов является
сейсмический (греч. <сейсмос> - трясение) метод, основанный на изучении естественных землетрясений и
<искусственных землетрясений>, вызываемых взрывами или ударными вибрационными воздействиями на
земную кору.
Очаги землетрясений располагаются на различных глубинах от приповерхностных (около 10 км) до самых
глубоких (до 700 км), прослеженных в разломных зонах по окраинам Тихого океана. Возникающие в очаге
сейсмические волны как бы просвечивают Землю и дают представление о той среде, через которую они
проходят. В очаге (или фокусе) возникают два главных типа волн:
1) самые быстрые продольные Р-волны (т.е. первичные-primary);
2) более медленные поперечные S-волны (т.е. вторичные - secondary).
При распространении Р-волн горные породы испытывают сжатие и
растяжение (смещение частиц среды вдоль направления волны). Рволны проходят в твердых и жидких телах земных недр. Поперечные Sволны распространяются только в твердых телах, и с их
распространением связаны колебания горных пород под прямым углом
к направлению распространения волны (рис. 1.3). При прохождении
поперечных волн упругие породы подвергаются деформации сдвига и
кручения. Кроме того, выделяются поверхностные L-волны (т.е.
длинные - long), которые отличаются сложными синусоидальными
колебаниями вдоль или около земной поверхности. Регистрация
прихода сейсмических волн производится на специальных
Рис. 1.3. Два типа объемных
сейсмических станциях, оборудованных записывающими приборами сейсмических волн (по Б. Болту): а сейсмографами, расположенными на разных расстояниях от очага.
Такое расположение сейсмостанций позволяет судить о скорости
- сжатие - растяжение, б распространения колебаний на разных глубинах, поскольку к более
удвоенная амплитуда
отдаленным станциям приходят волны, прошедшие через более
глубокие слои Земли. Запись сейсмографом прихода волн называется сейсмограммой.
Реальные скорости сейсмических воли зависят от упругих свойств и
плотности горных пород, через которые они проходят. Изменения
скорости сейсмических волн отчетливо показывают на неоднородность
и расслоенность Земли. О различных слоях и состоянии веществ, их
слагающих, указывают преломленные и отраженные волны от их
граничных поверхностей (рис. 1.4).
На основании скорости распространения сейсмических волн
австралийский сейсмолог К. Буллен разделил Землю на ряд зон, дал им
буквенные обозначения в определенных усредненных интервалах
глубин, которые используются с некоторыми уточнениями до
Рис. 1.4. Отраженные и
настоящего времени (рис. 1.5).
Выделяют три главные области преломленные сейсмические
Земли:
волны в различных средах
1. Земная кора (слой А) -верхняя
оболочка Земли, мощность которой
изменяется от 6-7 км под глубокими частями океанов до 35-40 км под
равнинными платформенными территориями континентов, до 50-70(75)
км под горными сооружениями (наибольшие под Гималаями и Андами).
2. Мантия Земли, распространяющаяся до глубин 2900 км. В ее
пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия - слой
В глубиной до 400 км и С - до 800-1000 км (некоторые исследователи
слой С называют средней мантией); нижняя мантия - слой D до глубины
2700 с переходным слоем D1 - от 2700 до 2900 км.
3. Ядро Земли, подразделяемое: на внешнее ядро - слой Е в пределах
глубин 2900-4980 км; переходную оболочку - слой F - от 4980 до 5120
км и внутреннее ядро - слой G до 6971 км.
По имеющимся данным выделены несколько разделов первого порядка,
Рис. 1.5. Строение Земли.
в которых скорость сейсмических волн резко изменяется (табл. 1.1).
Оболочки Земли, выделенные по Как видно из данных таблицы, земная кора отделяется от слоя В
распространению сейсмических
верхней мантии достаточно резкой граничной скоростью. В 1909 г.
волн
югославский сейсмолог А. Мохоровичич при изучении балканских
землетрясений впервые установил наличие этого раздела, носящего
теперь его имя и принятого за нижнюю границу земной коры. Часто эту границу сокращенно называют
границей Мохо или М. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру,
где наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с, а поперечные волны
гасятся. Внезапное резкое уменьшение скорости продольных волн и исчезновение поперечных волн во
внешнем ядре свидетельствуют о необычайном состоянии вещества, отличающемся от твердой мантии.
Эта граница названа именем Б. Гутенберга. Третий раздел совпадает с основанием слоя F и внутренним
ядром Земли (слой G).
1.3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Плотность. Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см 3. Горные
породы, слагающие земную кору, отличаются малой плотностью. В
осадочных породах плотность около 2,4-2,5 г/см3 , в гранитах и
большинстве метаморфических пород - 2,7-2,8 г/см3 , в основных
магматических породах - 2,9-3,0 г/см 3. Средняя плотность земной коры
принимается около 2,8 г/см3 . Сопоставление средней плотности земной
коры с плотностью Земли указывает на то, что во внутренних оболочках
- мантии и ядре плотность должна быть значительно выше.
По имеющимся данным в кровле верхней мантии, ниже границы Мохо,
плотность пород составляет 3,3-3,4 г/см 3, у нижней границы нижней
мантии (глубина 2900 км) - примерно 5,5-5,7 г/см 3, ниже границы
Гутенберга (верхняя граница внешнего ядра) - 9,7-10,0 г/см 3, затем
повышается до 11,0-11,5 г/см 3, увеличиваясь во внутреннем ядре до
12,5-13,0 г/см3 (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Сводные кривые
Давление. Расчеты давления на различных глубинах Земли в
изменения скорости сейсмических соответствии с указанными плотностями выражаются следующими
значениями (см. рис. 1.6 и табл. 1.2).
волн, плотности, давления и
Ускорение силы тяжести. В ряде пунктов поверхности Земли
температуры в оболочках Земли
геофизическим гравиметрическим методом выполнены измерения
(по Б. Болту)
абсолютной величины силы тяжести с помощью гравиметров. Эти
исследования позволяют выявить гравиметрические аномалии - области значительного увеличения или
уменьшения силы тяжести. Увеличение силы тяжести обычно связано с присутствием более плотного
вещества, уменьшение указывает на меньшую плотность. Что касается ускорения силы тяжести, то его
величина различна. На поверхности оно в среднем составляет 982 см/с 2 (при 983 см/с2 - на полюсе и 978
см/с2- на экваторе), с глубиной сначала увеличивается, затем быстро падает. По данным В. А. Магницкого,
максимальное значение ускорения силы тяжести достигает в основании нижней мантии у границы с
внешним ядром 1037 см/с2. В пределах ядра Земли ускорение силы тяжести начинает значительно
уменьшаться, доходя до 452 см/с2 в промежуточном слое F, до 126 см/с2 на глубине 6000 км и в центре до 0.
Магнетизм. Земля действует как гигантский магнит с силовым полем вокруг. Сведения о распределении
магнитного поля Земли на ее поверхности и околоземном пространстве дают наземные, морские и
аэромагнитные съемки, а также измерения, производимые на низколетящих искусственных спутниках
Земли.
Геомагнитное поле дипольное, магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими, т.е. истинными северным и южным. Между магнитным и географическим полюсами образуется некоторый угол (около
11,5o), называемый магнитным склонением. Различают также магнитное наклонение, определяемое как угол
между магнитными силовыми линиями и горизонтальной плоскостью. Происхождение постоянного
магнитного поля Земли связывают с действием сложной системы электрических токов, возникающих при
вращении Земли и сопровождающих турбулентную конвекцию (перемещение) в жидком внешнем ядре.
Таким образом, Земля работает как динамомашина, в которой механическая энергия этой конвекционной
системы генерирует электрические токи и связанный с ними магнетизм.
Магнитное поле Земли оказывает влияние и на ориентировку в горных породах ферромагнитных
минералов, таких, как гематит, магнетит, титаномагнетит и др. Особенно это проявляется в магматических
горных породах - базальтах, габбро, перидотитах и др. Ферромагнитные минералы в процессе застывания
магмы принимают ориентировку существующего в это время направления магнитного поля. После того,
когда горные породы полностью застывают, ориентировка ферромагнитных минералов сохраняется.
Определенная ориентировка ферромагнитных минералов происходит и в осадочных породах во время
осаждения железистых минеральных частиц. Намагниченность ориентированных образцов определяется как
в лабораториях, так и в полевых условиях. В результате измерений устанавливается склонение и наклонение
магнитного поля во время первоначального намагничивания минералов горных пород. Таким образом, и
магматические, и осадочные горные породы нередко обладают стабильной намагниченностью,
указывающей на направление магнитного поля в момент их формирования. В настоящее время при
геологических исследованиях и поиске железорудных месторождений полезных ископаемых широко
применяется магнитометрический метод.
Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым внутриземными
источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть ее
отражается обратно в мировое пространство. Количество получаемого и отраженного Землей солнечного
тепла неодинаково для различных широт. Среднегодовая температура отдельных пунктов в каждом
полушарии уменьшается от экватора к полюсам. Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко
снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной температуры, равной
среднегодовой температуре данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в
различных районах колеблется от первых метров до 20-30 м.
Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли.
Давно установлено, что в шахтах, рудниках, буровых скважинах происходит постоянное увеличение
температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком из внутренних частей Земли. Тепловой поток
измеряется в калориях на квадратный сантиметр за секунду - мккал/см2.с. По многочисленным данным,
средняя величина теплового потока принимается равной 1,4-1,5 мккал/см2.с. Однако исследования,
проведенные как на континентах, так и в океанах, показали значительную изменчивость теплового потока в
различных структурных зонах.
По данным Е.А. Любимовой, наименьшие значения теплового потока отмечены в районе древних
кристаллических щитов (Балтийском, Украинском, Канадском) и равны в среднем 0,85 мккал/см2.с 10% (при
колебаниях от 0,6 до 1,1). В равнинных платформенных областях тепловой поток находится в интервале 1,01,2 мккал/см2.с и только местами на отдельных поднятиях увеличивается до 1,3-1,4 мккал/см2.с. В
палеозойских орогенических областях, таких, как Урал, Аппалачи, интенсивность потока поднимается до
1,5 мккал/см2.с.
В молодых горных сооружениях, созданных в новейшее геологическое время (таких, как Альпы, Кавказ,
Тянь-Шань, Кордильеры и др.), тепловые потоки отличаются большим разнообразием. Так, например, в
Складчатых Карпатах и прилегающих частях внутренних прогибов тепловой поток в среднем составляет
1,95 мккал/см2.с, а в Предкарпатском прогибе - 1,18 мккал/см2.с. Аналогичные изменения отмечены на
Кавказе, где в зонах поднятий тепловой поток увеличивается до 1,6-1,8 мккал/см2.с, а в складчатом
сооружении Большого Кавказа единичные определения дали наиболее высокие значения теплового потока 3,0-4,0 мккал/см2.с. Для юго-восточного погружения Кавказа отмечены значительные колебания тепловых
потоков и установлена интересная деталь увеличения их значений вблизи грязевых вулканов до 1,9-2,33
мккал/см2.c. Высокие тепловые потоки наблюдаются в областях современного вулканизма, составляя в
среднем около 3,6 мккал/см2.с. В рифтовой (англ. "рифт" - расселина, ущелье) системе оз. Байкал тепловой
поток оценивается от 1,2 до 3,4 мккал/см2.c. В пределах значительных пространств ложа Мирового океана
величина теплового потока находится в пределах 1,1-1,2 мккал/см2.с, что сопоставимо с данными по
платформенным частям континентов. Высокие тепловые потоки связаны с рифтовыми долинами срединноокеанских хребтов. Средняя величина теплового потока 1,8-2 мккал/см2.с, но в нескольких местах
увеличивается до 6,7-8,0 мккал/см2.c. Разнообразие приведенных величин теплового потока, по-видимому,
связано с неоднородными тектономагматическими процессами в различных зонах Земли.
Каковы же источники тепла внутри Земли? Как известно, в соответствии с современными представлениями
Земля сформировалась в результате аккреции газово-пылевых частиц протопланетного облака в виде
холодного тела. Следовательно, внутри Земли должны иметься источники тепла, создающие современный
тепловой поток и высокую температуру в недрах Земли. Одним из источников внутренней тепловой энергии
является радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных долгоживущих элементов 238U, 235U,
232
Th, 40K, 87Rb. Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор
они остаются важным источником тепловой энергии. В начальные этапы развития Земли могли быть
поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 26Al, 38C1 и др. Вторым
источником тепловой энергии предполагается гравитационная дифференциация вещества, зарождающаяся
после некоторого разогрева на уровне ядра и, возможно, в слое В верхней мантии. Но значительная часть
тепла, связанная с гравитационной дифференциацией, по-видимому, рассеивалась в пространстве, особенно
в начале формирования планеты. Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное
трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и в
меньшей степени с Солнцем.
Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных,
часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части
земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин- 12 км (Кольская
скважина). Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим
градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1 0 С геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются
от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а
также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы
колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150 o
на 1 км в штате Орегон (США), 2) 6o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим
геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во
втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50o, а геотермической ступени -1545 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30 oС на 1 км.
По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20 o С на 1 км.
Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на
глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000 o С. Однако это расходится с фактическими
данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых
изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250o. Учитывая этот
своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км
температура не может превышать 1300-1500oС. При более высоких температурах породы мантии были бы
полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн.
Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно
небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в
одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере
изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого
кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический
градиент 10o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150 oС.
Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На
глубине 7 км температура была 120o С, на 10 км -180oС, на 12 км -220o С. Предполагается, что на проектной
глубине температура будет близка к 280o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в
Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура
оказалась равной 42,2o С, на 1500 м-69,9oС, на 2000 м-80,4oС, на 3000 м - 108,3oС.
Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные
получены о температуре основания слоя в верхней мантии (см. рис. 1.6). По данным В. Н. Жаркова,
"детальные исследования фазовой диаграммы Mg2SiO4 - Fe2Si04 позволили определить реперную
температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)" (т.е. перехода оливина
в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600 50o С.
Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому
высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной
увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической
ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000o С.
Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о
метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого
сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много
выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа
метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой
примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных
минералов; 3) каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных
силикатов и включений никелистого железа.
Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные
1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими
округлыми зернами - хондрами ( 90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов
близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой
фазы.
На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных
геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового
элементарного состава Земли. Повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1.
Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему
распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной
коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и
значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.
Вопросы и задание для участников геологической школы
Срок выполнения до 20 октября 2015 г.
Вопросы.
1. Какая из геологических наук является древнейшей? Какой народ предпринял
первые описания в этой науке? Что способствовало её развитию? Какие две
геологические науки родились из неё?
2. Что изучают следующие геологические науки: петрология, литология,
палеонтология?
3. Какая из наук о современных геологических процессах изучает движение земной
коры?
4. Какие разделы геологической науки посвящаются изучению Солнечной
системы?
5. Каковы форма, фигура и размеры Земли?
6. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?
7. Каково внутреннее строение Земли?
8. Как геологи объясняют происхождение постоянного магнитного поля Земли?
9. Кто такие «нептунисты»? Один из них Абраам Вернер объяснял вулканическую
деятельность подземным горением каменного угля. С чем в действительности
связано образование тепла внутри Земли?
10. Для каких геологических изысканий жители Земли запускают космические
корабли? (Причин может быть много, но Вы выделите только 3 главных на Ваш
взгляд).
11. Назовите первого, по-настоящему крупного знатока геологии, написавшего 36
томов «Естественной истории», жившего в начале первого тысячелетия нашей
эры? Отчего он погиб?
12. Кого из русских признали в Европе первым учёным-геологом? Назовите его
геологические труды.

Задание.
Напишите, почему Вам интересна геология? Имеете ли Вы какую-то геологическую
коллекцию? Как Вы её собрали? (Наиболее интересные рассказы будут опубликованы в
журнале «Рюкзачок знаний»).
Примечание. Оформление ответов производится в объёме не более 2 страниц
печатного текста шрифт Times New Roman, кегль – 12-14. в формате .doc для Windows –
2000 и более новых версий, иллюстрации в формате .jpg.
В заглавии выполненного задания указываются Фамилия Имя участника, класс,
ФИО руководителя консультанта, название образовательного учреждения и е-mail, по
которому участник будет получать новое задание. Выполненное задание представляется
до 20 числа каждого следующего месяца на е-mail отдел краеведения:
kraeved@tulacentr.ru, телефон для справок: 31-82-74.
Ответственный Кузнецов Ю.Н., зав. отделом краеведения.
Внимание!
4 октября 2015 года всем участникам геологической школы предлагается отправиться на
практику в один из карьеров, располагающихся около города Тулы. Просьба желающих
участвовать подать предварительную заявку-согласие до 30 сентября. Подробности о
практике будут отправлены на Ваш е-mail.