Константиновская Л.В., Наумов Г.Б., Арешин А.В.

ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ  ДЛЯ ЭКОЛОГОВ

2 часть

Учебное пособие

 

Москва, РУДН

 

2010

ББК………                                                    У т в е р ж д е н о

К …..                                                        РИС Ученого совета

Российского университета

Дружбы народов

 

Р е ц е н з е н т ы –Доктор геолого-минералогических наук, профессор МГОУ, академик РАЕН и МАМР                                                                                              С.Л.Афанасьев

 

Константиновская Л.В., Наумов Г.Б., Арешин А.В.

К ……      Общая геология  для экологов. 2 часть: Учебное пособие. – М.:

РУДН, 2010. – 102 с.

ISBN ……………..

Учебное пособие является дополнением к основному курсу «Геология».  В нем рассмотрены основные разделы Геологии  — геологическое строение, состав и свойства земных недр, внешние и внутренние геологические процессы, в том числе и воздействие солнечной активности на геосистемы Земли. Рассмотрено положение Земли в Солнечной системе. Приводятся данные о геологическим летоисчислении – геохронологической и стратиграфической шкалах, основных этапах геологической истории нашей планеты.

Пособие рассчитано на студентов экологических специальностей вузов и колледжей. Оно может быть также интересным и для всех, кто изучает геологию и теорию катастроф.

УДК………

ББК………

ISBN……………

® РУДН, 2010

® Константиновская Л.В., Наумов Г.Б.,  Арешин А.В., 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1 часть

 

ПРЕДИСЛОВИЕ……………………………………………………………………5

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………6

Гл. 1. История и методология геологических наук……………….………………7

Гл. 2. Земля и Космос……………………………………………………………..20

Гл. 3. Строение и состав Земли…………………………………………………..26

3.1. Форма, размеры и физические свойства Земли…………………………26  3.2. Внешние геосферы…………………………………………………….29 3.3. Внутренние оболочки Земли………………………………………….35 3.4.Минералы……………………………………………..…………………44

3.5. Горные породы…………………..……………………………………..52

3.6. Природные воды……………………………………………………………59

Гл.4. Основные геологические структуры земной коры………………………..69

Гл.5. Геологическое летоисчисление и геохимия изотопов…………………….85    2 часть ОГЛАВЛЕНИЕ……………………………………………………………………3

Гл.6. Экзогенные процессы………………………………………………………..4  6.1. Экзогенные процессы……………………………………………………5 6.2. Космогенные процессы…………………………………………………18

Гл.7. Эндогенные процессы.………………………………………….…………24

Гл.8. Этапы геологической истории Земли……………………………………..41

Гл.9. Месторождения полезных ископаемых…………………………………..56

Гл.10. Биосфера и ее переход в ноосферу………………………………………79

Гл.11. Геология и экология………………………………………………………87

Контрольные вопросы ………………………………………..………………..100

Литература…………………………..…………………………………………..103

Интернет-сайты…………………………………………………………………104

ГЛАВА 6. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Любые процессы и явления, которые приводят к изменению химического состава, строения или рельефа Земли называются геологическими процессами.

Изучением геологических процессов занимается отдельное научное направление – д и н а м и ч е с к а я   г е о л о г и я.

Профессор геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова В.Т. Трофимов отмечает, что даже на фоне других явлений природы геологические процессы отличаются целым рядом особенностей – исключительной энергоемкостью и инерционностью.

«Энергоемкость» – означает, что для их осуществления и «запуска» требуется очень много энергии. «Инерционность» – связана с тем, что если процесс однажды запущен, то что бы его остановить или изменить направление его течения надо так же затратить не меньшее количество энергии.

Кроме того, следует учитывать, что в природе один геологический процесс может инициировать целую цепочку других – «наведенных» процессов и тогда ситуация может принимать лавинообразный характер.

Геологические процессы подразделяются на две большие группы: процессы внешней динамики земли – экзогенные процессы и процессы внутренней динамики – эндогенные.

Принципиальное отличие между ними заключается в расположении источника энергии для их осуществления. Источник энергии для эндогенных процессов находится внутри самой планеты – это процессы радиоактивного распада, процессы гравитационной дифференциации вещества, приливно-отливные явления в литосфере, процессы уплотнения и разуплотнения вещества в недрах – все эти явления сопровождаются выделением энергии.

Источником энергии для эндогенных процессов находится вне планеты Земля. Таковым источником является энергия Солнца. Как правило, энергия так или иначе преобразованная – в энергию ветра, текущей воды, морских волн и т.п.

Еще одна особенность геологических процессов заключается в том, что большинство из них это очень  медленные явления и их результат становится заметным только через сотни, тысячи и миллионы лет. Конечно, существует небольшое количество сравнительно быстрых процессов, чей результат человек может наблюдать через несколько часов и даже минут после их начала – обвалы, оползни, землетрясения, извержения вулканов. Однако таких «быстрых» процессов очень немного. «Медленные» процессы, конечно, далеко не столь эффектны, чем «быстрые». Но от этого они не становятся менее грозными. Так, например, ежегодный  ущерб от почвенной эрозии в денежном выражении не многим уступает ущербу от землетрясений за тот же период.

При изучении геологических процессов принципиально важно установить направление развития данного геологического процесса и стадию его развития. Здесь возможны следующие случаи:

• Геологический процесс активно развивается в настоящее время
• Геологический процесс «умер» – то есть он прошел полный цикл развития и его возобновление невозможно, если только не изменятся окружающие условия или геологическое строение данного района
• Процесс законсервирован на определенной стадии, но при изменении окружающих условий возможно его возобновление

Надо также учитывать, что из – за медлительности протекания большинства геологических процессов о направлении их развития приходится судить по косвенным признакам – преимущественно по особенностям рельефа и по характеру отложений, чье образование связано с этим  процессом.

6.1. Экзогенные процессы

Экзогенными (греч. «эксос» — снаружи, «генесис» — происхождение) процессами называются процессы внешней динамики Земли, обусловленные действием внешних агентов и происходящие в приповерхностной зоне.

Экзогенные причины условно можно поделить на 2 группы:

1) земные: выветривание, геологическая деятельность ветра, поверхностных текучих вод, подземных вод, ледников, морей и океанов, гравитационные процессы и др.

2) космические: воздействия Луны; планет; комет и астероидов; Солнца; Галактики (звезд). В этом случае вихри и бури разнообразных солнечных (и космических) излучений; энергия развития собственного земного вещества и силы вращения Земли, приливные напряжения, вызванные притяжением Луны, Солнца и планет.

Условность такого деления обусловлена тем, что такие земные процессы как изменения климата и метеорологических условий в значительной степени обусловлены космическими процессами.

Особняком стоят экологические воздействия (человеческий фактор): техногенные изменения, связанные с производством и разработкой недр, войнами, строительными работами и др.

Экзогенные геологические процессы (земные.)

Выветриванием называется совокупность процессов физического, химического и биологического преобразования и разрушения минералов и горных пород. Процессы выветривания тесно связаны с взаимодействием поверхностной части земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой. Часть земной коры, где происходит преобразование минералов, называется зоной выветривания или зоной гипергенеза.

Условно выделяют 2 взаимосвязанных фактора выветривания: химический и физический.

Химическим выветриванием называется качественное изменение структуры и состава минералов и замещение их новыми под воздействием обладающих окисляющей и растворяющей способностью кислорода, углекислоты и других химически активных элементов, содержащихся в атмосферных и почвенно-грунтовых водах. Химическое выветривание сопровождается процессами окисления, гидратации, растворения и гидролиза. Воздействие на горные породы оказывают находящиеся в воде растворенные ионы ОН^—, НСО₃ ^—, SO₂ ^2-, Cl^—, Ca²⁺ , Mg²⁺ , Na⁺, K⁺. Они способны замещать заряженные атомы в кристаллах или взаимодействовать с ними, нарушая первичную кристаллическую структуру минералов.

Насыщенные углекислотой поверхностные атмосферные осадки, просачиваясь сквозь поры и трещины в горных породах, окисляют и растворяют (выщелачивают) их. При этом из горных пород выносятся такие химические компоненты, как хлориды, сульфаты, карбонаты, и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям. В результате растворяющей деятельности атмосферных вод на поверхности растворимых пород образуются борозды, воронки, котловины. С процессами химического выветривания в самой верхней части земной коры связано образование слоя плодородной почвы.

Химическому выветриванию содействует деятельность животных и растительных организмов. Например, моллюсков, просверливающих норы в прибрежных скалах. Они разлагают первичные минералы, поглощая из разрушаемой породы питательные химические элементы. Корни деревьев, растущих в трещинах горных пород, также  оказывают на них биохимическое воздействие.

Физическое выветривание (или физическое разрушение) горных пород происходит под воздействием солнечной энергии (температурное выветривание) и воды (механическое выветривание). Оно сильнее всего проявляется в областях с резким колебанием температуры дня и ночи. Теплым днем горные породы разогреваются и расширяются в объёме. А ночью, охлаждаясь, вновь сжимаются. При этом одни минералы расширяются больше, а другие — меньше. Этого достаточно для того, чтобы ослабить силы сцепления между отдельными  минеральными зернами. В результате в горных породах возникают трещины, и породы раскалываются на отдельные обломки.

Вода участвует в физическом выветривании следующим образом. Так, 1 г воды при 4°С имеет объем равный 1 куб. см.  А в твердом агрегатном состоянии (0°С) объём 1 г льда занимает 1,000132 куб. см. Проникая в трещины и пустоты горных пород, вода замерзает и оказывает на их стенки громадное давление (более 2000 кг/см²). Это  приводит к разрушению и дроблению коренных пород.

Геологическая деятельность ветера (Эоловая деятельность) (греч. «Эол» — Бог ветра) – это процессы, обусловленные деятельностью ветра по созданию им форм рельефа и отложений.

Переносимые воздушными струями твердые песчинки обтачивают, истирают и полируют поверхность горных массивов. Ветер, разрушая горные породы и выдувая из них песчинки и более крупные обломки, создает замысловатые «формы рельефа» (рис.6.1).

Виды геологической деятельности ветра. Геологическая деятельность ветра состоит из 4 видов: дефлязии (выдувание и развевание), коррозии (обтачивание и соскабливание), пореноса, аккумуляции (отложение).

Дефляция — разрушение, раздробление и выдувание ветром (воздушными струями) рыхлых горных пород на поверхности Земли (дефляцией — лат. «дефляцио» — выдувание).

Коррозия (корразия). Процесс разрушения горных пород с помощью переносимых ветром твердых частиц называется коррозией (лат. «корразио» — обтачивание).

Перенос и аккумуляция. Ветер не только оказывает динамическое воздействие на горные породы. Он переносит на огромные расстояния рыхлый материал. Наиболее ярко деятельность ветра проявляется в пустынях, которые занимают 20% поверхности континентов. Таким путем накапливались мощные толщи лессовых отложений.

Деятельность поверхностных текучих вод. Под текучими водами понимаются все виды поверхностного стока на суше от струй, возникающих при выпадении дождя и таяния снега, до самых крупных рек. В их деятельности выделяют 3 составляющие: разрушение, перенос, отложение (аккумуляция).

По характеру и результатам деятельности выделяют 3 вида поверхностного стока вод: плоскостной безрусловой склоновый сток, сток временных русловых потоков, сток постоянных водотоков (рек).

Эрозия — разрушение горных пород и почв путем смыва их частиц (лат. «эродо» — размываю). Различают эрозию водными потоками:

—  поверхностная — сглаживает неровности рельефа;

—  линейная — расчленяет рельеф, вырабатывает ложбины, овраги и в конечном итоге долины;

—  боковая — подмыв берегов рек;

—  глубинная — углублении дна русла реки.

Эрозионная деятельность реки зависит от ее уклона: разности высот между истоком (или данной точкой в течении реки) и ее базисом эрозии – уровнем конечного бассейна, куда впадает река. Чем больше уклон русла, тем больше энергия водного потока. Наибольшая глубинная эрозия (наибольшее углубление дна русла) происходит в верхнем течении реки вследствие значительного уклона поверхности ее русла. В нижнем течении склоны пологие, и углубление русла здесь незначительное.

Режим рек изменяется во времени и проявляется чередованием в течение года периодов высокого (половодье или паводк) и низкого (межень) уровня воды. Количество воды в реках о время половодий увеличивается в 5-20 раз и более. Поймой называется возвышающаяся в межень непосредственно над руслом часть долины реки. В случае появления молодых эрозионных врезов в реке (при понижении базиса эрозии или поднятии суши) на месте плоскодонных хорошо разработанных долин формируется новая пойма на более низком гипсометрическом уровне. Участки прежнего дна долины, возвышающиеся в несколько ярусов над современной поймой, называются надпойменными террасами. Нумерацию надпойменных террас обычно начинают снизу от наиболее молодой к более древней (I, II, III, IV и т.д. рис. 6.2).

По строению террас различают:

— эрозионные (террасы размыва) характерные главным образом для горных рек с большим уклоном,

— аккумулятивные, когда все площадки и уступы сложены аллювиальными отложениями и

– цокольные, или эрозионно-аккумулятивные, где нижняя часть уступа (цоколь) сложена коренными породами, а верхняя часть – аллювиальными отложениями.

 

 

Текучие воды существенно преобразуют рельеф поверхности континентов. В течение миллионов лет они уничтожают самые высокие горные хребты. Реки не только разрушают коренные горные породы, но и перемещают вниз по течению — в моря продукты разрушения и все, что попадается на их пути. В целом по земному шару денудация понижает поверхность суши со средней скоростью около 0,09 мм в год, или 9 см в тысячелетие. Количество переносимого реками обломочного материала и растворенных веществ велико. Подсчитано, что все реки земного шара ежегодно выносят в моря и океаны примерно 20 млрд. твердых веществ,  полученных за счет разрушения суши.

Совокупность процессов сноса и удаления с возвышенностей продуктов выветривания горных пород с последующим их накоплением в понижениях рельефа называется денудацией (лат. «денудацио» — обнажение).

Осадконакопление. Текучие воды производят огромную  геологическую  работу по  разрушению горных пород и переносу их обломков. Ежегодно реками к устью выносится около 20-25 куб. км. Песчано-глинистого материала. Переносимые текучими  водами продукты разрушения горных пород  осаждаются по пути продвижения водных потоков. На  склонах возвышенностей скапливается делювий (лат. «делюо» — смываю). У выхода временного потока из горного ущелья на предгорную равнину поток теряет силу и переносимый им обломочный материал осаждается. Так образуются конусы выносов — веерообразно накопленные грубообломочные отложения, состоящие главным образом из галечников (более общее название — пролювий от лат. «пролюо» — промываю).

На дне пологого речного русла осаждается обломочный материал, называемый аллювием (лат. «аллювио» — нанос). В аллювии часто концентрируются различные ценные минералы,  вымываемые  из коренных пород. Они образуют россыпные месторождения золота, платины, алмазов, рубина, титанистого железняка, касситерита и других минералов. При впадении рек в моря и озера происходит резкое понижение скорости речного потока. Вследствие этого принесенный реками обломочный материал осаждается в устье реки. Здесь образуется широкий песчаный треугольный конус выноса — дельта. Дельты рек занимают иногда значительные площади. Наземная дельта переходит в подводную дельту (авандельту).

Выносимые в огромном количестве реками обломки горных пород и растворенные химические вещества являются источником образования морских осадков. Последние играют основную роль в строении осадочного слоя земной коры.

Особое экологическое значение на границе литосферы с атмосферой и гидросферой имеют почвы, илы и коры выветривания.

Осадконакопление и почвообразование. Почва — верхний горизонт лито­сферы, который нередко называют кожей нашей планеты, вовлеченный в биологический круговорот при участии микроорганизмов, растений и жи­вотных, область наивысшей геохимической энергии жи­вого вещества. Особенно велика в почве роль ми­кроорганизмов, которых в каждом грамме почвы содержатся миллионы и миллиарды. Сущ­ность процессов почвообразования заключается в разложении органических веществ микроорганизмами. Поэтому мерилом интенсивности почвообразования слу­жит количество органического веще­ства, разлагающегося в почве за год. Наиболее интенсивны процессы раз­ложения во влажных тропиках и сла­бы в тундре и пустынях.

Разлагая остатки растений и жи­вотных, микроорганизмы поставляют в почвенные растворы СО₂, органиче­ские кислоты и другие органические соединения, делают их химически вы­сокоактивными. Чем больше ежегод­но разлагается органического веще­ства, тем богаче почва химически ра­ботоспособной энергией, тем дальше она от равновесия. Почвы — это особо неравновесные, чрезвычайно динамич­ные биокосные системы. По составу, строению и физико-химическим условиям в почвах выделяют несколько горизонтов почвенного профиля. Для большинства почв максимальное накопление гумуса и многих элементов наблюдается в верхней части (горизонт А₁). Под верхним гумусовым горизонтом располагается горизонт А₂ из которого вымыто большинство подвижных элементов. Ниже располагается горизонт В, обогащенный минеральными и органическими веществами, вымытыми из верхней части почвы.

Средний элементарный состав почв отличается от среднего состава литосферы повышенным содержанием основных биогенных элементов (углерода, водорода, азота, серы) и пониженными концентрациями некоторых тяжелых элементов (хрома, кобальта, никеля, мышьяка, цинка) (рис.6.3).

Состав индивидуальных почв зависит от химического состава подстилающих горных пород и видового состава развивающейся в данных ландшафтно-климатических условиях флоры.

Почву можно рассматривать как особую природную мембрану (биогеомембрану), регулирующую взаимодействие между биосферой, гидросферой и атмосферой Земли, роль которой для планеты также важна, как роль кожного покрова для человека. Знание свойств почв позволяет заранее давать необходимые рекомендации правительствам для предотвращения угрозы локальных или широкомасштабных катастроф.

Почвенный покров – одно из главных богатств любого государства, поскольку на ней и в ней производится около 90% продуктов питания человечества.

 

Илы — это подводные осадки, развивающиеся на границе твердой и жидкой оболочек планеты. Как и в почвах в них происходят интенсивные процессы разложения органических и минеральных веществ, вынос и накопление отдельных элементов, их перераспределение между различными формами нахождения. В отличие от почв они растут снизу вверх, а потому твердое основания здесь играет значительно меньшую роль. Минеральное вещество здесь поступает сверху в результате гравитационного осаждения. Кроме того, здесь обычно не участвуют высшие растения.

Подводный аналог почв – ихнолиты – продукты подводного выветривания и растворения осадка, переработанные илоедами.

С отложения илов начинается первая стадия осадконакопления.

Н. М. Страхов выделяет четыре основных горизонта зональности илов (рис.6.4).

В верхнем, относительно маломощном горизонте, наблюдается наиболее интенсивная деятельность микроорганизмов и, связанное с этим накопление органического вещества. Под влиянием микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности происходит образование аутигенных минеральных новообразований (зона II). Дальнейшее перераспределение вещества в осадках приводит к образованию конкреций (concretio – стяжение) и окружающего их цемента (зона III). Дальнейшее уплотнение  осадков приводит к отжатию влаги, дегидратации и литофикации – превращению илов в осадочные породы.

Корой выветривания называются рыхлые продукты изменения горных пород, образующиеся под почвой за счет поступающих из нее растворов. Для коры выветривания характерна инфильтрация атмосферных осадков, выщелачивание растворимых соединений, выветривание первичных алюмосиликатов с образованием глинистых минералов. Во всех этих процессах микроорганизмы принимают самое активное участие.

Основоположниками учения о корах выветривания являются Б.Б. Полынов и И.И. Гинзбург (1882-1965).

Поведение элементов в корах выветривания зависит от ландшафтно-климатических условий и минерального состава пород. Особое значение здесь приобретают процессы окисления минералов воздушным кислородом. Во многих случаях микроорганизмы являются активными катализаторами процессов разрушения первичных пород.

Выветривание протекало уже в докембрии. С древними корами выветривания, погребенными под более молодыми отложениями, связаны месторождения бокситов, каолинов, никеля, редких земель и других полезных ископаемых.

Подземные воды. К подземным водам относятся все природные воды, находящиеся под землей в подвижном состоянии. Вопросы происхождения, движения, развития, распространения подземных вод изучает гидрогеология.

Атмосферные осадки и талые снеговые воды сливаются в реки. Большая их часть впадает в моря или озера. Меньшая часть испаряется с поверхности Земли в атмосферу. Другая часть поверхностных текучих вод просачивается вглубь, пополняя подземные воды. Под воздействием подземных вод внутри пластов осадочных пород происходит растворение и вынос хлоридов, сульфатов, карбонатов, а следствием — формирование пустот, полостей и пещер. Этот процесс называется карстом — по названию горного известнякового плато Карст близ г. Триеста на побережье Адриатического моря, где карстовый процесс и карстовые формы наиболее полно развиты.

Горные породы содержат различные виды воды:

—        пар,

—        физически связанная, гигроскопическая и пленочная,

—        свободная, капиллярная и гравитационная

—        твердое состояние, кристаллизационная и химически связанная.

Выделяют зоны аэрации (почвенные воды и верховодка) и зоны насыщения (пластовые воды).

Геологическая работа льда (ледников). Немалую роль в разрушении коренных горных пород играют и ледники. Они занимают около 11% поверхности суши земного шара. А общий объем заключенного в них льда составляет около 30 млн. куб. км. Выделяют 3 основных типа ледников:

1) материковые (покровные)

2) горные

3) промежуточные (смешанные).

Антарктида занимает площадь 15 млн. кв. км. (с покровом до 4 км. высотой). Это естественные массы кристаллического льда. Лед обладает пластичностью и способностью течь под давлением. Скорость движения ледников составляет от 0,25 мм/ч до 1,25 м/ч.

Ледники. Существенно отличаются от морских и речных аллювиальных  осадков ледниковые отложения. Переносимый и откладываемый ледниками обломочный материал – от тонких глинистых частиц до крупных валунов и глыб – называется мореной (рис.6.5). При отступлении ледника формируется конечная морена.

Характерным типом озерно-ледниковых отложений  являются ленточные глины. Они образуются следующим образом. Летом во время интенсивного таяния льда в ледниковые озера сносится более крупный песчаный материал. А зимой ослабленные потоки приносят лишь мельчайшие глинистые частицы. Таким образом, за год образуются два прослоя (пески и глины), составляющих один годичный слой. Толщи ленточных глин насчитывают более тысячи таких слоев. Если подсчитать их общее количество, то можно установить время, в течение которого накапливалась данная толща.

Оледенения. По реконструкциям Н.М. Срахова и в периоды великих оледенений существовали тропические и аридные зоны, в которых формировались толщи красноцветов (рис. 6.6). Тем не менее, отступая, оледенения оставляли после себя области многовековой мерзлоты.

Вековая мерзлота (криолитозона) (греч. «криос» — холод) в настоящее время существует на значительной части приповерхностной зоны Земли. Она характеризуется отрицательной температурой почв и горных пород и наличием подземных льдов. В зоне мерзлых пород находится около четверти всей суши земного шара и 60% территории России (рис.6.7.). На севере мерзлые породы лежат сплошным пластом, южнее — в виде островов. Нижней границей криолитозоны является поверхность с температурой 0°С. Глубина ее залегания от нескольких метров в умеренных широтах до нескольких километров в высоких. В северных районах Сибири и Канады криолитозона уходит на глубину до 700 м.

На 1500 м в глубь земной коры ушла зона отрицательных температур в 450 км севернее алмазной столицы Якутии — г. Мирный. На той же широте  у  Верхоянска толща мерзлоты всего 250 м.

По времени существования выделяют области многолетнего и сезонного промерзания пород. Летом слой почвы оттаивает не более чем на 2 м, а глубже залегают ледяной грунт, промерзшие породы. Современная вековая мерзлота – это следы грандиозных оледенений, которые неоднократно охватывали нашу планету и особенно интенсивно в последний миллион лет. Тогда ледяные покровы в Европе продвигались южнее Киева и Воронежа, а в Северной Америке занимали большую ее часть. Всего лишь 10 тыс. лет назад ледяным панцирем целиком были покрыты Скандинавия и Карелия.

На территориях развития многолетней мерзлоты замедляются поверхностные биогеохимические процессы миграции элементов, в результате чего время реабилитация нарушений экологических равновесий существенно увеличивается.

Моря. Большую геологическую работу по  разрушению горных пород и переносу их обломков производит море. Разрушительная работа моря называется абразией (лат. «абрасио» — соскабливание). Морские волны обладают колоссальной  разрушительной  силой. При сильных штормах сила удара морских волн может достигать 40 т/м².  Они  разбивают даже самые крепкие породы. Под напором волн берег постепенно отступает в сторону суши.

Под действием волн обломки горных пород постоянно перемещаются, дробятся, истираются и постепенно превращаются в гальку, гравий и песок. Они образуют пляж – прибрежную полосу, покрытую галькой, гравием и песком.

Гравитационные процессы. Под действием силы тяжести продукты выветривания либо остаются на месте своего образования, либо скатываются вниз по склонам гор и оврагов и накапливаются у подножий. В первом случае они называются элювием (лат. «элюо» — вымываю), во втором — осыпями. На крутых обрывах под влиянием сил гравитации вследствие подмыва или насыщения водой склона могут происходить оползни, приводящие к большим разрушениям и человеческим жертвам. Крупные массы горных пород перемещаются (оползают) вниз по наклонной поверхности глинистого слоя. В горах с крутыми обрывистыми склонами под влиянием силы тяжести возникают обвалы больших масс горных пород, особенно  во время землетрясений.

6.2.Космогенные процессы

Космическое воздействие на Землю, в основном, состоит из следующих факторов:

—      солнечная активность (СА),

—      взаимодействие Земли с планетами и Луной,

—      столкновение Земли с астероидами и кометами («теория катастроф»).

Солнечная активность (СА). Воздействие Солнца на планеты наиболее сильно проявляется на расстояние от Солнца до 3 а.е. Здесь располагаются Меркурий, Венера, Земля и Марс.

Воздействие СА на Землю, впервые доказанные в начале 20-го века русским ученым А.Л.Чижевским (солнечно—земные связи), происходит по следующей схеме: возмущения на Солнце ® вариации магнитного поля межпланетной среды ® отклик магнитосферы и ионосферы ® изменения в кинематике вращения и обращения Земли ® вариации напряженности и спектра электромагнитных полей у поверхности Земли ® и далее до ее ядра.

Между солнечным ветром и магнитосферой Земли происходит взаимодействие: дневная сторона (“правая”) Земли сжимается солнечным ветром посредством магнитного поля Земли (до 10 земных радиусов от Земли), а ночная (“левая”) – вытягивается в невидимый хвост, длиной во многие миллионы километров (около 10 тыс. радиусов Земли) (табл. 6.1.).

Затем идет реакция всех подсистем Земли: в магнитосфере возникают возмущения (магнитные бури), полярные сияния, ультрафиолетовая радиация, ионизация верхних слоев атмосферы, колебания напряженности атмосферного электричества, давления воздуха.

В солнечно-климатических связях схема аналогичная, но добавляются изменения в кинематике вращения и обращения Земли: возмущения на Солнце → вариации магнитного поля межпланетной среды → отклик магнитосферы и ионосферы Земли → вариации напряженности и спектра электромагнитных полей у поверхности Земли → изменения в кинематике вращения и обращения Земли. Зависимость изменение скорости вращения Земли вокруг своей оси от СА было открыто еще Джонсоном (“эффект Джонсона”).

Таблица. 6.1. Сравнение гидрометеорологических и геодинамических реакций на изменение напряженности геомагнитного поля в цикле солнечной активности.

	Наименование реакции геосфер	Фазы солнечной активности		Приращение по­казателя, крат­ность изменения реакций геосфер
		Рост солнечной ак­тивности, спад на­пряженности ГМП	Спад солнечной активно­сти, рост геомагнитного поля
1	Поперечник Земли	Увеличивается	Сокращается	на 40-50 м и более
2	Уровень Мирового океана	Снижается	Повышается	на 1-15 м и более
3	Тип погоды	Циклонический	Антициклонический
4	Осадки (дожди, снегопады, смерчи, ураганы, тайфуны)	Увеличиваются	Уменьшаются	в 3—5 раз
5	Паводки на реках	Увеличиваются	Уменьшаются	5-10 раз
6	Наводнения в прибрежных регионах	Наименее вероятны	Увеличиваются и вероятны сильные наводнения
7	Циркуляция подземных вод	Увеличивается	Уменьшается
8	Зеркало грунтовых вод	Повышается	Понижается	на 1,5-2,0 м
9	Пьезометрическая поверхность на­порных вод	Повышается	Понижается	на 40-50 м»
10	Устойчивость склонов и откосов	Уменьшается	Увеличивается	в 3—5 раз
11	Энергия землетрясений, горных уда­ров и выбросов	Уменьшается	Увеличивается	в 6—10 раз
12	Количество взрывов и вспышек мета­на и пыли в шахтах, количество литосферных плазмоидов	Уменьшается	Увеличивается	в 6-10 раз
13	Опасность селей	Увеличивается	Уменьшается	в 3-5 раз

ТМП — геомагнитное поле

В солнечно-биосферных связях (А.Чижевский, 1930) учитывается схема: возмущения на Солнце → вариации магнитного поля межпланетной среды → отклик магнитосферы и ионосферы Земли → вариации напряженности и спектра электромагнитных полей у поверхности Земли → сдвиг в физиологических показателях организма.

Чижевским были выявлены влияния СА на:

—  магнитосферу Земли: на напряженность земного магнетизма, частоту полярных сияний и появление перистых облаков, частоту появления гало и венцов вокруг Солнца и Луны, количество ультрафиолетовой радиации, радиоактивность окружающей среды, степень ионизации верхних слоев атмосферы, изменение радиоприема, колебание напряженности атмосферного электричества, землетрясений;

—  атмосферу Земли: на частоту и интенсивность грозовой деятельности, количество озона в воздухе, инсоляцию, температуру воздуха и воды морей, давление воздуха, частоту бурь, ураганов, смерчей, количество осадков, частоту градобитий, число полярных айсбергов, высоту уровня озер, величину иловых отложений, колебание климата.

Лунные приливы. Отмечаются три основные влияния Луны на Землю:

1)        возбуждение приливных сил на Земле, которые вызывают тепловые изменения в глубинах нашей планеты;

2)        большой силовой усилитель тектонических процессов;

3)        изменение скорости вращения Земли.

Приливы (и прецессию) на Земле создаются преимущественно двумя объектами — Луной и Солнцем. Из-за того, что одна сторона Земли ближе к Луне, лунное гравитационное притяжение оказывается на ближней стороне на 7% больше, чем на дальней. Это и приводит к приливам и отливам в океанах, слабым приливным явлениям в атмосфере и даже вызывает приливные колебания твердой земной коры с амплитудой около 10 см. Приливы на Земле, создающиеся Луной в среднем равны 40 см. Прилив от Солнца в 2,2 раза меньше лунных. Замечено, что наибольшая высота прилива в океанах равна 2 метрам. В каждом данном районе океана каждые 24 ч 50 мин дважды происходит прилив и дважды — отлив (если не вмешаются какие-либо осложняющие факторы). Ежесуточное отставание на 50 мин обусловлено опережающим движением Луны по ее орбите вокруг Земли, которая, непрерывно вращается, вынуждена догонять Луну.

Переход кинетической приливной энергии в тепло происходит вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах, вслед за Луной обегающих Землю и деформирующих ее тело. Одновременно в течение лунного месяца (27 дней) приливообразующая сила Луны колеблется от максимума в перигее (максимальное сближение с Землей) до минимума в апогее (максимальное удаление от Земли). В перигее приливообразующие силы на 40% больше, чем в апогее. Наибольшее значение сила приливов достигает при совпадении перигелия с сизигиями (новолунием и полнолунием), что происходит раз в год. Накладываясь на солнечные, лунные приливы меняют их характеристики. Подобное происходит 2 раза в лунный месяц (27 дней). В это время приливные силы Луны и Солнца складываются и возникают необычно высокие приливы. В первой и третьей четвертях Луны, когда приливные силы Солнца и Луны направлены под прямым углом друг и другу, они оказывают  противоположное воздействие, и высота лунных приливов оказывается ниже приблизительно на одну треть (“квадратурные приливы”). Суточные изменения деформаций не линейны. Амплитуды приливов растут весной, когда Солнце и Луна находятся в соединении; она растут также при приближении Луны к Земле (перигейные приливы); и, наконец, суточные приливы, зависящие от склонения Солнца и Луны.

Лунные циклы обуславливают изменение глобальной циркуляции атмосферного воздуха и поверхности Мирового океана по территории Земли, что влияет на изменение давления воздуха, температуры, абсолютной и относительной влажности, осадков, направления ветров, уровня поверхностных вод.

Не исключено, что именно приливы обеспечивают спусковой механизм для готовящегося землетрясения. Воздействие Луны (как и Солнца) для каждого района Земли различно.

Падение астероидов и комет. Структурная масса Солнечной системы: астероиды (метеорные тела, метеориты), кометы, космическая пыль. Все они, как правило, имеют неправильную форму, не имеют магнитосферы, атмосферы и ядра (кроме комет) и по спирали постепенно сближаются с центром своего обращения (планетой или Солнцем) и со временем неизбежно упадут на него.

Комета («хвостатая звезда») на 70-90% состоит из льдов, газов, воды и пылевого вещества. В среднем диаметр ядра кометы равен 10 км, поперечник может в 10 раз превышать диаметр Земли. Ядро кометы, расположенное в передней части головы, плотное и состоит их смерзшихся газов, превращенных в лед паров воды, метана, азота, окиси углерода, космической пыли и обломков твердых небесных тел. По орбитам кометы делятся на 2 типа:

—        короткопериодические – имеют период до 100 лет и небольшой радиус орбиты;

—        долгопериодические — имеют период более 100 лет и сильно вытянутые орбиты.

В перигелии некоторые кометы приближаются к Солнцу до расстояния 0,5 млн. км  (0,003 а.е.) и проходят через солнечную корону со скоростью 500 км/сек. В афелии они удаляются от Солнца до 400-600 а.е. и их скорость резко падает (до 1 км/сек).

Астероиды делятся на 2 группы: пояса астероидов и блуждающие.

Пояс астероидов находится между Марсом и Юпитером. Астероиды иногда называют «малыми планетами» (им присваивают имена ученых, героев, деятелей искусства). Это мелкие твердые небесные тела и обломки, достигающие в диаметре сотен  километров. В настоящее время известно более 3000 астероидов, которые время от времени сталкиваются друг с другом. Новые астероиды открывают ежегодно.

Блуждающие астероиды не принадлежат поясу астероидов, они имеют различный объем, орбиту и период обращения около Солнца. Их великое множество. Орбита 2 тысяч астероидов пересекает орбиту Земли, из них — 180 довольно крупные.

Метеориты – это остатки астероидов, упавшие на Землю. Метеориты делятся на 2 класса – спорадические и поточные:

—  спорадические (случайные), которые могут наблюдаться каждую ночь и исходят их разных точек неба;

—  поточные (основные или “замечательные”), проявляющиеся в одно и то же время года в определенной точки звездного неба. Обычно это весенние, летние и осенние.

Масса некоторых метеоритов достигает нескольких десятков тонн. По составу метеориты отвечают астероидам и делятся на 3 группы:  каменные (90%), железные (6%) и железо—каменные (4%). В метеоритах  75% водорода и 25% гелия; могут содержать 20% воды и 10% органического вещества.

Астроблемы («звездные раны») (импактные кратеры). Исследования аэрофотоснимков и изучения планет Солнечной системы межпланетными станциями показали, что метеорные бомбардировки с образованием астроблем и приток  химических элементов, были и на ранней стадии развития Земли (4 млрд. лет назад), и не прекращаются вплоть до современной эпохи. В настоящее время на нашей планете достоверно установлено существование около двухсот кратеров импактного происхождения диаметрами от десятка метров до 340 км. С каждым годом их обнаруживают все больше. Масштабы разрушения могут быть огромными (рис. 6.8.).

 

Рис.6.8.  Возможные масштабы разрушений при падении небесных тел

Изменения климата Земли. Космические факторы влияли на глобальные изменения климата Земли. В главе 7 уже указывалось, что в истории нашей планеты фиксируется ряд глобальных периодов оледенения. Существует несколько гипотез о причинах возникновения оледенений. Факторы, положенные в основу этих гипотез, можно подразделить на астрономические и геологические. К астрономическим факторам, вызывающим похолодание на земле, относятся:

1. Изменение наклона земной оси

2. Отклонение Земли от ее орбиты в сторону удаления от Солнца

3. Неравномерное тепловое излучение Солнца.

Складываясь, все эти факторы могут изменять поступление солнечного тепла в Северном полушарии, где мы живем, на 30-32%.

К геологическим факторам относят процессы горообразная, вулканическая деятельность, перемещение материков. Активизация вулканической деятельности, по мнению одних ученых, приводит к потеплению климата на земле, по мнению других к похолоданию. Согласно гипотезе перемещения материков огромные участки суши на протяжении истории развития земной коры периодически переходили из экваториальной области в полярные, и наоборот.

ГЛАВА 7. ЭНДОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Эндогенные геологические процессы традиционно делятся на 3 основных вида: метаморфизм, магматизм и тектогенез.

Метаморфизм

Метаморфизмом (греч. «метаморфоо» — превращаю) называется процесс, в котором в определенных глубинных условиях, отличающихся от первоначальных условий образования, происходят необратимые изменения в структуре, минеральном и химическом составе горных пород. В результате проявления метаморфизма образуются отличные от исходных (прежних) горные породы, называемые метаморфическими породами.

Главной особенностью процессов метаморфизма является то, что они протекают при сохранении твердого состояния минералов и горных пород – без их полного расплавления. Под воздействием высокой температуры происходит перекристаллизация исходных пород, изменение минерального, а нередко и химического состава. Под влиянием повышенного давления исходная порода приобретает новые текстурные признаки, например, сланцеватость и др.

Главные факторы метаморфизма — высокие температуры и давления, химическая активность воды, углекислоты и других компонентов горячих растворов.

Метаморфические процессы могут быть разной интенсивности – от слабо измененных пород до пород, измененных настолько, что восстановить их первичную природу без специальных исследований невозможно. При усилении степени метаморфизма  (т.е. увеличение температуры, давления, концентрации флюидов) происходит изменение или распад неустойчивых в данных условиях минералов  на более устойчивые.

Все метаморфические процессы можно разделить по результату изменения пород на 2 группы:

—  изохимический процесс — химический состав пород не изменяется;

—  аллохимический процесс — химический состав пород изменяется за счет привноса или выноса компонентов.

Фактически метаморфизм отложившихся осадков начинается с самого начала их уплотнения и дегидротации. При этом происходит и ерегрупировка элементов и образование новых минералов. Этот самый первый первый процесс превращения осадка в породу называется диагенез (от гр. диагенезис превращение). Дальнейшие более глубокие изменения происходят в процессе катагенеза, после чего начинается уже собственно метаморфизм.

По комплексу минералов, образующихся из разных исходных пород в процессах метаморфизма выделяются фации метаморфизма, характеризующие глубину формирования и региональный термический градиент. На рисунке 7.1. показано положение различных фаций метаморфизма в координатах температура – давление. По правой оси приведены глубины, отвечающие значениям литостатической нагрузки.

Фации метаморфизма часто обозначаются по названию метаморфических минералов и их парагенезисов, типичных для соответствующих областей термодинамической устойчивости, – гранат-кордиеритовая, гиперстенсиллиманитовая, ставролитовая, андалузитовая, силлиманитовая, кианитовая и др.

Средний радиальный термический градиент земной коры  составляет 30÷33⁰С/км, хотя реально измеренные в локальных участках термические градиенты колеблются в интер­вале от 5÷10 до 200⁰С/км.

Средний радиальный барический градиент обычно вычисляется исходя из усредненной литостатической нагрузки вышележащих толщ. В реальных точках геологического пространства нагрузки на твердую фазу может существенно увеличиваться процессах сжатия, а при растяжении уменьшаться и сохраняться некоторое время, в зависимости от времени релаксации. Флюидное давление может существенно отличаться от давления, под которым находится твердая матрица пород. Таким образом давление, под которым находится твердая матрица пород, зависит не только от нагрузки вышележащих толщ, но и от тектонических процессов, происходящих в данном объеме геологического пространства, усредненные значения полезны для выявления основных тенденций.

Взяв за основу среднюю величину термического градиента и усредненную литостатическую нагрузку вышележащих толщ, получают средний термобарический градиент земной коры 8,5±0,5 бар/град.

По объему пород, подвергшихся метаморфизму, различают 2 типа метаморфизма —  региональный и локальный:

—       региональный метаморфизм – связан с опусканием горных пород на большую глубину.  Он  охватывает огромные территории и огромные объёмы вещества. При региональном метаморфизме кварцевые песчаники превращаются в кварциты, известняки – в мраморы; глины и аргиллиты – в филлиты; кристаллические сланцы и гнейсы, базальты и андезиты породы – в амфиболиты; ультраосновные породы – в серпентиниты,

—       локальный метаморфизм связан с конкретными геологическими структурами – зонами тектонической трещиноватости, приконтактовыми зонами интрузивных тел – контактный метаморфизм. При локальном метаморфизме образуются такие распространенные породы как тектонические брекчии, мелониты, контактные роговики, скарны.

По направленности изменения температуры и давления различают прогрессивный и регрессивный метаморфизм.

Прогрессивный метаморфизм горных пород происходит под влиянием возрастающих величин Т и Р. При этом породы теряют летучие компоненты, прежде всего Н₂О и СО₂, меняется ее минеральный состав за счет перегруппировки элементов, увеличивается крупность минеральных зерен. Так, если среднее содержание углекислоты в осадочных породах около 8 мас. %, то в метаморфических сланцах оно уменьшается почти в 5 раз, а в гнейсах еще в 2 раза (рис.7.2).

При этом летучие компоненты частично удаляются из породы, частично сохраняются в том же объеме в виде высокоплотного вводно-углекислого флюида, под высоким давлением, достигающим 8 и более тыс. атмосфер (рис.7.3). Этот флюид может сохраняться в породе до тех пор пока порода не приобретет хрупкость и в ней, в результате дальнейшего динамометаморфизма,  не возникнут разрывные нарушения. Обычно это происходит уже на стадии регрессивного метаморфизма.

Регрессивный (ретроградный) метаморфизм горных пород происходит при направленном уменьшении параметров Т и Р. Любая интрузивная порода при остывании претерпевает некоторые изменения минерального состава, поскольку парагенетические ассоциации, возникшие в момент кристаллизации, оказываются термодинамически неустойчивыми в условиях более низких Т и Р.

Если при этом не происходит привноса и выноса каких-либо компонентов, то такой процесс называют автометаморфизмом.

Этот процесс проявляется наиболее полно, когда порода достаточно долго находится при параметрах близких  к параметрам кристаллизации. При быстром понижении температуры быстро уменьшается скорость диффузии ионов, и порода как бы «замораживается». Любой гранит на поверхности термодинамически неустойчив, и его изменения не происходят только в силу кинетических факторов.

В области регрессивного метаморфизма под воздействием тектонических факторов часто происходят метасоматические (от гр. meta – после, soma -тело) преобразования, в результате которых могут формироваться метаморфогенные и  постмагматические месторождения. Совокупность прогрессивного и регрессивного метаморфизма создают глобальный круговорот вещества в недрах земной коры, а в совокупности с экзогенными процессами глобальный геохимический цикл (рис.7.4), внутри которого совершаются многочисленные циклы меньших порядков.

«История большинства химических элементов в земной коре… характеризуется замкнутыми круговыми процессами» — писал В.И.Вернадский.

Магматизм

Магматические процессы проявляются в перемещении из недр земной коры к ее  поверхности расплавленной магмы (греч.  «магма» — тесто).

Различают поверхностный (эффузивный) и глубинный (интрузивный) магматизм.

Магма (от гр. magma – пластичная, тестообразная, вязкая масса) вещество, образующееся в результате плавления горных пород в недрах земной коры в результате повышения температуры (плавление), понижения давления (декомпрессия) или повышения содержания летучих компонентов (флюсов). Обычно это многокомпонентная система, состоящая из алюмосиликатного расплава, растворенных в нем летучих компонентов и твердых кристаллов. Изменение температуры и давления сказывается на равновесии расплав ↔ кристаллы, что приводит к дифференциации магм. При внедрении магмы в более высокие горизонты коры она может ассимилировать (поглощать) вмещающие породы, что приводит к образованию новых гибридных (от лат. помесь) пород. Этот процесс называется контаминацией (от лат. загрязнение).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поверхностный магматизм проявляется в форме вулканизма (лат.  «вулканус» — огонь). Через вулканические аппараты магма изливается на поверхность земли в виде расплавленной огненно-жидкой лавы (от итал. «лава» — затопляю) (рис.7.5).

По химическому составу лавы изменяются от кислых (более 65% SiO₂) до основных и ультраосновных (45% SiO₂ и менее).

От химического состава лавы в значительной степени зависят и ее физические свойства. Базальтовые (основные) лавы обычно более  жидкие и высокотемпературные. Они текут со скоростью до 40-50 км/ч. Гранитные (кислые) лавы характеризуются повышенной вязкостью и  малой текучестью.  Их  извержение сопровождается выделением огромного количества газов и  выбрасыванием  в  атмосферу  обломков  твердых  пород, встретившихся на пути их прорыва.

По минеральному составу лавы разделяются на основные (базальтовые), средние (андезитовые) и кислые (гранитные, или риолитовые).

В продуктах вулканических извержений кроме жидкой лавы выбрасываются, твердые и газообразные вещества.

Твердые продукты вулканических извержений в зависимости от величины обломков подразделяются на пепел, песок, лапилли и бомбы. Пепел состоит из мельчайших частиц (менее 1 мм) лавы, вулканического стекла и других пород.  Песком называются частицы лавы величиной от 1 до 5 мм.  Лапилли (лат. «лапиллис» — камешки) — это пузырчатые или округленные обломки шлаков величиной до 1,5-3,0 см. Вулканические бомбы представлены крупными обломками лавы от нескольких сантиметров до 1 м и более.

В составе вулканических газов преобладают пары воды. В различных количествах присутствуют также углекислота,  окись углерода, азот, водород, метан, хлор, фтор, газообразные соединения серы и бора, аргон и другие газы. По мере угасания активности вулкана и падения температуры  состав газов изменяется.

Выделяют два типа  вулканов — центральный и трещинный.

Центральный тип вулкана. Вулканы центрального типа (рис.7.6 а) имеют форму усеченного конуса, образованного продуктами  извержения.

В центре вулкана расположено жерло, соединяющееся непосредственно с вулканическим очагом. Через жерло извергаются магматические продукты. У поверхности жерло переходит  в чашеобразную воронку — кратер (греч.  «кратер» — глубокая чаша), образующийся в результате взрыва. Нередко после извержения вулкана в верхней части вулканического очага возникает полость.

В нее проваливается вершина вулкана, а иногда и примыкающая к нему местность. Такая обвалившаяся  впадина называется кальдерой (исп. «кальдера» — большой котел). Размеры кальдер могут во много раз превышать размеры  кратеров. Стенки древнего кратера представляют собой высокий вал, называемый «сомма«. При следующем извержении вулкана на дне кальдеры образуется небольшой конус. На его вершине располагается новообразованный кратер.

 

 

Рис. 7.6 а. Вулканы центрального типа

 

Подавляющее число современных вулканов центрального типа расположены в пределах трех основных вулканических поясов: Атлантический, Средиземноморско-Индонезийский и Тихоокеанский вулканические пояса.

На Земле насчитывается около 800 действующих вулканов центрального типа.  Несколько тысяч вулканов, активных в минувшие геологические эпохи, считаются потухшими. Но некоторые из них неожиданно пробуждаются после нескольких веков «спячки».

Трещинный тип. В вулканах трещинного типа лавы изливаются из трещин, рассекающих земную поверхность (рис.7.6 «б»).

Обычно это очень жидкие текучие лавы базальтового состава. После застывания они принимают форму плоского горизонтального слоя, называемого покровом. Такие излияния бурно происходили в минувшие геологические эпохи. Древние базальтовые покровы занимают огромные площади на земной поверхности. В России они распространены, например, в Красноярском крае (Тунгусская синеклиза)  на территории около 1,5 млн. кв. км. В Южной Бразилии, в районе реки Парана, базальтовые покровы проявляются на площади около 700 тыс. кв. км. На полуострове Индостан площадь базальтов Деканского плато — около 650 тыс. кв. км, а в Северной Америке,  в районе рек Колумбии и Змеиной,  —  более 50 тыс. кв. км. Излияния базальтовых лав трещинного типа происходят и в современную эпоху.

 

Рис. 7.6 «б». Вулкан трещинного типа

 

Глубинный магматизм. Во многих случаях поднимающаяся из недр вверх магма остывает в различных горизонтах земной коры, не достигая поверхности Земли. Она образует различные по форме застывшие в коренных породах магматические тела, называемые интрузиями (лат. «интрузио» — внедрение).

Этим же термином обозначается и процесс внедрения магматического расплава в земную  кору. Образовавшиеся на большой глубине очень крупные магматические тела площадью более 200 кв. км называются батолитами (греч. «батос» — глубина). Долго считалось, что батолиты практически не имеют нижней границы. Это заблуждение развеяли геофизические исследования, а петрографо-геохимические данные показали, что это тела парагнейсов.

В зависимости от глубины формирования интрузивные тела  приповерхностные (субвулканические), формировавшиеся до глубины 1 км. среднеглубинные (гипабиссальные) в интервале глубин 1 – 3 км, и глубинные (абиссальные) более 3 км. Считается, что от глубины формирования зависит время застывания внедрившейся магмы, поэтому глубинные породы имеют полнокристаллическую структуру, с приближением к поверхности структура становится порфировай, все больше похожей на структуру лав.

По отношению к вмещающим породам интрузии подразделяют на согласные (конкордатные) и несогласные (дискордатные). Среди согласных интрузивных тел наиболее распространены силлы — пластовые внедрения магмы (рис.7.7а).

 

Базальтовые силлы широко распространены в Тунгусской впадине Сибирской платформы, образующие трапповую (от шведского «трап» — лестница) формацию. Грибообразные тела получили название лакколит (рис.7.7б), чашеобразные – лопалит (рис.7.7в) а небольшие линзообразные внедрения в ядрах складок – факолит (рис.7.7г).

Несогласные интрузивные тела образуют прорывающие штоки (немецк. — палка), или рассекающие дайки (шотл. – стена из камня).

Тектоногенез

Земная кора находится в постоянном движении. Скорость этих движений весьма различна: от взрывных при землетрясениях и извержениях до мм в год.

Тектоническими (греч. «тектоникос» – относящийся к строительству) движениями называются перемещения отдельных блоков земной коры относительно друг друга. Различают тектонические движения колебательные, складкообразовательные и разрывные.

Колебательные движения (вековые) – это чередующиеся по знаку медленные вертикальные колебания земной поверхности. Земная поверхность постоянно попеременно то воздымается, то опускается. Каждое мгновение этого «дыхания» Земли незаметно глазу человека.  Но длительные наблюдения подтверждают, что обширные участки земной коры, действительно, медленно поднимаются и опускаются  относительно друг друга. Изучение современных вертикальных движений земной коры показывает, что их скорость в среднем не превышает 1-2 см в год. То есть, за 1 млн. лет может быть создан горный хребет, превышающий по высоте почти вдвое Гималаи.

Установлено, что  отдельные участки земной поверхности опускаются и поднимаются с различной скоростью. С колебательными  движениями связано перемещение береговой линии моря. Если прибрежный участок суши опускается, море переходит за береговую линию и наступает на сушу. Этот процесс называется  трансгрессией (лат. «трансгрессио» — переход). В случае поднятия суши,  море отступает — регрессирует (лат. “регрессус» — обратное движение).

Современные методы точных измерений позволили установить, что Малый Кавказ поднимается со средней скоростью ~10 мм/год, а Черноморское побережье погружается примерно на 12 мм/год. В Байкальской рифтовой зоне вертикальные движения составляют 10÷20 мм/год. В Нидерландах с давних пор для защиты от морских волн строят дамбы.

Землетрясения. Приборами (сейсмографами) регистрируется более 100 тыс. слабых толчков в год. По всему земному шару за этот же период происходит около 100 сильных землетрясений. Землетрясения проявляются короткими подземными толчками. Они продолжаются от доли секунды до нескольких десятков секунд. Но этого бывает достаточно для того, чтобы произвести огромные разрушения на поверхности Земли.

Землетрясения приводят к огромным  разрушениям и человеческим. Некоторые из них уносили сотни тысяч человеческих жизней. Причиной землетрясений, по мнению ученых, являются быстрые смещения вдоль разрывов блоков земной.

Очаг землетрясения. Участок земных недр, где происходит первичная  подвижка  земных масс,  называется “гипоцентром” (греч. “гипо” — под, внизу; лат. «центрум«- центр круга ), «очагом«, или “фокусом” (лат. “фокус” — очаг) землетрясения. Очаг землетрясения, в котором зарождается первый импульс колебания, – это определенный объем горных пород, подвергшихся разрушению. Отсюда начинают  свой стремительный бег в разные стороны сейсмические (упругие)  волны. Они передаются на сотни и тысячи километров.

Подавляющее количество землетрясений приурочено к глубинам до 100-200 км. Наиболее близкие к поверхности очаги землетрясений располагаются на глубинах около 10 км. Глубокофокусные землетрясения зарождаются на глубинах до 700 км. Проекция «очага» на земную поверхность называется «эпицентром» (греч. «эпи» — на, над; лат.  «центрум» — центр круга) землетрясения.

Энергия землетрясений. В очаге землетрясения высвобождается огромная внутренняя энергия Земли, достигающая 10¹⁵÷10²⁵ эрг (1 эрг = 10^-7 Дж). При Ашхабадском землетрясении 1948 году выделилось энергии 10²³ эрг, при Хаитском в Таджикистане в 1949 году — 5^.10²⁴ эрг, в 1960 году в Чили — 10²⁵ эрг. По всему земному шару в среднем за год за счет землетрясений выделяется около 0,5^.10²⁶ эрг энергии.

«Шкала Рихтера». Энергия, вызвавшая сейсмические колебания в очаге землетрясения, оценивается по шкале безразмерных величин (от 1 до 9), называемых магнитудами (лат. «магнитудо» — величина). Под магнитудой понимается логарифм отношения максимального смещения частиц грунта (в микрометрах = 10^{-6 м) в сейсмической волне данного землетрясения (на расстоянии 100 км от эпицентра) к смещению эталонного землетрясения, магнитуда которого условно принята равной нулю. Предложил эту шкалу японский ученый Т.Вадати и усовершенствовал американский сейсмолог Ч.Рихтер. По имени последнего она получила название «шкала Рихтера».}

 

 

Соотношение силы землетрясений в магнитудах и его энергией показана на рисунке 7.8. Но каждому землетрясению предшествует серия сейсмических событий, называемых форшоками (рис.7.9), отражающими внутренние процессы подготовки к основному событию, и завершается афтершоками (повторный сейсмический толчок, меньшей интенсивности по сравнению с главным сейсмическим ударом) связанными с перераспределением напряжений возникших в окрестностях очага время главного удара.

 

Геодинамика

До недавнего времени каждое из этих типов движения рассматривались самостоятельно в рамках теории фиксизма, закреплявшего положение основных геологических структур на поверхности планеты.

В этой теории платформы могли испытывать незначительные колебательные движения, а сложные тектонические подвижки, сопровождающиеся внедрением магматических тел, происходили в геосинклиналях.

В значительной мере это было связано с тем, что возможности геологического изучения ограничивались главным образом континентами, а геология океана оставалась белым пятном. Геофизические и геохимические методы не позволяли получать надежные эмпирические данные ни по Земле в целом, ни по связи земной коры с глубинным строением планеты и ее связи с космосом.

Положение начало меняться во второй половине ХХ века. Была выявлена глобальная система срединно-океанических хребтов и разломов, пересекающих эти хребты, установлены и расшифрованы линейные магнитные аномалии океанического дна, система сейсмических наблюдений позволила прощупать физические свойства глубоких недр, а изотопная геохимия дала надежные возрастные реперы геологических объектов и трассеры земного вещества.

Литосферные плиты сложены как океанской, так и кон­тинентальной корой одновременно. Например, Южно-Американс­кая единая плита состоит из океанской коры западной части южной Атлантики и из континентальной коры Южно-Американского кон­тинента. Только одна Тихоокеанская плита целиком состоит из коры океанского типа. Зем­ля шарообразная, поэтому плиты перемещаются по сфере (рис. 7.10).

Границы плит не однородны. В осевых зонах срединно-океанских хребтов происходит раздвижение литосферных плит и их наращивание за счет вещества мантии. Явление раздвижения морского дна называется спредингом. Расширение литосферы в области океанов и новообразование океанической коры компенсируются сокращением поверхности земной коры при поддвигании (субдукции) одних плит под другие у периферии океанов, в области островных дуг, а также у подножия молодых складчатых хребтов (рис.7.11).

 

 

Погружение переднего края одной из двух встречающихся плит происходит на значительную глубину (до 700 км) вдоль наклонных разломов, в материковой коре другой плиты под влиянием сжатия образуются складки и надвиги (Анды, Гималаи). Изучение современных движений земной коры показывает, что скорость вертикальных перемещений в среднем не превышает 1-2 см в год, а горизонтальные смещения колеблется от нескольких миллиметров до 18 см в год, в среднем 1—5 см в год.

Построения, основанные на гипотезе мобилизма, подтверждаются рядом геологических, палеомагнитных, палеонтологических, палеоклиматических, геотермических (рис.7.12) и даже антропологических данных.

Так максимальный тепловой поток из недр планеты наблюдается в срединно-океанических хребтах, где а результате спрединга происходит излияние магм и циркулируют локальные гидротермальные системы, известные под именем «черных и белых курильщиков». Внутриплитный магматизм мобилизм связывает с горячими точками, возникающими за счет вертикальных потоков в мантии – плюмов, остающихся почти неподвижными относительно движущихся литосферных плит. Происхождение горячих точек является предметом оживленных дискуссий уже много лет. Идеи мобилизма в настоящее время доминируют в геологических построениях. Сложнее с представлениями о движущей силе, перемещающей плиты, механизме поддвигания и засасывания океанической коры в зонах островных дуг. Существует ряд моделей этого процесса, но выбор между конкурирующими моделями и создание общей теории развития земной коры станет возможным после накопления геодезических данных о взаимном перемещении материков и более достоверных сведений о составе и строении литосферы (особенно под океаном) и более глубоких оболочек Земли.

Обобщая накопленный фактический материал, В.Е.Хаин на основании статистического анализа космических и эндогенных событий высказал предположение о наличии связи между крупными мантийными и космическими событиями (рис.7.13). «Можно считать практически доказанным, что высокую активность плюмов стимулировало именно импактное воздействие на твердую Землю, но механизм этого воздействия пока остается неясным» — отметил он.

ГЛАВА 8. ЭТАПЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

Этапы развития Земли

Поскольку геохронологическая шкала построена, опираясь на палеонтологический метод, в ней выделяются два крупных этапа (Табл.8.1.):

1)   криптозой (этапом скрытой жизни) (греч. «криптос» — скрытый, «зоэ» — жизнь). Включает в себя археозой и протерозой;

2)   фанерозой (этап явной жизни) (греч. «фанерос» — явный, «зоэ» — жизнь). Включает в себя палеозой, мезозой и кайнозой.

Между возрастом Земли как планеты (4,6 млрд. лет) и возрастом изученных  древнейших горных пород имеется некоторый хронологический пробел, включающий этап акреции вещества газопылевой туманности и догеологический этап. Первые организмы зафиксированы в породах 3,2 млн. лет, а по изотопным данным проявления жизни датируется 3,8 млн. лет. Датские ученые обнаружили в породах формации Исуа в Гренландии в углеродистых прослоях возрастом 3760 млн. лет надежные следы фотосинтеза. Эти породы являются вообще древнейшими на Земле осадочными образованиями.

 

Таблица 8.1. Этапы развития Земли
№	Этап	Продолжительность млн. лет	№	Эпохи	Интервал  млн. лет
0	Догеологический	400	—	—	4600 ÷ 4200
1	Криптозой («скрытая жизнь»)	3600	1	археозой	4200 ÷ 2600
			2	протерозой	2600 ÷ 535
2	Фанерозой  («явная жизнь»)	535	1	палеозой	535 ÷ 250
			2	мезозой	251 ÷ 65
			3	кайнозой	65 ÷ 0

КРИПТОЗОЙ (криптозойский этап — «время скрытой жизни»)

Геологическая история Земли насчитывает 4,2-4,0 млрд. лет. Основную ее часть (более 85%) составляет допалеозойский этап, соответствующий  времени  формирования отложений археозойской и протерозойской групп.

Архейский эон.

Литосфера архея. В архейском эоне, продолжавшуюся 1,6 млрд. лет (4,2-2,6 млрд. лет назад), интенсивно проявлялись магматизм и складчатость (о том, каким был рельеф Земли в архее, можно судить по космическим снимкам поверхности Луны. Ее рельеф создан  вулканической деятельностью и столкновениями с метеоритами). По-видимому, в начале архея и Земля подверглась бомбардировке каменными и железными метеоритами. В конце архея проявились древнейшие складчатые движения. Они явились причиной залегания протерозоя на архее с крупным структурным несогласием. Ныне архейские породы слагают складчатый фундамент платформ. Они выходят на поверхность в области Балтийского, Алданского, Канадского и других щитов.

Атмосфера архея. В то время на Земле уже существовали атмосфера и гидросфера. Атмосфера содержала пары воды, углекислоту, аммиак, метан, водород  и другие газы. Древние процессы выветривания, эрозии, денудации привели к уничтожению и выравниванию возвышенного рельефа. Уносимые  текучими водами обломочные частицы осаждались в архейских морях. Так  возникли  первичные осадочные толщи  на Земле.

Биосфера архея. Биосфера начала формироваться на самых ранних стадиях развития планеты. Память об органическом мире архея донесли до нас сохранившиеся в осадочных пластах следы жизнедеятельности обитавших в морях первых микроскопических примитивных одноклеточных организмов – фотосинтезирующих сине-зеленых водорослей и бактерий. По косвенным признакам граница наличия биоты на Земле отодвигается все дальше и дальше. Датские ученые обнаружили в породах формации Исуа в Гренландии в углеродистых прослоях возрастом 3760 млн. лет надежные следы фотосинтеза. Эти породы являются вообще древнейшими на Земле осадочными образованиями.

В последнее время многие ученые (Г.А.Заварзин и др.) сдвигают время появление простейших живых веществ практически к концу процесса планетной аккреции. При этом речь уже идет не об отдельных видах организмов, а о целостных экосистемах, включающих симбиозы живых существ и среды их обитания. Первыми вещественными следами являются слоистые кремнистые и известковые постройки – строматолиты (греч. «строма» — покров, «литос» — камень). Они обнаружены в Гренландии, Австралии  и Южной Африке. Эти примитивные формы жизни (рис.8.1) являются уже достаточно сложными организмами.

Протерозой

Литосфера протерозоя. В течение протерозоя, продолжавшегося с 2600 до 535 млн. лет назад, накопился мощный комплекс ныне метаморфизованных обломочных и вулканогенно-обломочных отложений. Протерозой подразделяют на:

• ранний (2,6-1,65 млрд. лет);
• поздний (1,65-0,57 млрд. лет), состоящий из 2 интервалов:

§ от 1,65 до 0,65 млрд. лет — рифейский эон;

§ 0,65-0,54 млрд. лет — вендский период.

Ранний протерозой характеризуется образованием первых платформ, получивших название древних (или протоплатформ от греч. «протос» — первый). Имеются данные, указывающие на то,  что в начале протерозоя (2,5-2,1 млрд. лет назад) на Северо-Американском континенте и в Южной Африке существовали ледниковые образования. Древнейшие ленточные глины и ледниковые морены обнаружены среди верхнепротерозойских отложений в различных районах земного шара. 1000-600 млн. лет назад ледниковые покровы появились трижды (рис.11.2.) в пределах Северной и Южной Америк, Гренландии,  Австралии, Центральной и Южной Африки, Русской платформы, Урала, Казахстана, Южного Китая и Кореи.

Поздний протерозой. Следующая мощная складчатость, названная байкальской, произошла на огромных пространствах в конце протерозоя. В это время на Земле появились грандиозные горные поднятия — байкальские складчатые структуры (байкалиды). Платформы, образовавшиеся в результате проявления байкальской складчатости, называются эпибайкальскими (греч. «эпи» — после) платформами. Протерозойские горно-складчатые структуры, видимо, были очень высокими.

К концу протерозойской эры под воздействием процессов внешней динамики —  выветривания и денудации докембрийские горно-складчатые сооружения были, по-видимому, в значительной степени разрушены и снивелированы.

Предположительно около 1,1 млрд. лет назад сформировался суперконтинент «Родиния» (от русского «родина»), или «Пангея-0», который распался примерно 750 млн. лет назад, и один океан – Миро́вия (от русск. мировой). Родиния считается древнейшим материком на планете, однако её позиция и очертания всё ещё являются предметами споров. Существуют предположения, что до нее существовали отдельные разрозненные континенты.

Вендские отложения почти повсеместно резко отделяются от нижележащих перерывом. Метаморфизм отложений венда много слабее, чем протерозойских, а разнообразие осадочных пород больше. В ряде районов мира, в том числе на Русской равнине, в Африке. Австралии, Китае, обнаружены ледниковые отложения – тиллиты.

Биосфера протерозоя. В протерозойских отложениях чаще, чем в архейских, встречаются строматолиты — следы жизнедеятельности колониальных фотосинтезирующих одноклеточных бактерий и сине-зеленых водорослей. Они найдены в нижнепротерозойских кремнистых сланцах (2,5-2,0 млрд. лет назад)  Карелии  и Кольского полуострова  (Россия) и в районе озера Онтарио (США и Канада). Обнаружены строматолиты также в осадочных породах верхнего протерозоя.

В раннем рифее, видимо, появились первые многоклеточные существа – черви — илоеды. Они пропускали через себя переполненные питательным веществом верхние слои морского ила и улавливали живые бактерии и водоросли, которые в нем обитали. На это указывают сохранившиеся следы их зарывания — затвердевшие мелкие червеобразные комочки илистого грунта, прошедшие через их кишечник. В отложениях верхнего протерозоя (800-700 млн. лет назад) обнаружены редкие остатки кишечнополостных, членистоногих и других беспозвоночных животных. В конце рифея появились разнообразные животные и крупные (до 1 м в длину) водоросли (рис.8.2.).

Органический мир венда значительно богаче, чем рифея. Он характеризуется обилием водорослевых построек и содержанием некоторых других органических остатков, отличных от комплексов рифея. Кроме групп, появившихся в протерозое, встречаются радиолярии, губки, медузы, кольчатые черви, членистоногие. Многие эти организмы были лишены внешнего или внутреннего скелета, и их остатки представлены отпечатками мягких тканей. По обилию и уровню развития вендские организмы более близки к фанерозою.

Полезные ископаемые. С криптозойскими отложениями связаны месторождения  разнообразных полезных ископаемых. Так, в архее выявлены месторождения руд хромитов  (Австралия, Северная Америка, Африка), медноникелевых руд, золота, железа (Канадский,  Балтийский щиты, Австралия), колчеданно – медно – золото — серебряная минерализация,  редкометалльные пегматиты и др.  Открыты крупнейшие месторождения железных руд, называемых джеспилитами (англ. «джаспер» — яшма), или железистыми кварцитами.

Это — глубоко метаморфизованные слоистые кварцево-железистые породы, осадочного или вулканогенно-осадочного происхождения. Некоторые ученые считают, что джеспилитовые месторождения железных руд  образовались в результате деятельности железобактерий.  Они известны в протерозое России, Украины, Северной Америки, Бразилии, Индии, Южной Африки.  В России  к ним относятся, в частности, месторождения железных руд Курской магнитной аномалии, а также месторождения Карелии, Кольского полуострова, Восточной Сибири. Железистые кварциты района Исуа в Гренландии являются древнейшими датированными горными породами Земли (3,76 млрд. лет).

Среди полезных ископаемых протерозоя, кроме железных руд, главное место занимают руды марганца, никеля,  кобальта, меди, хрома, полиметаллов и урана, золото и алмазы. С вендскими отложениями связаны месторождения меди. свинца, цинка бокситов, фосфоритоф, нефти и горючих газов, гипса и каменной соли.

 

Фанерозой (фанерозойский этап — «явная жизнь»)

Фанерозойский этап истории Земли продолжается 570 млн. лет. Он  включает 3 эры: палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую.

Палеозойская эра (продолжительность 284 млн. лет) делится на 2 части палеозоя: ранний (нижний) и поздний (верхний).

Ранний (нижний) палеозой: кембрий, ордовик, силур.

1.      Кембрийский период продолжался 45 млн. лет. К его началу протерозойские складчатые области были снивелированы процессами выветривания, эрозии и денудации. В начале палеозойской эры на материках Северного полушария существовали платформы, образовавшиеся в конце протерозоя (Северо-Американская, Восточно-Европейская, Сибирская, Северо-Китайская и Южно-Китайская платформы; в Южном полушарии располагались Южно-Американская, Африканская, Индостанская, Австралийская и Восточно-Антарктическая платформы). В кембрии большая часть платформенных массивов погрузилась под уровень неглубоких морей. Отложившиеся на их дне осадки покрыли маломощным осадочным чехлом поверхность допалеозойского складчатого фундамента. Тем самым было положено начало формированию древних плит (Ленско-Енисейская  плита Сибирской платформы,  Миссисипская плита Северо-Американской пдатформы и др.).

На плитах начали формироваться антеклизы  и синеклизы (на Восточно-Европейской платформе в конце протерозоя — начале палеозоя была заложена крупная Московская синеклиза и Волго-Уральская антеклиза. На Сибирской платформе — очень крупная Тунгусская синеклиза).

2. Ордовикий период (47 млн. лет) — на материках Северного полушария проявилась трансгрессия моря. Гондвана на всем протяжении палеозойской эры оставалась в основном сушей.

3. Силурийский период (25 млн. лет) ознаменовался проявлением мощных горообразовательных движений. Эта складчатость получила название раннепалеозойской (или каледонской). С нею связана существенная перестройка структуры земной коры на значительных участках суши. Возникли новые каледонские складчатые области, или каледониды (Аппалачские горы, Грампианские, Норвежские, Западно-Уральские, часть Казахстанских гор, Западные Саяны, Северо-Тяньшанские и другие горные сооружения). Предполагают, что в результате проявления каледонской складчатости произошло воссоединение Северо-Американской и Восточно-Европейской платформ в один обширный Северо-Атлантический материк. А в азиатской части земного шара возник второй крупный материк — Ангарида.

Поздний (верхний) палеозой: девон, карбон, пермь.

1) Девонский период (58 млн. лет). В начале девона проявилась крупнейшая регрессия моря. На земном шаре в то время господствовала суша. Но в среднем девоне под уровень моря погрузились обширные участки Северо-Атлантического материка и Ангариды, и в частности, сформировалась Русская плита Восточно-Европейской платформы. В девоне большое развитие получил поверхностный магматизм. В каледонидах Шотландии, Казахстана и Северного Алтая на земную поверхность изливались базальтовые лавы, извергались значительные массы вулканического пепла.

1)             Каменноугольный (65 млн. лет) и пермский периоды характеризовались чередованием морских трансгрессий и регрессий. В это время проявилась новая – позднепалеозойская (герцинская) складчатость. Возникшие с начала среднего карбона до конца перми складчатые сооружения получили название герцинских складчатых областей (герцинид) (Герциния —  древнеримское название гор Гарца в Германии). Герцинская складчатость — третья (после байкальской и каледонской) крупная складчатость в истории земного шара. Горообразование особенно интенсивно проявилось в Атлантическом, Средиземноморском и Урало-Монгольском регионах.

2)             Пермский период (44 млн. лет) — произошла наибольшая за всю палеозойскую эру регрессия моря. Согласно одной из версий, в Северном полушарии к древним и эпибайкальским  платформам  присоединились каледонские и герцинские складчатые области. В результате произошло объединение Северо-Атлантического материка и Ангариды в один колоссальный  континентальный массив.  Его назвали Лавразией (по реке Св.Лаврентий и Азии). Этот материк протянулся от Скалистых гор на западе до Верхоянского хребта на востоке. В структурном отношении он состоял  из  сочленения разнородных докембрийских, каледонских и герцинских складчатых систем. На высоких герцинских горных сооружениях возникали ледниковые покровы.

В позднем палеозое (360-251 млн. лет назад) мерзлота захватывала Южную и Центральную Африку, Бразилию, Южную Америку, Антарктиду, горные районы Индии, Австралии и Аравийского полуострова. Расширился также и сверхматерик Южного полушария — Гондвана. К окраинным частям Южно-Американской, Африканской и Австралийской платформ причленились герцинские горно-складчатые сооружения.

Пермский период характеризуется проявлением активной магматической деятельности. В геосинклинальных областях происходило внедрение в толщи горных пород крупных интрузий. На платформах по многочисленным трещинам и разломам на земную поверхность изливалась базальтовая магма. Это имело место, в частности, на  Сибирской платформе, в пределах Тунгусской синеклизы.

Органический мир палеозоя. На рубеже протерозоя и палеозоя произошел огромный скачок в развитии органического мира Земли. В кембрийской фауне нет потомков позднепротерозойской фауны. В палеозойских морях продолжали существовать известные с археозоя и протерозоя бактерии и водоросли. Но уже в раннем палеозое впервые появилась в изобилии морская скелетная фауна, пришедшая на смену бесскелетной фауне конца позднего протерозоя. Начиная с этого времени,  последовательно появлялись все известные ныне типы животных и растений. Впервые появились скелетные организмы, первые рыбоподобные бесчелюстные позвоночные, иглокожие (морские лилии и морские ежи). Одновременно в морях распространяются бесчелюстные (панцирные) рыбы с внутренним хрящевым скелетом. В силуре из моря на сушу вышло первое живое существо — скорпион, а за ним — многоножки.

Появились высшие растения — псилофиты. Они не имели ни корней, ни листьев; все функции организма выполнял стебель.

В девоне процветал класс рыб. Наряду с панцирными рыбами (исчезнувшими в конце девона) впервые появились двоякодышащие и кистеперые рыбы, а также первые хрящевые акулы и скаты. Плавательный пузырь двоякодышащих и панцирных рыб приспособился поглощать кислород из воздуха. Вследствие этого он мог выполнять функцию дыхательного органа. И рыбы могли дышать как жабрами, так и при помощи плавательного пузыря. На сушу в девонский период вышли многие представители животных. Появились крупные скорпионы, стегоцефалы и первые бескрылые  насекомые. В мире растений в конце девона псилофиты были вытеснены папоротниками (археоптерисами),  хвощами и плаунами, голосеменными растениями.

Расцвет земноводных и насекомых приурочен к каменноугольному периоду. На суше появились первые хищные и травоядные пресмыкающиеся — рептилии. Широко распространились гигантские панцироголовые земноводные.

В карбоне сушу завоевали громадные лесные массивы с гигантскими мощными деревьями. Они достигали 50 м в высоту и до 2 м в поперечнике. Наиболее характерными представителями карбоновых лесов были гигантские 30-метровые плауновые. С ними соперничали высотою великаны из хвощевых — каламиты.

Пермский период был благоприятным для обитания пресмыкающихся.  Среди них были крупные хищники иностранцевии, растительноядные парейазавры  и морские — мезозавры.

К концу палеозоя вымирают многие группы организмов — гониатиты, замковые брахиоподы, четырехлучевые кораллы, трилобиты, панцирные рыбы и др. Погибли леса папоротников и хвощей,  Большинство споровых растений (плауновых, хвощевых) заменилось голосемянными.

Полезные ископаемые палеозоя. Палеозойские отложения содержат разнообразные полезные ископаемые. В частности,  к магматическим породам приурочены месторождения платины, хромовой, титановой и других руд. А в контакте магмы с известняками образовались месторождения магнитного и красного железняка. В отложениях кембрийской системы содержатся месторождения  каменной  соли, нефти, фосфоритов. Для ордовика характерны горючие сланцы, образовавшиеся из сине-зеленых  водорослей, нефть и газ, каменная соль, гипс, фосфориты. В силуриский период образовались месторождения самородного золота, железных, поллиметаллических и других руд, каменной соли и гипса.

Химические осадки — соли и гипс образовались в девонских лагунах и озерах. С осадками девона связаны также месторождения угля, нефти и газа, а также бокситов и других  полезных ископаемых. В каменноугольный период проявилось самое мощное в истории Земли угленакопление. Отмирающие части растений падали на дно водоемов. При недостаточном для полного разложения доступе кислорода, под действием бактерий и грибков с течением времени они превращались в торф – исходный материал для образования ископаемых углей. Отложения каменноугольной  системы содержат крупные месторождения нефти и газа, бурых железняков, бокситов, нефелина и апатита, киновари и антимонита. В пермский период широко распространились континентальные условия. Это  было время великого соленакопления.

Мезозойская эра продолжалась 180 млн. лет. Она подразделяется на три периода — триасовый, юрский и меловой. В мезозое континенты Северного и Южного полушарий разделялись вытянутым в широтном направлении обширным морским бассейном. Он получил название Тетис — в честь древнегреческой богини моря.

Триас (триасовая система) (51 млн. лет) получил свое название в связи с четким подразделением его отложений на три части — нижний,  средний и  верхний триас. Соответственно, триасовый период делится на три отдела — ранний, средний и поздний.

Ранний (нижний) триас. В некоторых районах земного шара происходили мощные вулканические извержения. Излияния базальтовой магмы образовали толщу основных горных пород, залегающих в виде огромных покровов. Такие покровы называются «траппами» (швед. «траппа» — лестница).  Для них характерна столбчатая отдельность в виде ступеней лестницы. В триасе произошла одна из крупнейших в истории Земли регрессий моря. Она совпала с началом новой складчатости, продолжавшейся в течение всего мезозоя и получившей название «мезозойской». Возникшие в это время складчатые сооружения получили название «мезозоид».

Юра (юрская система) (69 млн. лет) названа по Юрским горам в Швейцарии. В юрский период началась новая трансгрессия моря.  Но в конце юры в области океана Тетис (Крым,  Кавказ,  Гималаи  и др.) и особенно ощутимо в области Тихоокеанских окраин возобновились горообразовательные движения. Складчатость сопровождалась активной вулканической деятельностью. В Южной Африке и Южной Америке в начале юрского периода произошли  крупные излияния основных лав траппового характера.  Мощность базальтовых толщ здесь достигает более 1000 метров.

Мел (меловая система) (80 млн. лет) получил свое название в связи с тем, что в ее отложениях широко распространены слои белого мела. Его начало совпало с обширнейшей морской трансгрессией. Согласно одной из гипотез, северный сверхматерик Лавразия в это время распался на ряд отдельных континентов: Восточно-Азиатский, Северо-Европейский, Северо-Американский. Гондвана также распалась на отдельные континентальные массивы: Южно-Американский, Африканский, Индостанский, Австралийский и Антарктический. В мезозое образовались, возможно,  все современные океаны, кроме, видимо, более древнего Тихого океана.

В позднемеловую эпоху на территориях, прилегающих к акватории Тихого океана, проявилась мощная фаза мезозойской  складчатости.  Менее интенсивные горообразовательные движения в это время происходили в ряде районов Средиземноморской области. Как и в юрский период, складчатость сопровождалась интенсивным магматизмом.

Мезозойские породы «пронзены» внедрившимися в них гранитными интрузиями, происходили грандиозные излияния базальтовых лав, сформировавших трапповые покровы (швед. «трапп» — лестница).

Органический мир мезозоя. На рубеже палеозойской и мезозойской эр существенно обновился животный и растительный мир. Для триасового периода характерно появление в морях новых головоногих (аммонниты, белемниты) и пластинчатожаберных моллюсков, шестилучевых кораллов и других групп животных. Появились костистые рыбы. На суше это было время господства пресмыкающихся. Возникли новые их группы — первые ящерицы, черепахи, крокодилы, змеи. В начале мезозоя появились и первые млекопитающие — мелкие сумчатые  величиной в современную крысу. В триасе — юре появились и расцвели белемниты, гигантские растительноядные и хищные пресмыкающиеся ящеры — динозавры (греч. «динос» — страшный, «саврос»  —  ящер).  Они достигали в длину 30 м и более и весили до 60 тонн.  Динозавры освоили не только сушу, но и море. Здесь обитали ихтиозавры (греч.  «ихтис» — рыба) — крупные хищные рыбоящеры, достигавшие в длину более 10 м и  походившие на современных дельфинов. Тогда же появились первые  летающие  ящеры  —  птерозавры  (греч. «птерон» — крыло), «саврос» — ящер). Это были в основном небольшие (до полуметра) пресмыкающиеся, приспособившиеся к полету. Распространенными представителями птерозавров являлись летающие ящеры — рамфоринхи (греч.  рамфос» — клюв,  «ринос» — нос) и птеродактили  (греч. «птерон» — перо, «дактилос» — палец). Их передние конечности превратились в летательные органы — перепончатые крылья.  Главную пищу  рамфоринхов составляли рыбы и насекомые.  Наиболее мелкие птеродактили были величиной с воробья, наиболее крупные достигали размеров ястреба. Летающие ящеры не являлись предками птиц. Они представляют собой особую, самостоятельную  эволюционную  ветвь  пресмыкающихся,  которая   полностью вымерла в конце мелового периода.  Птицы произошли от других пресмыкающихся. Самой первой птицей,  видимо, является археоптерикс (греч. «археос» — древний, «птерон» — крыло). Это была переходная форма от пресмыкающихся к птицам.  Размером археоптерикс был с ворону. Он имел короткие крылья, острые хищные зубы и длинный хвост с веерообразным оперением. Формой тела, строением конечностей и наличием оперения археоптерикс был сходен с птицами. Но по ряду признаков был еще близок к пресмыкащимся. В юрских  отложениях обнаружены остатки примитивных млекопитающих. Меловой период — время наибольшего расцвета пресмыкающихся. Динозавры достигли огромных размеров (до 30 м в длину); масса их превышала 50 т. Они  широко заселили сушу и воды, царили в воздухе.  Летающие ящеры в меловой период достигли гигантских размеров — с размахом крыльев около 8 м.

Гигантские размеры были свойственны в мезозое и некоторым  другим группам животных. Так, в меловых морях существовали моллюски — аммониты, раковины которых достигали в диаметре 3 м.

Из растений на суше, начиная с триасового периода, преобладали голосеменные: хвойные,  гингковые и др.;  из споровых — папоротники. В юрский период бурное развитие получила наземная растительность. В конце мелового периода появились покрытосеменные растения; на суше образовался травяной покров.

В конце мелового периода органический мир снова претерпел резкие изменения. Вымерли многие беспозвоночные и большинство гигантских ящеров. Исчезли и большие группы высших растений. Причины их вымирания достоверно не установлены. Согласно одной гипотезе, гибель динозавров связывают с геологической катастрофой, происшедшей около 65 млн.  лет назад.

Полезные ископаемые мезозоя. Отложения мезозоя содержат много полезных ископаемых.  Месторождения рудных полезных ископаемых образовывались в  результате проявления базальтового магматизма. В широко распространенной триасовой коре выветривания присутствуют месторождения каолинов и бокситов. В юрский и меловой периоды происходило мощное угленакопления. К юрским и меловым отложениям приурочены знаменитые месторождения нефти и газа. Образовались горючие  сланцы, осадочные железные руды, фосфориты.

К меловым отложениям приурочены месторождения фосфоритов, бокситов, алмазов. С меловыми гранитными интрузиями и базальтовыми излияниями связаны месторождения полиметаллических руд (золота, серебра,  меди,  свинца,  цинка, олова, молибдена,  вольфрама и др.).

Кайнозойская эра (65 млн. лет) подразделяется на «третичный» и «четвертичный» периоды. В России и других государствах бывшего СССР кайнозой подразделяется на три периода: палеогеновый, неогеновый и антропогеновый (четвертичный).

1) Палеогеновый период (40,4 млн. лет) делится  на: раннюю (палеоценовую) (10,1 млн. лет),  среднюю (эоценовую) (16,9 млн. лет) и позднюю (олигоценовую) (13,4 млн. лет) эпохи. В Северном полушарии  в палеогене существовали Северо-Американский и Евразиатский материки.  Их разделяла впадина Атлантического океана. В Южном полушарии продолжали развиваться самостоятельно материки, отколовшиеся от Гондваны и разделенные впадинами Атлантического и Индийского океанов. В области Средиземноморья проявилась первая фаза мощной альпийской складчатости. Она  вызвала поднятие некоторых центральных участков этой области. К концу палеогена море полностью покинуло территорию Гималайско-Индостанской части Тетиса. Образование многочисленных глубинных разломов способствовало базальтовым излияниям.

В конце палеогенового периода во многих частях земного шара широко проявились разрывные и блоковые движения земной коры. В ряде районов возникла система грабенов. Разрывные дислокации сопровождались грандиозными излияниями базальтовых магм.

2) Неогеновый период (23 млн. лет)включает две эпохи: раннюю (миоценовую) и позднюю (плиоценовую). Для неогена было  характерно активное горообразование. К концу неогена альпийская складчатость превратила большую часть области Тетиса в наиболее молодую в  структуре  земной коры альпийскую складчатую область.  В это время приобрели свой современный облик многие горные сооружения. В пределах Восточно-Тихоокеанских прибрежных окраин узкой полосой поднялись береговые хребты. Горообразование происходило и в области Центрально-Азиатского горного пояса.

Мощные блоковые движения  вызвали  в  неогене  опускание  крупных участков земной  коры и морей. Поднятия и опускания блоков земной коры в неогене  сопровождались зарождением глубинных разломов.  По ним происходило излияние лав. В зоне этих разломов возникли в неогене вулканы Везувий, Этна, а также камчатские, курильские, японские и яванские вулканы.

В истории Земли были часты периоды похолодания, чередовавшиеся  с потеплением. Около 25 млн. лет назад, с конца палеогена, произошло похолодание. Одно из потеплений имело место в начале позднего неогена (плиоценовая эпоха). Следующее похолодание сформировало горно-долинные и покровные ледники в северном полушарии и мощный ледяной покров в Арктике. Многолетнее промерзание пород на севере России продолжается до  настоящего времени.

3) Антропогеновый период (четвертичная система) получил свое название потому, что в начале этого периода появился человек (греч. «антропос» — человек). Вопрос о длительности антропогенового периода до настоящего времени окончательно не решен. Одни геологи определяют длительность антропогена не менее 2 млн лет.

Антропоген подразделяется на: эоплейстоцен, плейстоцен и голоцен. Длительность современной эпохи – голоцена не превышает 10 тыс. лет. Но некоторые ученые относят эоплейстоцен к неогену и нижнюю границу антропогена проводят на уровне 750 тыс. лет назад.

Наиболее мощные базальтовые излияния в современную эпоху наблюдаются  в средино-океанических хребтах и других обширных пространствах океанского дна.

«Великие» оледенения происходили на огромных пространствах северных материков (рис. 8.3).

Они сформировали и ледниковый покров Антрактиды. Эоплейстоцен и плейстоцен характеризуются  общим похолоданием климата Земли и периодическим возникновением материковых оледенений в средних широтах. В среднем плейстоцене мощные ледниковые языки спустились почти до 50° с.ш. в Европе и до 40° с.ш. в США.

Таблица 8.2. Геохронологическая шкала и развитие жизни на Земле
Эра	Период		Время,  млн. лет назад	Примечательные события
Кайнозой­ская  Kz	Четвертичный		0 ÷ 1,8	Становление человека
	Нео-  гено­вый	плиоцен	1,8 ÷ 5,3	Расцвет приматов
	N	миоцен	5,3 ÷ 23
	Палео-  ге­новый	олигоцен	23 ÷ 34	Расцвет лошадей и фауны открытых пространств
		эоцен	34 ÷ 56	Появление первых приматов и лошадей
		палеоцен	56 ÷ 65	Расцвет млекопитающих
Мезозой­ская Mz	Меловой К		65 ÷ 145	Появление цветковых растений и хищных ящеров
	Юрский J		145 ÷ 200	Расцвет кораллов, ам­монитов и динозавров, появление птиц
	Триасовый Т		200 ÷ 251	Появление динозавров и млекопитающих
Палеозой­ская Pz	Пермский Р		251 ÷ 295	Расцвет фузулинид, акул и звероподобных пресмыкающихся
	Каменноугольный,  или карбон, С		295 ÷ 360	Расцвет земноводных
	Девонский D		360 ÷ 418	Расцвет рыб, появление первых лесов
	Силурийский S		418 ÷ 443	Расцвет рифообразующих кишечнополостных
	Ордовикский О		443 ÷ 490	Расцвет брахиопод и головоногих моллюсков
	Кембрийский є		490 ÷ 535	Появление беспозво­ночных с твердым скелетом
Протеро-  зойская	Венд  Рифей Карелий		535 ÷ 2300	Массовое развитие  одноклет. и многоклеточных бактерий,  сине-зеленых, красных и зеленых водорослей. В конце появление губок, червей, медуз.
Архейская			2300 ÷ 4200	Появление примитивных бактерий и водорослей.

 

Здесь мощность моренных отложений составляет первые десятки метров. Межледниковые эпохи характеризовались относительно мягким климатом. Средние температуры повышались на 6-12° С.

Огромные массы льда, формировавшиеся за счет вод морей и океанов, в виде ледников надвигались на сушу. Мерзлые  породы распространялись на обширные пространства. Голоцен — послеледниковая эпоха. Его начало  совпадает с окончанием последнего материкового оледенения Северной Европы.

Органический мир кайнозоя. К началу кайнозойской эры вымирают белемниты, аммониты, гигантские пресмыкающиеся и др. Активно стали развиваться простейшие (фораминиферы), млекопитающие и костистые рыбы. Они заняли господствующее положение среди других представителей животного мира. В палеогене среди них преобладали яйцекладущие и сумчатые (подобие фауны этого типа частично сохранилось в Австралии).  В неогене эти группы животных отступают  на второй план и основную роль начинают играть копытные, хоботные, хищники, грызуны и другие известные ныне классы высших млекопитающих.

ГЛАВА  9. МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Важнейшая задача геологической науки – это поиск и открытие новых месторождений полезных ископаемых. Современная «машинная» цивилизация развивается таким образом, что человечество не только не может отказаться от добычи, переработки и потребления полезных ископаемых, но и вынуждено непрерывно осваивать новые источники минерального сырья, расширять ассортимент используемых полезных ископаемых, осваивать новые месторождения. Именно за решение этой задачи оплачивается труд геологов. В конечном счете, именно на решение этой главной задачи направлены как прикладные, так и чисто теоретические направления геологической науки. Вопросами, связанными с добычей и переработкой полезных ископаемых занимается другая научная дисциплина – горное дело.

Полезное ископаемое – это естественное скопление в недрах Земли или на её поверхности природного минерального образования (минерального сырья), химический состав и физические свойства которых позволяют эффективно использовать их в сфере материального производства. Для того чтобы быть полезным ископаемым минеральное образование должно отвечать ряду критериев.

Основные свойства «полезного ископаемого»:

1.  Полезность. То есть оно должно быть полезным само по себе (песок или гравий как строительное сырье, нефть как топливо, драгоценные камни), либо содержать полезный компонент, который можно извлечь после соответствующей переработки.

2.  Концентрация. Полезный компонент должен находиться в полезном ископаемом в таком количестве и в такой форме, что бы его было бы экономически целесообразно добывать при достигнутом уровне развития техники и имеющихся технологиях.

 

Таблица 9.1. Классификация полезных ископаемых по целевому использованию
№	Название	Характеристика	Пример
1	горючие	Энергоносители	нефть, уголь, газ
2	рудные	Подвергаются переделу с целью получения металла	чёрные, цветные и благородные металлы
3	нерудные	Составляют 3 подгруппы:  строительное сырье; горно-химическое сырье (для химической промышленности) агрономическое сырье (для получения минерального удобрения)	песок, известняк каменная соль, фосфорит, апатит, калийная соль
4	Радио-активные	сырье для ядерной энергетики	Уранинит, настуран, урановые черни
5	Гидро-минеральные	пресные подземные воды минерализованные подземные воды (сырье для получения NaCl, J и Br) минеральные (целебные) воды	Минеральные  воды «Нарзан», «Ессентуки» и др.

 

3.    Достаточные запасы. Поиск, добыча и переработка полезных ископаемых занятие  весьма трудоемкое и дорогостоящее. Что бы добыча полезного ископаемого была экономически целесообразна, его запасы в данном месторождении должны быть достаточно большими. Это связано с тем, что любое месторождение для своего освоения требует больших затрат (строительство горнодобывающего предприятия и обогатительной фабрики, автомобильных и железных дорог и всевозможной инфраструктуры).

Полезные ископаемые делятся на 5 групп (Табл. 9.1.).

Все полезные ископаемые являются либо минералами, либо горными породами. Полезные ископаемые используют или непосредственно, или подвергают переработке – металлургическому переделу или химической переработке. Фундаментальным понятием в учении о полезных ископаемых является представление о месторождении.

Месторождение – это такое скопление полезного ископаемого, которое занимает определенное пространство в локальной геологической структуре. Важнейшие характеристики любого месторождения – это качество полезного ископаемого (содержание полезного компонента не ниже минимальных технологических требований) и запасы полезного ископаемого (не меньше экономически значимых). Последнее требование зависит от региона и его экономических, энергетических, людских ресурсов, наличия транспортных путей и т.д.

Если же данное скопление полезного ископаемого слишком мало и не отвечает этим требованиям, то говорят, что оно образует не месторождение, а рудопроявление или точку минерализации.

Месторождения полезных ископаемых неравномерно расположены на поверхности Земли. Причем как по месту залегания, так и по их разнообразию. Существуют участки земной поверхности богатые полезными ископаемыми разных типов, а есть бедные ими.

Зачастую месторождения полезных ископаемых образуют более или менее многочисленные группы – «рудные районы», «рудные узлы» и «рудные пояса», расположение которых контролируется конкретными геологическими структурами (например, крупными разломами). Поэтому один из древних, эмпирических законов геологии гласит: «Ищи руду около руды».

Запасы любого из полезных ископаемых ограничены (как в любом из месторождений, так в мире в целом). И уже сейчас наша цивилизация испытывает недостаток некоторых его видов.

Минерально-сырьевые ресурсы не только ограниченные, но и относятся к категории исчерпаемых ресурсов, и все они, за исключением подземных вод, являются невозобновляемыми. На протяжении всей своей истории человечес­кое общество в разных объемах использовало минеральные ресур­сы, причем объем добываемого сырья непрерывно возрастал. Од­новременно увеличивалось число извлекаемых химических элемен­тов и соединений: если в XVIII в. — 18 химических элементов и соединений, в XIX в. — 35, в 1917 г. — 64, в 1975 г. — 87, то в 90-е годы XX в. — 106 элементов Периодической системы Д.И.Мен­делеева. В настоящее время ежегодно из недр добывается около 100 млрд. т горной массы, добывается около 20 млрд т. полезных ископаемых. Возникает угроза истощения мес­торождений полезных ископаемых. По прогнозам некоторых спе­циалистов, запасы разведанных видов минерального сырья иссякнут к середине XXI в., а свинца и цинка хватит только на первые деся­тилетия третьего тысячелетия.

Неравномерная обеспеченность разных стран полезными ископаемыми, неравномерное и не справедливое их потребление, а так же явно не справедливые цены на минеральное сырье породили противоречия между странами, добывающими полезные ископаемые и странами, потребляющими их. Надо отметить, даже при сохранении «машинного» пути развития, наша цивилизация объективно не нуждается в таком количестве добываемых полезных ископаемых для удовлетворения основных потребностей человечества.

Все перечисленные выше противоречия получили название «Проблемы минерального сырья».

Провинции полезных ископаемых представляют собой крупный участок земной коры, относящийся к платформе, складчатому поясу или дну океана, с размещёнными в его пределах и свойственными ему месторождениями. Например, выделяют Кавказскую провинцию, Уральскую провинцию и проч. Иногда различают металлогенетические, угленосные, нефтегазоносные провинции.

Область (пояс, бассейн) полезных ископаемых занимают часть провинции и характеризуются набором определённых по составу и происхождению месторождений полезных ископаемых, приуроченных к одной и той же группе тектонических элементов первого порядка (антиклинории, синклинории и проч.). Пояса полезных ископаемых могут быть как однородными, так и разнородными по составу полезных ископаемых, размеры их колеблются в широких пределах. Бассейны полезных ископаемых представляют собой области непрерывного или почти непрерывного распространения пластовых полезных ископаемых.

Район полезных ископаемых составляет часть области и обычно характеризуется местным сосредоточением месторождений, в связи с чем, он нередко называется узлом полезных ископаемых.

Рудное поле представляет собой группу месторождений, объединяемых общностью происхождения и единством геологической структуры. Поля полезных ископаемых состоят из месторождений, а последние — из тел полезных ископаемых.

Тело, или залежь полезного ископаемого — это локальное скопление природного минерального сырья, приуроченное к определенному структурно-литологическому элементу или комбинации таких элементов.

Области, районы, поля месторождений могут полностью обнажаться на поверхности земли и относиться к открытым, быть частично закрытыми перекрывающими их породами и принадлежать к полузакрытым или быть полностью погребёнными и квалифицироваться как закрытые.

Запасы твёрдых полезных ископаемых

по их экономическому значению

Запасы твёрдых полезных ископаемых и содержащихся в них полезных компонентов по их экономическому значению подразделяются на две основные группы, подлежащие раздельному подсчёту и учёту: балансовые (экономические); забалансовые (потенциально экономические).

Балансовые (экономические) запасы. Они подразделяются на:

а) запасы, извлечение которых на момент оценки согласно технико-экономическим расчётам экономически эффективно в условиях конкурентного рынка при использовании техники и технологии добычи и переработки сырья, обеспечивающих соблюдение требований по рациональному использованию недр и охране окружающей среды;

б) запасы, извлечение которых на момент оценки согласно технико-экономическим расчётам не обеспечивает экономически приемлемую эффективность их разработки в условиях конкурентного рынка из-за низких технико-экономических показателей, но освоение которых становится экономически возможным при осуществлении со стороны государства специальной поддержки недропользователя в виде налоговых льгот, субсидий и т. п. (гранично экономические или пограничные запасы).

Забалансовые (потенциально экономические) запасы. К ним относятся:

а) запасы, отвечающие требованиям, предъявляемым к балансовым запасам, но использование которых на момент оценки невозможно по горно-техническим, правовым, экологическим и другим обстоятельствам;

б) запасы, извлечение которых на момент оценки экономически нецелесообразно вследствие низкого содержания полезного компонента, малой мощности тел полезного ископаемого или особой сложности условий их разработки или переработки, но использование которых в ближайшем будущем может стать экономически эффективным в результате повышения цен на минерально-сырьевые ресурсы, или при техническом прогрессе, обеспечивающих снижение издержек производства.

Забалансовые запасы подсчитываются и учитываются в случае, если технико-экономическими расчётами установлена возможность их сохранения в недрах для последующего извлечения или целесообразность попутного извлечения, складирования и сохранения для использования в будущем. При подсчёте забалансовых запасов производится их подразделение в зависимости от причин отнесения к забалансовым (экономических, технологических, горнотехнических, экологических и т. п.). Оценка балансовой принадлежности запасов полезных ископаемых производится на основании специальных технико-экономических обоснований, подтверждённых государственной экспертизой. В этих обоснованиях должны быть предусмотрены наиболее эффективные способы разработки месторождений, дана их стоимостная оценка и предложены параметры, обеспечивающие максимально полное и комплексное использование запасов с учётом требований природоохранительного законодательства. Разработка новых технологий извлечения и переработки минерального сырья, предусматривающее комплексное, экологически безопасное извлечение нескольких компонентов, может приводить к переводу забалансовых запасов в балансовые. Проблема комплексного извлечения минеральных компонентов является одной из актуальных.

По данным Министерства Природных Ресурсов Россия сегодня обладает 16% всех природных минерально-сырьевых ресурсов мира, в том числе 32% газа (1-е место в мире), 12% нефти, 12% угля (28% — с учетом прогнозных ресурсов); по запасам золота Россия занимает 3-е место в мире. Доля России в мировых запасах Fe и Sn > 27%, Ni – 36%, Cu – 11%, Co – 20%, Pb – 12%, Zn – 16%, металлы платиновой группы – 40%.           Даже сейчас Россия извлекает из недр 12% мировой добычи Fe руд, 22% Ni и Co, значительную долю фосфатов (2-е место в мире) и калийных солей (1-е место в мире). Россия – на 6-м месте по добыче золота и на 2-м – по платине. Во всем мире освоение нового объекта от выявления до эксплуатации составляет 5-10, а в новых районах – 10-15 лет. Эти работы требуют больших затрат на геологическое изучение, прогноз, поиски, разведку полезных ископаемых, а затем на разработку, создание предприятий, инфраструктуры, дорог. Так что поисковые и разведочные работы не могут останавливаться на достигнутом.

«В мировом масштабе выживет та страна, которая в точности будет знать свои ресурсы, сумеет направить на их использование народные духовные силы» (В.И Вернадский).

Процессы рудообразования

Понятие руда не только геологическое, но и экономическое. Такое определение руды как «минеральный агрегат, из которого технологически возможно и экономически целесообразно извлекать металлы, соединения металлов, или минералы, являющиеся объектами использования в народном хозяйстве», данное П.М.Татариновым, еще в середине прошлого века, мало меняется в последующих публикациях, в том числе и в  Геологическом словаре. Однако для решения геолого-генетических вопросов важно, что любое рудное тело всегда содержит повышенные содержания каких-то компонентов. Иначе оно не было бы рудным телом. В этом, повышенном, по сравнению с обычными породами, содержанием отдельных компонентов, и состоит геологический смысл понятия руда. Является это содержание экономически выгодным сегодня, или оно может стать таковым завтра, когда появятся новые технологии или изменится конъюнктура, выходит за пределы геологического знания.

Итак, руда[1], в геологическом аспекте, на котором мы концентрируем внимание в данной главе, это горная порода с аномальным, по отношению к фону, содержанием и (или) распределением отдельных компонентов. В каких количествах — это вопрос иного порядка, тесно связанного с экономической конъюнктурой. В первом приближении за аномальное можно принять устойчивое превышение естественных статистических колебаний. В большинстве случаев за такой порог принимается три среднеквадратичных отклонения (С_рудн.>3s).

Можно воспользоваться введенным еще В. Вернадским понятием кларка концентрации представляющим собой отношение содержания данного компонента к его среднему содержанию в земной коре или в данном типе пород (КК=С_о/С_ф, где С_о — содержание компонента в объекте, а С_ф — его фоновое содержание). Для макрокомпонентов, имеющих нормальное распределение, это отношение величин; для микрокомпонентов, распределенных логнормально, — логарифмов их отношений. По подсчетам Л.Н. Овчинникова среднее содержание большинства металлов в рудах на три порядка выше их среднего содержания в земной коре. Для отдельных месторождений эти значения могут быть и выше и ниже этой величины.

В середине прошлого века  основное внимание сосредотачивалось вокруг магматических процессов. По мере совершенствования горнодобывающей промышленности накапливалось все больше новых эмпирических данных, не укладывающихся в ортодоксальную магматогенную концепцию. Отсутствие четкой пространственной связи рудных месторождений с магматическими телами были установлены для самых различных рудных образований. В результате стали быстро развиваться представления о катагенетическом, вулканогенном и метаморфогенном и другим процессам рудообразования. Была установлена конвергентность характерных признаков большой группы месторождений, формирование которых связано с различным сочетанием сингенетических и эпигенетических процессов. В отличие от органического мира, где каждый новый объект всегда имеет конкретных родителей, в неорганическом мире один и тот же продукт может быть получен из разных исходных веществ и по разным технологиям.

Измерения возрастов пород и руд методами изотопной хронологии все чаще указывали на существенные возрастные отличия интрузивных массивов и скоплений рудного вещества. Все это привело к появлению новой идеи о полигенности (многообразия генетических процессов) рудных месторождений, а процесс рудообразования не одноактное явление, а многоэтапный комплекс явлений, включающий серию геохимических событий определяющих возможность появления аномально высоких концентраций отдельных компонентов. Поэтому целесообразно выделить особую группу рудоподготовительных процессов, определить их роль в последующем рудоотложении. Из многочисленных новых данных, заставляющих критически оценить существовавшие представления о генезисе рудных скоплений, приведем только результаты анализа температур и давлений формирования гранитов и гидротермальных жил на месторождениях олова, вольфрама и молибдена (рис.9.1).

Между областью кристаллизации гранита и появления рудоносных жил располагается зона дорудных жил, занимающая интервал 300÷400⁰С. Температура не может изменяться мгновенно, и, следовательно к моменту рудоотложения гранитный расплав был уже полностью консолидирован.

Возможность образования повышенных концентраций рудных элементов определяется рядом факторов, которые в самом общем виде можно объединить в четыре основные группы.

1.  Образование потенциальных региональных запасов рудообразующих элементов.

2.  Переход в пределах данной территории существенной доли этих элементов в подвижные состояния.

3.  Формирование потенциальных условий для рудоотложениия.

4.  Активизация геохимических процессов, приводящая к миграции рудных элементов и концентрации их на геохимических барьерах.

Понятие геохимический барьер, разработанное А.И. Перельманом для теории формирования рудных скоплений в эпигенетических («эпи» — после, т.е. образующихся после образования вмещающих пород) месторождений урана, оказалось применимы к самым разным месторождениям. Более того, оно оказалось полезным при анализе широкого круга процессов концентрации отдельных элементов, в том числе и для экологических процессов.

Геохимический барьер – это граничная зона между областями высокой и низкой подвижностью отдельных элементов. Чем выше эта разность, тем больше высота, или контрастность (Δ) барьера  (рис. 9.3).

Но не меньшее значение имеет и градиент барьера – то расстояние, на котором происходит перепад концентраций (G= Δ/l). На рисунке 9.3 при одной и той же контрастности градиент будет больше на верхнем рисунке «а», чем на нижнем рисунке «б». Чем выше контрастность и градиент барьера, тем лучше для формирования рудных тел.

А.И. Перельман разделил геохимические барьеры на три большие группы: 1) механические, 2) физико-химические и 3) биогеохимические.

Механическая сортировка материала происходит в процессе разрушения волнами и прибоем берегов водоемов (абразия), при изменении скорости движения водных или воздушных масс, при таянии ледников и т.д.

Таким путем образуются самые различные морские и речные отложения, в том числе россыпи, ледниковые морены, лессовые образования, залежи нефти и газа и т.п.

Выделяющиеся из материнских пород капельки нефти и пузырьки газа перемещаясь в верхние слои литосферы постепенно накапливаются в антиклинальных структурах под слоями слабо проницаемых пород (рис.9.4).

По мере движения речных и морских вод происходит постепенная сортировка переносимых ими твердых частиц, зависящая от их массы, размера и геометрии. Таким образом, происходит пространственное разделение галечных, песчаных и глинистых материалов. Таким же путем формируются россыпные месторождения золота, платины, алмазов.

Поскольку речные воды имеют направленный вектор движения, а морские характеризуются периодическими колебательными движениями, закономерности формирования морских и речных россыпей не идентичны.

Испарительные барьеры связаны с испарением поверхностных вод. Образование солончаков и такыров связано с испарением подтягивающихся по капиллярам грунтовых вод или атмосферных осадков. Соли, подтягивающиеся вместе с водами из подстилающих горных пород, образуют белесые налеты и даже сплошные корки.

С испарительными барьерами связано такое неприятное явление как заслонение почв.

Химические барьеры возникают в результате химического взаимодействия между двумя химически различающимися средами (подвижной и неподвижной).

Среди химических барьеров различают:

Осадительные, когда растворенные в водах компоненты, осаждаются при взаимодействии с минералами вмещающих пород

2F^— + CaCO₃ = CaF₂ + CO₃^2-

Обменные, когда два соединения обмениваются катионами

PbSO₄ + CaCO₃ = PbCO₃ + CaSO₄

Окислительно-восстановительные, при которых происходит окисление

2Fe²⁺ + O + 5H₂O = 2Fe(OH)₃ + 4H⁺,

или восстановление мигрирующих элементов

2Fe³⁺ + 6HS^— = 2FeS + 6H⁺.

Кислотно-основные в которых ведущими являются процессы гидролиза

Fe³⁺ = 3OH^— = Fe(OH)₃ = FeOOH + Н₂О

Характерным примером химических барьеров могут служить рудные тела, подчиняющиеся литологическому контролю (рис. 9.5 и 9.6).

В первом случае отчетливо проявляется окислительно-восстановительный геохимический барьер. Шестивалентный уран, мигрирующий в гидротермальном растворе в виде карбонатных комплексных ионов уранила (UO₂²⁺) восстанавливается на границе с углистыми сланцами до четырехвалентного состояния и откладывается в виде настурана(UO_2+n):

2 UO₂²⁺+C+2H₂O=UO₂+CO₂+4H⁺

Во втором случае тот же уран осаждается на осадительном барьере. В процессе карбонатизации минералов, содержащих Ca, Mg, Fe концентрация карбонатных ионов, содержавшихся в растворе, уменьшается, что приводит к разрушению комплексных ионов уранила, который и отлагается в виде урановых минералов.

В этих реакциях участвуют еще и слюдистые минералы, стабилизирующие кислотность раствора, которая должна была бы возрастать при карбонатизации пород,

CaSiO₃ + CO₃^2- + H₂O = CaCO₃ + SiO₂ + 2OH^—,

увеличивать гидролиз угольной кислоты

Н₂СО₃ + 2ОН^— = СО^3- + Н₂О

и таким образом тормозить убывание концентрации карбонатных ионов в растворе. Строго говоря, это уже взаимодействие двух типов барьера: осадительного и гидролизного.

Окислительно-восстановительные барьеры возникают в условиях резкой смены окислительных условий. На выходе подземных источников часто можно наблюдать бурые отложения окислов железа. Аналогичные пленки окислов железа наблюдаются на поверхности болотных лужиц, подпитывающихся подземными водами. Все эти образования связаны с окислением двухвалентного железа подземных вод, лишенных кислорода, атмосферным воздухом.

Обратная картина наблюдается при просачивании поверхностных вод богатых кислородом в подземные горизонты, несущие различного вида восстановители.

Сорбционные барьеры возникают при просачивании растворов через породы с большой поверхностью (поверхность 1 г бентонитовых глин колеблется от 40 до 96 м², каолиновых 17-60 м²).

Виды сорбции:

•         адсорбция – поглощение растворенных веществ поверхностью твердой фазы,

•        абсорбция – поглощение всем объемом сорбента,

•        хемосорбция – развивается за счет химических реакций в поверхностном слое,

•        ионный обмен – замена ионов в молекулах поверхности сорбента ионами из раствора.

 

Характерным примером такого типа барьеров могут служить детально изученные барьеры зон пластового окисления, которые развиваются в водоносных горизонтах осадочного чехла на окислительно-восстановительном барьере (рис.9.7).

Барьер возникает на контакте поверхностных окислительных вод, попадающих в пласты песчанистых пород с низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала (Eh) за счет захороненного органического вещества, минералов закисного железа и других восстановителей. Окислительно-восстановительные и кислотно-основные процессы, происходящие на границе окисленных и восстановленных пород, приводят к накоплению многих элементов переменной валентности. Здесь концентрируются U, Se, V, Re, Mo и др.

Сорбционные барьеры широко распространены в поверхностных системах, они возникают в морских и озерных илах, почвах, в лессовых отложениях, на контактах глин и песков.

Очень часто сорбционные и химические барьеры взаимодействуют: первые дают локальные повышения концентрации отдельных элементов, создавая условия для химического взаимодействие, в результате которого образуются новые твердые фазы, освобождая поверхность сорбента для дальнейшей сорбции.

Сорбционные барьеры имеют большое экологическое значение. С одной стороны, они участвуют в образовании локальных скоплений токсичных элементов, часто весьма устойчивых во времени, с другой — могут быть использованы для локализации техногенных заражений и в процессах очистки загрязненных территорий.

Радиоактивные аномалии, возникшие в процессе производства радия на Ухтинском радиевом заводе в 30-40-х годах, до сих пор прочно удерживаются гумусовым веществом почв.

Физико-химические барьеры — это такие природные обстановки, когда изменения физических параметров приводят к локальному изменению химических параметров. Они представляют наиболее многочисленную группу барьеров, формирующихся в недрах земной коры. К ним приурочена большая часть эндогенных месторождений полезных ископаемых. Именно здесь возможны максимальные перепады температур и давлений, а следовательно и максимальные высота и градиент термобарических барьеров. Константы диссоциации растворенных в водных растворах соединений (кислот, оснований, комплексных соединений) зависят от температуры и давления содержащего их раствора.

K = f (T,P),

в результате чего в термобарическом поле кислотность растворов не будет величиной постоянной. При изменении Т и Р не остаются постоянными и соотношения окисленных и восстановленных ионов, а, следовательно и Еh растворов. Так, относительная активность сульфидной серы с повышением температуры сначала растет, а потом убывает.

Изменение любого физико-химического параметра может изменить миграционную способность отдельных элементов. Чем контрастнее происходит изменение физических параметров, тем резче меняется и миграционная способность отдельных компонентов. Наиболее контрастные изменения физических параметров происходят в верхних горизонтах земной коры. Если на диаграмму фаций метаморфизма (рис.9.1) наложить область формирования гидротермальных руд, то мы получим картину, изображенную на рисунке рис.9.8.

В более крупном масштабе область рудообразования представлена на рисунке 9.9. Из этих двух рисунков видно, что вся область гидротермального рудообразования всегда тяготела к верхним горизонтам земной коры до давлений 3 кбар (соответствует литостатическому давлению на глубине до 6 км). Пока известен только один случай выхода за эти пределы на самых нижних горизонтах месторождения Колар. Область всей гидротермальной деятельности опускается до давлений 6 кбар (15 км). Здесь максимально проявляются разрывные нарушения, а следовательно — наибольшие контрасты термодинамических потенциалов. В более глубоких зонах начинают преобладать пластические деформации.

 

В этой же области диапазон термобарических градиентов имеет максимальный разброс  и значительно выше, чем в среднем для земной коры (наклонные прямые на рис.9.9). Это вновь отражает повышенную тектоническую активность, создающую и термическую, и барическую анизотропию.

Биогеохимические барьеры — зоны резко повышенных по сравнению со средним содержанием в данном ландшафте концентраций тех или иных химических элементов в результате снижения интенсивности биогенной миграции элементов. Этими зонами могут быть залежи торфа, почвы, лесная подстилка, тела организмов и т.д. – любые участки активной деятельности живого вещества. Они возникают на путях миграции элементов или на границах их перехода от косного вещества к живому, и наоборот.

Современные исследования показывают, что механизмы действия почв, как биогеохимического барьера весьма сложны и включают взаимодействие различных биогеоценозов. Но данного типа барьеры образуются не только на почвах, но и других областях активной жизнедеятельности флоры. Так в мелководных бассейнах хорошая прогреваемость воды в сочетании с благоприятным световым режимом и обилием каменистого субстрата приводит к бурному развитию нитчатых водорослей, активному накоплению биомасс, поглощенных микроэлементов и выделению кислорода.

Периодические шторма приводят к отрыванию значительных масс водорослей от субстрата и выбрасывают накопившиеся массы на берег. Но биомасса нитчатых водорослей на каменистом субстрате в прибрежье быстро восстанавливается. Процесс повторяется периодически, захватывая и водные массы, и прибрежные зоны.

В отличие от косных геохимических барьеров, действующих монотонно в течение определенного времени, активность биогеохимических барьеров периодически меняется в течении времени года и даже времени суток (рис.9.10). Зависит она и от климатического пояса, в котором расположена.

Биогеохимическим барьером (своеобразным фильтром) на пути переноса техногенных загрязнений являются леса. Прежде всего, они задерживают пылевые частицы и аэрозоли. Наиболее активны в этом отношении хвойные леса, смолистая хвоя которых, как показали исследования последствий аварии Чернобыльской АЭС, более интенсивно захватывает твердые частицы. В ближайшей 30-км зоне от ЧАЭС лесными кронами было перехвачено до 80%  радионуклидов. Захваченные частицы переходят в листовой слой, а затем постепенно в более глубокие почвенные горизонты (рис. 9.11).

Лесные массивы вокруг промышленных зон и мегаполисов служат активными биогеохимическими барьерами.

Своеобразные биогеохимические барьеры используются при  биологической очистке бытовых и промышленных сточных вод, заключающейся в биохимическом разрушении (минерализации) микроорганизмами органических веществ (загрязнений органического происхождения), растворенных в сточных водах. Микроорганизмы (бактерии) используют эти вещества как источник питания и энергии для своей жизнедеятельности. В процессе дыхания микроорганизмов органические вещества окисляются, и освобождается энергия, необходимая для их жизненных функций. Биологическая очистка вод осуществляется на полях орошения, в биологических прудах, и в искусственно создаваемой среде в условиях, близких к естественным.

Действие биогеохимических барьеров носит избирательный характер. Каждый биологический вид имеет свой набор характерных для него макро- и микроэлементов.

Из макроэлементов биогеохимические барьеры имеют наибольшее значение для:

•         углерода; практически все скопления каустобиолитов (почвы, торфа, угли, нефти, газ) формируются на биогеохимических барьерах.

•         кислорода; именно живое вещество разделяет углерод и кислород углекислоты, отправляя О₂ в атмосферу. В настоящее время суммарная годовая продукция зеленого вещества О₂ = 3,2.10¹¹т/год, учитывая, что общее современное количество кислорода в атмосфере составляет ~1,18.10¹⁵т. его удвоение могло бы произойти всего за 3 700  лет.

•         кальция; накопление известняков, мергелей, доломитов связано с накоплением Ca в скелетах и раковинах организмов.

•        Фосфора; особенно четко проявляются при формировании залежей фосфоритов.

Все эти и аналогичные им барьеры работают как на макро-, так и на микроуровнях и приводят к накоплению не только крупных масс, но и отдельных простоев, прожилков и тому подобных природных образований.

Для микроэлементов биогеохимический барьер наиболее специфичен для:

• йода; самостоятельных минералов не образует, наиболее высокая концентрация йода присутствует в морепродуктах; особенно богаты йодом морские водоросли, наиболее известная из них — морская капуста (ламинария).
• германия, встречающегося в некоторых угольных месторождениях.
• селена, часто концентрирующегося в угленосных пластах и в нефтяных водах.

Маргинальные барьеры. Своеобразные геохимические барьеры – места впадения рек в моря и океаны. Пресные воды реки несут обломочный, взвешенный и растворенный материал. При попадании в море изменяются механические, физико-химические и микробиологические условия транспорта, приводящие к осаждению переносимых веществ. Здесь можно выделить три основные барьерные зоны (рис.9.12).

В месте впадения, за счет изменения скорости течения, возникает гравитационный барьер. Происходит осаждение переносимого  механического материала. Осаждается гравийный, а затем песчано-алевритовый материал. По мере увеличения солености воды происходит коагуляция тончайшей взвеси, образование флоккул (лат. floccus — клочок) органического веществ и гидратов железа – мощных сорбентов, происходят процессы сорбции многих растворенных элементов. В третьей зоне основная активность принадлежит уже планктону, питающемуся за счет растворенных элементов путем диализа пропускаемых через себя масс воды.

На маргинальных барьерах океанов задерживается 90-95% взвешенных и 30-40% растворенных веществ и загрязнений речного стока.

Маргинальные барьеры являются типичным примером комплексного взаимодействия различных видов геохимических барьеров. Строго говоря, во всех природных барьерах взаимодействуют разные их типы. Даже в эндогенных барьерах зон пластового окисления наряду с химическим взаимодействием участвуют сорбционные, а порой и микробиологические процессы.

Техногенные барьеры. Техническая изобретательность человечества не только усилила многие естественные природные геохимические барьеры, но и создало многочисленные новые обстановки резкой смены устоявшейся миграции отдельных элементов. Эти новые условия подчас оказываются опасными для жизнедеятельности не только отдельных видов живых организмов (в том числе и человека), но и целых экосистем. Подробнее на этом мы остановимся в следующих главах.

Рудообразующие системы

Рассмотрим в общем виде совокупность геологических условий, приводящих к формированию рудных скоплений на геохимических барьерах (рис.9.13). Будем двигаться непосредственно от конечного результата – рудного тела к тем подготовительным процессам, которые и определили возможность проявления конечного результата. С геохимической точки зрения для образования рудных скоплений вещества необходим геохимический барьер и источник металла. Источником может являться не любая масса элементов, а только та, которая способна мигрировать на те или иные расстояния. Источник рудного вещества подразумевает не только наличие больших его масс в данном геологическом пространстве, но и подвижной формы, причем с достаточными количестве. Формирование повышенных концентраций может быть связано с процессом осадконакопления, а для отдельных горизонтов и с диагенезом, метаморфизмом, магматизмом и формированием древних кор выветривания.

Так еще С.С. Смирнов обратил внимание на то, что в полиметаллических месторождениях Рудного Алтая промышленные тела включают руды Pb, Zn и Cu, а в месторождениях В. Забайкалья медь не дает промышленных концентраций, а лишь минералогические выделения. Он объяснил этот эмпирический факт различием региональных фоновых содержаний меди: повышенных на Алтае и пониженных в Забайкалье.

 

Появление потенциально подвижных форм может происходить при различных процессах преобразования пород. Это и диагенез, и метаморфизм региональный или контактовый, и метасоматические преобразования, образование древних кор выветривания и т.д. Примеси рудных элементов, запечатанные в породообразующих минералах, не могут мигрировать, пока не освободятся от сковывающей их матрицы. Такое «освобождение» часто происходит при наложении более поздних процессов изменения исходных пород, начиная от автометасоматических процессов и до поздних гипергенных изменений. Рисунок 9.14 дает наглядное представление о характере распределения микропримеси урана – в породообразующих минералах в неизмененном граните и в межзерновом пространстве в в зонах диафтореза и метаморфизма пород того же массива.

В создании условий локального отложения вновь могут участвовать многие геологические процессы. Известны случаи, когда начало рудоподготовительных процессов относится к нижнему палеозою, а непосредственное формирование рудных тел происходит только после позднемезозойской активизации. Такое многообразие природных процессов, которые могут определять отложение руд на геохимических барьерах существует только в обобщающей схеме. В реальных условиях всегда действуют только некоторые из них. Для их выявления необходим геохимический анализ истории геологического развития конкретных территорий.

Сочетание геологических процессов, приводящих, в конечном счете, к образованию рудных тел, достаточно разнообразно. Ни одно из них не может априори исключаться из рассмотрения без реального анализа истории геологического и геохимического развития конкретных площадей.

Экологическая роль геохимических барьеров

Большинство устойчивых техногенных заражений связано с накоплением элементов на геохимических барьерах. В противном случае техногенные выбросы рассеиваются, давая широкие ореолы.

С другой стороны свойства геохимических барьеров могут с успехов использоваться для:

1. локализации техногенных загрязнений,

2. надежного захоронения промышленных отходов.

Подробнее эти вопросы будут рассмотрены в заключительных главах.

ГЛАВА 10. БИОСФЕРА И ЕЕ ПЕРЕХОД НООСФЕРУ

В современном строении земной коры, происходивших и происходящих здесь глобальных и локальных геологических процессах далеко не последнюю роль играет живое вещество, надежно установленное пока только на нашей планете. Первичная атмосфера земли, была углекисло-метановой, как и на других планетах земной группы. Ее дальнейшее изменение связано с развитием живых организмов. До появления организмов с хлорофилловой функцией еще в докембрии, основным механизмом выделения свободного кислорода была реакция фотодиссоциации водяных паров под действием ультрафиолетового излучения. Поэтому жизнь могла развиваться только в океане (Рис.13.2.).

Но уже в кембрии за счет фотосинтетических реакций:  СО₂ + Н₂О + световая энергия → СОН₂ + О₂

содержание кислорода в атмосфере достигло 0.1% современного и стало экраном губительного для живого вещества ультрафиолета (эффект Юри). Только после этого живые организмы смогли осваивать сушу. Постепенно расширялся ареал и разнообразие живых организмов и увеличивалось поступление кислорода в атмосферу (рис.10.1).

Однако, подавляющая часть кислорода, выделяющегося в результате жизнедеятельности живых организмов, расходуется на окисление компонентов атмосферы и гидросферы. Значительные массы двухвалентного железа, растворенные в первичном океане, имевшим кислую (масса углекислоты), восстановительную среду, окисляются до трехвалентного состояния и переходят в осадки. За счет уменьшения масс углекислоты уменьшается кислотность океанических вод, и, в результате увеличения активности СО₃^2- ионов, начинается отложение железистых и магнезиально-железистых карбонатов. В совокупности эти процессы дают начало массовому накоплению железистых осадков, давших начало железистым кварцитам, львиная доля которых сосредоточена в породах этого периода. По мере накопления кислорода в атмосфере создаются условия для образования стабильного озонового экрана и появления многочисленных форм жизни. Концентрация кислорода в атмосфере, в 10% от современной, подготовила эволюционный скачок в развитии биосферы.

Все эти биогеохимические процессы, происходящие на границе трех сред: твердой, жидкой и газообразной, изменили не только состав атмосферы и гидросферы, но и химизм всех геохимических циклов земной коры.

 

До появления организмов с кальциевым скелетом (иглокожие, кораллы, раковины моллюсков) основная масса осадков имела кремнисто-глинистый состав. Появление мощных карбонатных толщ не только кардинально изменило состав осадочного чехла, но и повлияло на все дальнейшие процессы прогрессивного и регрессивного метаморфизма. В составе эндогенных флюидов существенную роль начинает играть углекислота. По-существу огромные массы СО₂ первичной атмосферы перекачиваются в литосферу, но не физико-химическим путем, а через живое вещество биосферы.

Мягкие тела живых организмов создают не только залежи угля, нефти и газа, но и то рассеянное органическое вещество, которое содержится в любой осадочной и метаморфической породе. Их общая масса существенно превышает массу скоплений горючих полезных ископаемых. По данным А.Б. Ронова и др. среднее содержание С_орг в земной коре составляет 0,06 мас. %. Это около четверти всего углерода (СО₂ + С_орг) сосредоточенного в земной коре. Этот углерод во многом способствует созданию тех восстановительных обстановок, которые характерны для эндогенных процессов.

В настоящее время все зеленые растения планеты генерируют кислород в количестве порядка 1,2^.10¹¹т/год. При такой интенсивности поступления О₂ в результате фотосинтеза для удвоения массы всего кислорода атмосферы потребовалось бы всего несколько тысяч лет. Однако, наряду с образованием новых атомов свободного кислорода в атмосферу происходит постоянный его расход на самые различные процессы окисления. Это и поверхностное окисление отмирающего органического вещества, и образование различных кор выветривания, окисление продуктов вулканических извержений и т.п.

В настоящее время к этому добавляется расход кислорода на сжигание ископаемого топлива, металлургические и другие технологические процессы. Это вносит свои коррективы в установившиеся ранее равновесия. Таким образом, история кислорода и углерода внешних оболочек нашей планеты теснейшим образом связаны между собой на протяжении всей ее геологической истории. Обмен этими элементами между тремя геосферами в значительной части происходит через живое вещество. Поглощая энергию солнечных лучей, оно разделяет углерод и кислород углекислоты, возвращая кислород в атмосферу, и направляя углерод в литосферу. Здесь происходит разделение его путей на две ветви: карбонатную, формируемую скелетами организмов, и каустобиолитную – образуемую мягкими телами организмов (рис.10.2). Ориентировочные данные оценки изменения парциального давления углекислоты наземной атмосферы, отражающие общую тенденцию этих процессов, приведены на рисунке 10.3.

В первый миллиард лет геологической истории содержание этого компонента уменьшилось более чем вдвое. 2 млрд. лет тому назад в атмосфере остается около 3% первоначального содержания СО₂, а 1 млрд. лет назад содержание этого компонента становится практически равным современному. Таким образом, первые 2,5 млрд. лет живое вещество интенсивно работает на преобразование химического состава косных оболочек Земли. Эти процессы углублялись по мере эволюции биоты. В течение всего фанерозоя этот процесс идет уже только в рамках общего круговорота вещества земной коры, поддерживая состав атмосферы.

Основной по массе элемент современной атмосферы – азот – также не составлял основу первичной газовой оболочки Земли. Процессы денитрификации в биогеохимическом цикле азота, разложение и окисление его соединений поставляют свободный азот в атмосферу, а организмы, осуществляющие биологическую азотофиксацию, развитые не столь широко как фиксирующие углерод. Фотохимические реакции в атмосфере связывающие этот не столь химически активный элемент, не мешают его накоплению в газовой фазе (рис.10.4).

Принципы эволюции биосферы. Долгое время эволюция рассматривалась как биологическая проблема развития биоты. Косная природа оставалась в стороне от этого анализа. Биогеохимия изменила положения вещей.

Учитывая многочисленные эмпирические факты, В.И. Вернадский, в отличие от преимущественно морфологического, классификационного подхода к идее эволюции, переносит центр тяжести на организованность всей системы биосферы. В био­геохимических явлениях на первое место выступает число.

Этот вопрос «далеко не может быть безразличным для теорий эволю­ции. — писал В.И. Вернадский в работе «Эволюция видов и живое вещество» — ибо он, мне кажется, логически неизбежно указывает на су­ществование определенного направления, в котором должен идти эволюционный процесс».

В этом аспекте эволюция видов является одним из элементов эволюции биосферы и земной коры в целом как системы. Борьба за существование, на которой концентрирует внимание биология, это только один из факторов эволюции видов, и, может быть, далеко не самый важный. Любой вид существует только в симбиозе, в ландшафте, в географических (по сути физико-химических) условиях. Ландшафт каждой геологической эпохи имеет свою неповторимую специфику. И, в конечном счете, выигрывают те организмы, и те биоценозы, которые  лучше вписываются в общую тенденцию развития биосферы. Но они же наряду с космическими и геологическими процессами влияют на дальнейшее формирование биосферы и ее ландшафтов. По образному выражению Н. Винера «наука едина, а разделение на науки необходимо только для правильного распределения сил и средств».

В.И. Вернадский сформулировал два основных принципа развития биосферы, характеризующих наиболее характерные черты биогенной миграции химических элементов:

1. «биогенная миграция химических элементов в био­сфере стремится к максимальному своему проявлению» и,

2. «эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере».

К ним сегодня надо добавить еще, по крайней мере, два: первый, из которых составляет ядро всего учения о биосфере

3. эволюционируют не отдельные виды, а целые биоценозы и биосфера в целом и

4. биосфера развивается как диссипативная система, понижающая свою энтропию за счет космической энергии.

И действительно, эволюционное развитие органического мира, сначала в океане, а затем на суше не только меняет направления миграции элементов, но и последовательно увеличивает интенсивность этих процессов. Так интенсивность формирования биомассы, поглощения углекислоты и выделения свободного кислорода последовательно увеличиваются при выходе жизни на сушу, появления лесов, сменой папортниковых хвойными, а затем лиственными лесами и т.д. Однако при этом растет и скорость поглощения кислорода в корах выветривания, при окислении разлагающегося органического вещества и т.п. Вступают в действие новые обратные связи, ускоряется биогеохимический обмен вещества.

Появление человека – новый этап эволюции Биосферы. Таким образом, биосфера в ходе своего развития неоднократно переживала кризисные моменты. Живые организмы не раз меняли направление и характер биогеохимической миграцией элементов. Каждый раз это были кардинальные качественные изменения.

На ранних этапах своего развития, когда появились организмы с хлорофилловой функцией, начала формироваться кислородная атмосфера. Организмы с кальциевой функцией перевели значительные массы углерода в литосферу, изменив характер метаморфических процессов. Выход жизни на сушу существенно ускорил миграционные циклы, захватив всю поверхность планеты.

Появление Homo sapiens продолжило основные тенденции эволюционных биогеохимических процессов. На планете появилась очередная новая «геологическая сила». В отличие от животного мира, где организмы приспосабливаются к окружающей среде, Человек начинает приспосабливать эту среду к себе, создавать и использовать орудия, направленные на достижение своих целей. Это уже не клыки и когти, а топоры и стрелы. Создание орудий, расширяющих чисто биологические возможности индивида, положило начало совершенствованию разума. Человек стал мыслящим существом.

Породив Человека, Природа создала еще один могучий катализатор эволюционного процесса. Уже на ранних стадиях развития первобытной цивилизации человек в поисках продуктов своего жизнеобеспечения, стал применять новые методы не свойственные всему остальному царству живых организмов. Охота свойственна всем хищным существам. Но охота с использованием приспособленных для этого орудий, копий, стрел и т.д., свойственна только человеку. Многие животные запасают корм, но возделывание земли и выращивание нужных растений – прерогатива человека.

В этих своих действиях Человек постоянно совершенствовал и изобретал новые орудия труда. Для этого требовалось постоянное усиление мысленной работы, в процессе которой шло совершенствование разума. Не только индивидуального, но и коллективного. Необходимо было не только накапливать, но и передавать накопленные знания. Совершенствовался разум, совершенствовались методы передачи накопленной информации между людьми и поколениями.

Человеческий разум не только создавал новые орудия производства, но и менял методы увеличения массы продуктов жизнеобеспечения. Огненно-подсечное земледелие, уничтожая леса, превращало их в пахотные земли. Стада скота, вытаптывая травяной покров, способствовали превращению степей в пустыни. Добыча полезных для человека ископаемых стала выводить на поверхность элементы, скрытые в недрах, и изменять направление и скорость их геохимических циклов. Началось новое, дотоле отсутствовавшее,  преобразование «лика Земли».

Человек долго не замечал результатов своего воздействия на окружающую его природу. Лишь к концу ХХ века стало окончательно ясно: «Человек стал реальной геологической силой», меняющей весь облик планеты. Его воздействие на природу стало соизмеримо с естественными геологическими силами.

Так среднегодовое извержение лав составляет величину порядка 65 км³. Снос твердого вещества с континентов в океан составляет в среднем ~ 25 км³/год. А человечество в процессе своей жизнедеятельности механически перемещает ~ 100 км³/год. Это и добыча полезных ископаемых, и строительные, и дорожные работы (таблица 10.1).

И если в масштабах планеты это воздействие еще буферируется естественными силами биосферы, то на локальных участках природа уже не может нивелировать техногенные воздействия человека (таблица 10.2). Требуются специальные методы рекультивации земель.

Но не только массы перемещаемого вещества создают участки экологической напряженности. Человек создает концентрации отдельных элементов и их соединений, отсутствовавших в естественных условиях. Редчайший природный минерал – самородное железо человек производит в огромных количествах, опоясывающих весь земной шар, а металлический алюминий в ощутимых количествах вообще не встречается в природе. Радиоактивные элементы, рассеянные в горных породах, человек концентрирует в невиданных масштабах. Более того, он синтезирует новые радиоактивные техногенные изотопы, не существующие в естественной обстановке. Новые синтетические материалы не разлагаются существующими в природе бактериями и постепенно накапливаются в самых неподходящих местах. Химические производства создают массы новых соединений, меняющих облик поверхности планеты, и проникающих в подземные воды, делая их непригодными для питья.

 

Таблица 10.1. Среднегодовое перемещение масс твердого вещества, км³

В природе	Деятельность человека
Извержение лав  на дне океана                                 ~ 50 на суше                                          ~ 15 Снос с поверхности суши                 ~ 25 Всего                                                 ~90	Перемещение материала человеком  при освоении полезных ископаемых                                     ~ 100

 

Таблица 10.2. Локальные естественные и техногенные перемещения вещества
Курильские острова  (протяженность 1200 км)	Кривой Рог  (протяженность 75 км)
32 вулкана	7 карьеров, 8 подземных рудников
с 1930 по 1963 гг. извергнуто  2,6 км3 вулканического материала	с 1953 по 1991 гг. извлечено не менее 2,2 км3 горных пород
В среднем 0,08км3/год,  6,7.10-5 км3/год. км	В среднем 0,06 км3/год,  8.10-4 км3/год. км

 

Только к концу ХХ века под влиянием нарастающих экологических кризисов началось некоторое отрезвление общественного мышления, и поиски выхода из экстремальных ситуаций. Стали усиленно разрабатываться различные экологические проекты как локальные, так и глобальные. При всем их многообразии все они характеризуются одной общей чертой — общим алгоритмом. Алгоритмом, построенном на утопии, унаследованной из прошлого века, и основанном на широко укрепившейся иллюзии всемогущества технического прогресса.

Инстинктивно ощущая, что именно технический прогресс и породил те экологические проблемы, с которыми встретилась цивилизация, человечество выдвигает лозунг: Запретить! Запретить сбрасывать отходы. Запретить заражать почвы, воды, атмосферу. Кажется, все это правильно. Но как запретить прогресс?

Общий подход к решению проблем взаимодействия природы и человека, его методология был заложены В.И.Вернадским еще в первой половине прошлого столетия в учении о биосфере и ее переходе в ноосферу.

Вернадский понимает под ноосферой не сферу в геометрическом смысле этого слова, не вещественную оболочку планеты, а совокупность материального и духовного, биосферу, организованную коллективной научной мыслью всех людей, населяющих нашу планету, «их невесомыми ценностями», меняющими ход биосферных процессов. Методологическая база такого подхода зиждется на многовековом эмпирическом опыте многих поколений, суммированная в аксиомах современного научного знания.

Ноосфера — это стадия развития биосферы, которая начинается с момента появления человеческого разума, продолжается в наше время, и будет развиваться в будущем.

ГЛАВА  11. ГЕОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ

ХХ век, ознаменовавший невиданный дотоле альянс науки и техники. Именно теснейший альянс, а не самостоятельное развитие этих двух направлений человеческой деятельности. Успешное развитие техники породило и специфическое техническое мышление, пронизавшее не только науку и производство, но и гуманитарные области общественной жизни, и даже бытовое мышление.

Первые шаги научно-технического содружества были настолько стремительны и впечатляющи, что достаточно быстро породили общественные иллюзии всемогущества технического прогресса. Не случайно успешные реализации новых научных открытий породили лозунг: «Мы не можем ждать милости от природы!», быстро охвативший все слои общественного мышления. Стратегия «покорения природы» сулила сказочные перспективы.

Только к концу ХХ века человечество стало задумываться над возможными последствиями такой стратегии и искать выходы из возникающих проблем. Но существующие экологические проблемы рождены техническим прогрессом, а решить их обычно пытаются теми же техническими и политическими методами.

Но технический прогресс существует не сам по себе. Его направляет человек. Он только инструмент в руках человека. Человека грамотного, понимающего обстановку, в которой ему приходится действовать, или стихийно подчиняющегося животным инстинктам.

Две первопричины экологически неблагоприятных обстановок. Все многообразие обстановок экологического неблагополучия по первопричине своего возникновения могут быть разделены на две основные группы:

a)  геогенные (природные) – возникающие в результате геологического развития данного участка земной коры — то, что происходило на этой территории в предшествующие геологические времена (оставлено нам в наследство прошедшими эпохами) и происходит в настоящее время и

b) техногенные – обусловленные воздействием на природу все более мощных технических средств получения продуктов жизнеобеспечения и комфорта.

К первой группе относятся грозные явления природы: землетрясения, цунами, снежные лавины и селевые потоки, явления карста и суффозии, горные обвалы и развитие оврагов, наводнения и подтопления и т.п.

Вторая группа включает многочисленные последствия технического воздействия на природу, начиная от механического перемещения грунтов до радиоактивного заражения атмосферы, гидросферы и литосферы искусственно полученными радионуклидами.

Между этими двумя группами нет непроходимой границы. Человеческая деятельность может провоцировать, а может нивелировать негативные природные явления, или, по крайней мере, информировать об их наступлении и тем самым смягчать последствия. Строя здания в сейсмоопасном районе, человек может предусмотреть его сейсмостойкость. В лавиноопасных районах необходимо предусматривать комплекс долгосрочных и краткосрочных мероприятий, снижающих возможные катастрофические последствия природных явлений.

С другой стороны, природные системы обладают способностью смягчать резкие техногенные воздействия, обладают буферной (англ. buffer, от buff — смягчать толчки) емкостью. Одноразовые выбросы в атмосферу, гидросферу или почвенный покров рассеиваются, нивелируются и, в конечном счете, перерабатываются, если они не превышают буферной емкости данной системы. Биогеохимические циклы создают динамические контакты между отдельными локальными системами, создавая, таким образом, более сложные системы с большей буферной емкостью. Грамотные подходы к этим вопросам, с учетом законов развития естественных природных систем позволяет минимизировать экологические негативные явления.

Доминирующие подходы. Практические действия по снятию техногенного давления цивилизации на природу, в настоящее время сводятся главным образом к: мониторингу и административным решениям. Мониторинг необходим для правильного диагноза, но что надо анализировать и какие выводы из его результатов следует делать, выходит за пределы его компетенции. Анализ не лечит болезнь, а только констатирует отклонение от нормы.

Сейчас широко пропагандируются методы ликвидации техногенного давления на природу сводящиеся к запретительным мероприятиям. Запретить сбрасывать отходы, заражать почвы, воды, атмосферу. Кажется все это правильно. Но как запретить прогресс?

Любая закрытая система, что-то потребляя должна и выделять эквивалентные количества вещества и энергии. Иначе ей грозит взрыв.

Более того, запрет без дальнейших действий может не только не решить проблему, но и привести к дальнейшему осложнению ситуации, накапливая негативные силы. Запрудив мешающий ручей (запретив ему протекать по данной территории), вместо того чтобы изменить его русло, мы создадим угрозу селевого потока.

Поскольку вся окружающая нас среда (воздушная, водная и каменная) является объектами изучения геологии, решение вопросов экологии (воздействия человека на среду его обитания) невозможно без знания геологического строения и особенностей протекающих на данной территории геологических процессов.

Технический подход. Начиная с палеолита, человек не столько развивался физиологически, сколько медленно, но верно развивал внешнее тело цивилизации (от каменного топора до суперкомпьютера). Этот процесс, имел экспоненциальный характер, незаметный вначале он достигает своего апогея именно в наше время.

Чтобы ощутить интенсивность роста технических средств цивилизации достаточно вспомнить, что паровой двигатель Дж.Уатта появился во второй половине XVIII века и быстро нашедший свое применение в фабричном производстве, а затем и в других областях. Паровоз Стефенсона появился только в начале XIX века. До конца XIX века «паровая машина» оставалась основным универсальным двигателем. Первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания появился в самом конце XIX века, а электродвигатель нашел техническое применение лишь в начале ХХ века.

ХХ век ознаменовался быстрым ростом металлургии, химической, а затем и ядерной промышленности. К этому следует добавить активную разработку новых видов оружия, в том числе химического, применявшегося в первой мировой войне, ядерного, нашедшего применение во второй мировой войне, и биологического, к счастью пока не нашедшего применения. Сейчас достаточно взглянуть на любую стройку или транспортные пути городов, чтобы ощутить мощь технических средств цивилизации.

Соответственно экспоненциально росло и давление техники на окружающую среду обитания. Общественное осознание этих явлений все время шло с некоторым опозданием и сейчас только входит в активную фазу, опираясь на те же технические средства.

Технический подход к способам ликвидации негативных экологических ситуаций — это первое, что приходило в голову в век технического прогресса. Он концентрирует внимание на создание различных очистительных механизмов. Всевозможные фильтры, уловители, вентиляторы и аналогические устройства борются с возникающими во все большем объеме загрязнениями среды обитания. Такие подходы, решая актуальные локальные задачи, не охватывают проблемы в целом.

Любые технические системы очистки промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов требуют дополнительных затрат энергии, запасы источников которой не безграничны, а стоимость постоянно возрастает. Более того, энергетические ресурсы одни из самых «грязных» с экологической точки зрения. Решая задачу в одном месте, мы увеличиваем эконагрузку в другом. В результате общая ситуация не улучшается, а ухудшается.

Ноосферный подход. Иной подход заложен в ноосферной концепции В.И.Вернадского. В отличие от и антропоцентрических близких по содержанию терминов техно-, психо-, антропосферного и т.п. подходов (А.П.Павлова, Д.Н.Анучина, И.М.Гревса, П.Т.Шардена, Э.Ле-Руа и др.), ставящих человека в центр системы (остальное среда), ноосферная концепция Вернадского исходит из примата Природы и ее законов, с которыми человек должны согласовать все свои действия. Человек здесь, в отличие от антропоцентрического подхода, не только часть природы, но и ее порождение, неразрывно с ней связанное.

Человек не управляет развитием ноосферы, а только участвует в ее эволюции. «Человечество — писал В.И.Вернадский — взятое в целом, не безразлично в стихийных, естественных процессах, идущих на земной поверхности. Оно здесь теснейшим образом связано с другими организмами и совершает с ними вместе огромную определенного рода геологическую работу… Чрезвычайно характерно, что геохимическая роль человечества совершенно соответствует геохимической роли живого вещества» (В.И.Вернадский.).

Отличие в понятиях ноосферы ориентирует не только на разный способ мышления и, что самое главное, разные практические действия. Ноосферный подход кладет в основу биогеохимические циклы со всеми их естественными закономерностями.

Приведем несколько примеров ноосферного подхода к решению экологических задач, связанных с горнорудными предприятиями.

Закономерности формирования геохимических барьеров могут с успехом использоваться при формировании горнорудных отвалов (рис.11.1), где направленное чередование окислительных и восстановительных условий может приводить к концентрации горизонтов с повышенным содержанием меди, которая не рассеивается поверхностными водами, вновь направляется на переработку.

Опытные работы показывают, что уже через несколько лет здесь появляются дендриты самородной меди и другие медьсодержащие минералы.

Очистка шахтных вод урановых рудников богатых ураном с помощью местных глин (рис.11.2) не только избавляет их от растворенного урана, но и сохраняет его для дальнейшей  переработки.

Своеобразные комплексные окислительно-восстановительные кислотно-щелочной и сорбционный барьеры могут создаваться в теле плотин хвостохранилищ (рис.11.3).

Если тело плотины сформировано таким образом, что сквозь него происходит медленное просачивание раствора, то на внешней ее стороне образуется пленка гидроокислов железа, сорбирующая значительные количества тяжелых металлов. Вытекающая вода очищается от токсичных примесей и одновременно образует рудный концентрат.

Сооружение вокруг сульфидоносных отвалов траншей, заполненных известняком (рис.11.4), ограждает окружающие территории и водные артерии от загрязнения кислыми водами с тяжелыми элементами, образующимися при окислении горных отвалов. На известковом барьере происходит не только нейтрализация кислых вод, но и гидролиз ряда элементов, которые периодически могут извлекаться и пускаться в промышленную переработку.

Методологические основы ноосферного подхода. Методологическая основа для оптимального решения экологических проблем заложена в ноосферной концепции В.И. Вернадского.

Здесь намечаются следующие основные направления:

1/ минимизация извлечения из природы продуктов жизнеобеспечения за счет более рационального их использования,

2/ симбиотическая система получения продуктов жизнеобеспечения,

3/ рецикл внутри системы

4/ создание депо продуктов жизнедеятельности – «техногенные месторождения» вместо «техногенных помоек»,

5/ возвращение продуктов жизнедеятельности в биогеохимические циклы биосферы (включение элементов в естественный круговорот элементов).

Систематические исследования в этих направлениях во всем мире пока только начинаются. Во многом исследования идут вслепую по отдельным узким направлениям. Более общая теоретическая база, дающая направление развития научной мысли, уже явно необходима.

Бытовые отходы

В последнее время все большее значение приобретает проблема роста промышленных и бытовых отходов, особенно остро ощущающаяся в крупных мегаполисах. По официальной статистике на территории г. Москвы ежегодно образуется более 18 млн. т (49,3 тыс. т/день) отходов. В их числе 3 млн. т промышленных отходов, около 4 млн. т твердых бытовых отходов (ТБО), 2 млн. т отходов от сноса ветхого жилого фонда, 3,5 млн. т осадков сточных вод, 6 млн. т загрязненных грунтов (табл. 11.1).

Таблица 11.1. Структура ТБО Москвы
Виды отходов	%
Бумага, картон	37
Пищевые отходы	30,6
Текстиль	5,4
Полимеры	5,2
Металлы	3,8
Стекло	3,7
Дерево	1,9
Кости	1,9
Камни, керамика	0,8
Резина	0,5
Прочие вещества	9,4

Преобладающая часть отходов, образуемых на предприятиях города Москвы, размещается на территории Московской области. На протяжении последних 15 лет среднегодовой прирост объемов образования отходов составляет ~3%. Минимизация промышленных и бытовых отходов начинается с их сортировки. В какой-то мере это минимизация энтропии социума. Существует много схем управления отходами, всегда включающих их сортировку и извлечение из свалочного материала полезных компонентов.Уже на первых стадиях формирования отходов рекомендуется не только раздельный сбор отходов промышленных и бытовых, но и группировка их по типам. Так, для бытовых отходов не следует смешивать бумажные, стеклянные, металлические и другие их группы. Если бы мы извлекли из мусора и пустили в переработку всю бумагу и картон, то мы бы не только спасли огромные площади лесов, но и почти на 40% снизили бы объемы вывозимых на свалки ТБО.Вместе с пищевыми отходами это величина достигла бы ⅔ вывозимого мусора. Не последнее место здесь занимают экономические стимулы. Так, в густонаселенных районах США стоимость помещения бытовых отходов на свалку достигает 80 $/т. Это стимулирует направление их по другим трафикам. В Норвегии более 90% отходов передается на соответствующую нормам переработку.

Тем не менее, отходы всегда будут, и организация их складирования требует учет геологических и гидрогеологических особенностей мест будущих свалок. Без этого свалки будут не только расти вверх, но и создавать загрязнение окружающих территорий за счет водной и ветровой эрозии.

Техногенные месторождения

Создание депо продуктов жизнедеятельности – организация «техногенных месторождений» вместо «техногенных помоек» имеет большие перспективы. Это и целенаправленное формирование горных отвалов (см. раздел ноосферный подход) и поиски безопасных способов консервации промышленных отходов, в том числе радиоактивных.

Фактически многие месторождения полезных (для нас) ископаемых являются скоплением токсичных элементов и их ассоциаций. Так, месторождение мышьяка, содержащие тысячи тонн этого элемента, могут сотни миллионов лет сохраняться в недрах, не принося никакого вреда окружающей природе. Любое месторождение можно рассматривать как «помойки природы», куда она сбросила избыточные для данных условий элементы. Наверное, здесь можно поучиться у природы.

Для последних десятилетий характерен гигантский рост потребления энергетических и минеральных ресурсов: угля, нефти, газа, рудных и нерудных полезных ископаемых. При этом создается масса отходов, что существенно сказывается на экологическом состоянии отдельных регионов. Кроме того, эти отходы могут быть использованы в будущем, а частью и в настоящее время как дополнительный источник минерального сырья, то есть техногенных месторождений. Суммарное содержание полезных компонентов, которые накапливаются в техногенных месторождениях за 20-30 лет, сопоставимо, а иногда и превышает их количество в ежегодно добываемых рудах.

Особенностями техногенных месторождений являются: 1) расположение в промышленно развитых районах; 2) месторождения находятся на поверхности, и материал в них преимущественно раздроблен; 3) количество искусственных минеральных форм, которые образуются в техногенных месторождениях, превышает 30 000, что значительно превосходит число известных в настоящее время природных минералов.

Отвалы и шламохранилища негативно влияют на окружающую среду, кроме того, занимают земли, которые могли бы использоваться для других целей. Из шлаков и шламов извлекают металл, производят строительные материалы, цемент, сельскохозяйственные удобрения, многое другое. В настоящее время Министерством природных ресурсов РФ разработана Федеральная целевая программа «Долгосрочная государственная программа изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы России на основе баланса потребления и воспроизводства минерального сырья на 2005-2010 гг. и до 2020 года. В США из промотходов получают 20% всего алюминия, 33% железа, 50% свинца и цинка, 44% меди и т.д. Подобная тенденция использования вторичных ресурсов наблюдается в Канаде, Великобритании, ЮАР, Испании и других странах.

Прогнозирование гео-экологических катастроф

Прогнозирование — специальное научное исследование конкретных перспектив развития какого-либо явления, одна из форм конкретизации научного предвидения. Оно дает возможность заблаговременно принять меры по устранению нежелательных последствий.

Прогноз опасных геологических процессов и стихийных геологических бедствий включает четыре элемента: 1. Вид бедствия (геологического «события»). 2.  Место. 3.  Время. 4. Интенсивность. В настоящее время прогноз по первым двум пунктам трудностей не вызывает. Практически для любого места Земли известно, какое геологическое событие там может произойти. А проблема предсказания точного времени и интенсивности катастрофы до сих пор не решена, хотя и имеются удивительные по точности прогнозы и места и времени и интенсивности, например, землетрясений. Материальный ущерб от «тихих» геологических катастроф (просадки грунта, карстовые и оползневые процессы, «эрозия» почвы и другие) во много раз превышает последствия таких «громких» как землетрясения и извержения вулканов. В табл. 11.2. и 11.3. представлены геодинамические процессы в оболочках Земли и продолжительности некоторых геологических процессов.

Прогнозы обычно делятся на 5 временных циклов: оперативный, краткосрочный, среднесрочный, долгосрочный, сверхдолгосрочный.

Методы прогноза. В основе большинства прогнозов лежат три основных метода: 1. Экспертных оценок. 2. Экстраполяция статистических тенденций. 3. Поиск зависимости между двумя или более статистическими переменными.

Статистический метод выясняет и находит среднее значение течения данного процесса (его цикл или цикличность) и по этим данным строит прогноз (усредненные ряды на будущее).

Таблица 11.2. Схема геодинамических процессов в оболочках Земли (по D.J. Wyllie et all., 1993, с изменениями Н.Л. Добрецова и др., 2001)

Тип наблюдений	Длиннопериодные процессы в оболочках				Короткопериодичные проявления
Метеорология,  гидрология	Циркуляция в океане и в атмосфере				Изменения погоды и климата
Геологические наблюдения и измерения	Приповерхностные  процессы. Вариации климата, изменения рельефа				Извержения вулканов, фумаролы
	Вулканическая дегазация		Гидротермальная циркуляция	Седиментация	Сезонные колебания скорости и характера осадконакопления в озерах, реках
	Вулканизм		Биогеохимические циклы
Геология, геодезия, космос (деформации поля напряжения, движения плит)	Процессы в литосфере				Землетрясения, изменения рельефа и ландшафтов
	Опускания, деформации, интрузии, метаморфизм, расслоение плит и др.
Геофизические (гравиметрия, магнитометрия, тепловые потоки и др.). Геологические наблюдения и реконструкции	Взаимодействие астеносферы и литосферы				Образование руд и энергетических ресурсов
	Процессы, определяющие движение и раздвижение плит	Спрединг, субдукция, коллизия		Геохимические циклы
Геофизика и астрономия (колебания скорости вращения Земли, миграция полюса, сейсмология). Геология и геохимия магматизма	Конвекция и плюмы в мантии Земли				Нутации полюса
Геофизика, метеоритика и эксперимент (вариации геомагнитного поля, состав метеоритов и др.)	Взаимодействие ядро – мантия. Конвекция во внешнем жидком ядре				Вторичные геомагнитные поля. Вариации вращения Земли

Таблица. 11.3. Сопоставление продолжительности некоторых геологических процессов и геологической деятельности человека. (по Дж. Уилсону, 1996.)

Интервал времени	Геологические и техногенные процессы
Доли секунды	Падение метеоритов  Взрывы, горные удары
Минуты – Первые часы	Землетрясения, обвалы  Оползни, грязевые потоки Обвалы в шахтах и на рудниках, вызванные взрывными работами Ливневые паводки, прорывы плотин
Часы-сутки	Штормы, мутьевые потоки, эксплозивные извержения вулканов, извержения грязевых вулканов, Пирокластические потоки.  Формирование осыпей. Обрушение и оползание горных пород в шахтах и рудниках. Вулканическая деятельность. Эрозия почвы; дефляция, движение барханов и дюн.
Десятилетия	Загрязнение озерных и речных водоемов.  Миграция песчаных баров и оползней. Техногенные изменения рельефа; формирование бедлендов и городских ландшафтов. Заиливание гаваней. Истощение водоносных горизонтов, проникновение в них сильноминерализованных и морских вод. Распад короткоживущих изотопов. Исчерпание небольших и средних месторождений.
Столетия	Распад короткоживущих изотопов.  Разрастание (спрединг) морского дна более чем на 10м. Исчерпание крупных и уникальных месторождений. Эвстатические повышения и понижения уровня океана. Трансгрессии и регрессии. Периодические изменения климата. Аккумуляция торфа, аллювиальных и пляжных отложений.
Миллионы лет	Распад долгоживущих изотопов.  Разрастание дна океанов более чем на 100 км. Эволюция живых организмов. Образование новых видов. Созревание нефти и угля. Накопление мощных осадочных толщ. Формирование крупных вулканов. Рудообразующие процессы. Конвективные движения в мантии и ядре.

 

В настоящее время прогноз геологических событий, влияющих на экологические ситуации можно свести к определению:

1)          климатических изменений,

2)          тектонической (и вулканической) деятельности,

3)          падение на Землю космического вещества,

4)          изменение солнечной активности (СА).

5)          результатов антропогенного давления на природу.

Прогноз геологических событий осложняется не стационарностью геологических процессов, что существенно затрудняет прогнозирование. Только некоторые из не слишком отдаленных от нас по времени процессов можно  прогнозировать при условии, что в этот интервал времени общий характер процесса не будет сильно меняться.

Эндогенные геологические процессы обусловлены эндодинамическим преобразованием горных пород, происходящие главным образом внутри Земли, в зоне действия сейсмотектонических и термодинамических факторов и вызванные в основном внутренними силами Земли. Здесь прогнозируются такие события как: землетрясения, вулканические извержения, цунами, и т.д.

Экзогенные геологические процессы: обусловлены экзодинамическим преобразованием горных пород, происходящим на поверхности Земли и в приповерхностном слое — в зоне действия факторов выветривания, эрозии, склоновых и береговых деформаций, вызванные в большей части внешними по отношению к литосфере силами (солнечной энергией, атмосферными, гидросферными, гравитационными). Здесь прогнозируются такие события как: оползни, обвалы, карст, суффозия и т.д.

Мониторинг и прогнозирование опасных геологических явлений осуществляется специализированными службами министерств, ведомств или специально уполномоченными организациями, которые функционально, по своему назначению, являются информационными подсистемами в составе единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций.

В основную задачу мониторинга и прогнозирования опасных геологических явлений входит своевременное выявление и прогнозирование развития опасных геологических процессов, влияющих на безопасное состояние геологической среды, в целях разработки и реализации мер по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, для обеспечения безопасности населения и объектов экономики страны.

Источниками природных чрезвычайных ситуаций и, соответственно, объектами мониторинга и прогнозирования опасных геологических явлений являются территории активного проявления эндогенных (землетрясение, вулканическое извержение) и экзогенных (оползень, обвал, карст, суффозия, просадка в лессовых грунтах, эрозия овражная, переработка берегов) геодинамических процессов. Перечень поражающих факторов опасных геологических процессов, характер их действия и проявления определяется соответствующим ГОСТ’ом.

При организации наблюдательных сетей мониторинга должен быть выполнен подготовительный этап работ по созданию специализированной картографической основы для контролируемой территории (в форматах ГИС) в масштабах, соответствующих уровню мониторинга, с целью оптимизации системы наблюдений и оценки вероятных потерь (геологического риска).

Объектами мониторинга являются территории распространения опасных геологических явлений, выделяемые по данным специализированных геологических исследований как учетные единицы таксономического ряда объектов наблюдений: регион, область, район, участок, временная зона.

Методы прогнозирования опасных геологических явлений, перечень исходных данных, правила оценки, алгоритмы прогноза и оценки достоверности, перечень выходных данных должны соответствовать требованиям ГОСТ’а.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Введение.

1.    Дайте определение науки «Геология».

2.    Перечислите ряд самостоятельных направлений в геологии, в том числе и прикладных.

3.    Какое теоретическое направление в геологии является общенаучной и важнейшей задачей геологии?

4.    Перечислите основные практические задачи геологии.

Гл. 1.

1.    Кто впервые в своих трудах разделил весь минеральный мир на земли, камни и руды и создал первую классификацию минеральных тел?

2. В каком веке появились первые представления о подвижных поясов земной коры – геосинклиналей и платформ,  явление радиоактивности?

3.Что в науке первично – эмпирические факты или гипотезы?

Гл. 2.

1.Сколько на сегодняшний день открыто планет? Перечислите их.

2.Какой самый большой объект (по массе и размеру) в Солнечной системе?

3.Из каких 2 больших зон (сфер) состоит Солнце?

4.Что такое «солнечная активность»?

5.Какие объекты относятся к «скрытой массе Космоса»?

6.На чем основана «Теория катастроф»?

Гл. 3.

1- Перечислите внешние геосферы Земли.

2-    Какие слои (сферы) включает в себя атмосфера Земли?

3-    Какие два газа по объему являются основными в атмосфере Земли?

4-    Природные воды чьих объектов включает в себя гидросфера Земли?

5-    Какие две группы сейсмических волн вы знаете?

6-    Назовите два основных процесса, влияющих на геологические преобразования.

7-    Что относится к эндогенным процессам?

8-    Что относится к экзогенным процессам?

9-    Как называется средние содержания химических элементов в земной коре, в горной породе, в минерале?

10-   Какой химический элемент самый распространенный в земной коре?

11-   Перечислите основные диагностические (отличительные) признаки минералов.

12-   Что такое «цвет следа» или «цвет в порошке»?

13-   На сколько групп по плотности делятся минералы в «Шкале плотности»?

14-   Какую характеристику минерала определяет «Шкала Мооса»?

15-   Какие свойства минерала относят к «особым»?

16-   Что такое «самородные элементы»?

17-   Определение «горных пород».

18-   При каких условиях формируются осадочные горные породы?

19-   От чего зависит цвет глины?

20-   Что такое «метаморфизм»?

21-   На каком месте по запасам пресной воды находятся ледники?

22-   Сколько процентов от общих запасов воды на Земле приходится на пресную воду?

23-   При какой температуре плотность воды максимальна?

24-   Во сколько раз увеличивается объем воды при переходе в газ (пар)?

25-   Где больше электропроводность: в чистой воде или в растворах?

26-   При какой температуре замерзает морская вода?

27-   Что является самым крупным пресноводным бассейном мира?

28-   Какова соленость открытого океана, Черного моря?

Гл.4

1.Что является простейшей геологической структурой?

2.Что показывает «гипсографическая кривая»?

3.Какова средняя высота континентов над уровнем моря?

4.Какова в среднем мощность литосферы платформ?

5.Что такое «кольцевые структуры», как они образуются?

Гл. 5

1.Что изучают палеонтологический и биостратиграфический методы?

2.На какие 5 эр история Земли подразделяется в стратиграфической шкале?

3.Как называется «шкала геологического времени»?

4.На чем основаны радиологические методы определения геологического возраста?

5.Каков период полураспада изотопа углерода ¹⁴С?

Гл.6

1.Какие процессы называются экзогенными?

2.Приведите примеры космических воздействий.

3.Какие виды выветривания вы знаете?

4.Какие факторы действуют при физическом выветривании?

5.Что такое эоловая деятельность?

6.Что такое «эрозия» горных пород?

7. Какие 2 периода вы знаете в режиме рек?

8. Что называется «поймой»?

9.Что такое «денудация»?

10.Что такое «пролювий» и «аллювий»?

11.Дельта реки – это ее начало или конец?

12.Сколько процентов суши занимают ледники?

13.Какова высота покрова (толща) льда Антарктиды?

Гл.7

1.3 основных вида эндогенных процессов.

2.Перечислите главные факторы метаморфизма.

3.Какие виды магматизма вы знаете?

4.Назовите 2 типа вулканов.

5.Что такое геотектоника?

Гл.8

1.Как называется этап скрытой жизни на Земле?

2.Как называется этап явной жизни на Земле?

3.Как называется первая (самая ранняя) эра развития Земли?

4.Когда на Земле появились первые многоклеточные?

5.Перечислите 3 эры фанерозоя.

6. К какому периоду относится появление высших растений,  вышли многие представители животных?

7. В какой период появился человек?

Гл.9

1.Определение полезного ископаемого.

2.Основные 3 свойства полезного ископаемого.

3.Как расположены на Земле месторождения полезных ископаемых?

4.Являются подземные воды невозобновляемыми?

Гл.10

1.Какой основной по массе элемент современной атмосферы?

2.Сколько куб.м. пород в процессе своей жизнедеятельности человечество перемещает механически в год (это и добыча полезных ископаемых, и строительные, и дорожные работы)?

3.Как называется стадия развития биосферы, которая начинается с момента появления человеческого разума, продолжается в наше время, и будет развиваться в будущем?

Гл. 11

1.Все многообразие обстановок экологического неблагополучия по первопричине своего возникновения могут быть разделены на две основные группы. Какие?

4. Для чего необходим мониторинг техногенного давления цивилизации на природу?

5. Что грозит любой системе, которая только потребляет вещество и энергию, но не выделяет их?

6. Что включает ноосферный подход Вернадского к способам ликвидации негативных экологических ситуаций? Перечислите основы подхода.

7. На какие временные циклы делятся прогнозы?

Литература

1.    Астрономия: век 21, МГУ (ред.-сост. Судрин В.Г), Фрязино, Век 2, 2007.

2.    Бондаренко С.,, Потапов Г.И., Афанасьев С.Л., Лукин В.Н., Геология, М., МГОУ, 2004.

3.    Вернадский В.И., Очерки геохимии, М., Наука, 1983.

4.    Войткевич Г.В., Геологическая хронология, М., 1984.

5.    Добровольский В.В. Геология, М., ВЛАДОС, 2001.

6.    Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет, 2-е изд., М., Наука, 1983.

7.    Земная кара и верхняя мантия, М., Мир, 1972.

8.    Короновский Н.В., Якушева А.Ф., Основы геологии, М., 1991.

9.    Короновский Н.В., Ясаманов Н.А, Геология, М., Естественные науки, 2006.

10.Катастрофические воздействия космических тел, Под ред. Адушкина В.В., Немчинова И.В., М., РАН, ИКЦ «Академкнига», 2005.

11.Любушкина С.Г. Пашканг. Естествознание. Землеведение и краеведение. М.: Владос, 2002. 455 стр.

12.Милютин А.Г. Геология. М.: Высшая школа, 2004. 416 стр.

13.Общая геология, под редакцией А.К. Соколовского, М, КДУ, 2006.

14.Рапацкая Л.А. Общая геология. М.: Высшая школа, 2005. 448 стр.

15.Старостин В.И., Игнатов П.А. Геология полезных ископаемых. М.: Академический проект. 2004. 510 стр.

16.Судо М.М., Геология, М.,МНЭПУ, 2002.

17.Судо М.М., Геология (конспект лекций), М., РУДН, 2006.

18.Тарасов Б.Г., Пирогов И.А. Инженерная геология. Вопросы общей геологии. С-Пб., Изд-во СПбГТУ, 2001. 100стр.

19.Уилсон Дж. Геология и человек. М.: Недра, 2006. 188 стр.

20.Ульямс Л., Науки о земле, М., Эксмо, 2009.

21.Хуторской М.Д., Введение в геотермию, М., РУДН, 1996.

22.Хуторской М.Д., Зволинский В.П., Рассказов А.А. Мониторинг и прогнозирование геофизических процессов и природных катастроф: Учеб. пособие. – М., РУДН, 1999.

23.Хаин В.Е., Михайлов А.Е., Общая геотектоника, М., 1985.

24.Хаин В.Е., Ломизе М.Г., Геотектоника с основами геодинамики, М., МГУ, 1995.

25.Энциклопедия для детей. Геология, М., Аванта+, 1997.

 

Интернет-сайты

•        www.geo.web.ru

•        www.philosophy.nsc.ru

•        www.rssi.ru

•        www.izmiran.rssi.ru

•        www.istp.irk.ru

•        WWW.astronet.ru

•        www.istp.irk.ru