Атмосфера

Геология

Гидросфера

Земная кора

Литосфера

Мантия

Ядро

Геология — одна из фундаментальных естественных наук, изучающая строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует сложные явления и процессы, протекающие на ее поверхности и в недрах. Современная геология опирается на многовековой опыт познания Земли и разнообразные специальные методы исследования. В отличии от других наук о Земле, геология занимается исследованием ее недр. Основные задачи геологии состоят в изучении наружной каменной оболочки планеты — земной коры и взаимодействующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли (внешние — атмосфера, гидросфера, биосфера; внутренние — мантия и ядро) (рис. 9.1).

Объектами непосредственного изучения геологии являются минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, геологические процессы.

Геология тесно связана с другими науками о Земле, например с астрономией, геодезией, географией, биологией. Геология опирается на такие фундаментальные науки как математика, физика, химия. Геология является синтетической наукой, хотя в то же время распадается на множество взаимосвязанных отраслей, научных дисциплин, изучающих Землю в разных аспектах и получающих сведения об отдельных геологических явлениях и процессах. Так, изучением состава литосферы занимаются: петрология, исследующая магматические и метаморфические породы, литология, изучающая осадочные горные породы, минералогия — наука, изучающая минералы как природные химические соединения и геохимия — наука о распределении и миграции химических элементов в недрах земли.

Геологические процессы, формирующие рельеф земной поверхности, изучает динамическая геология, частью которой являются геотектоника, сейсмология и вулканология.

Раздел геологии, занимающийся изучением истории развития земной коры и Земли в целом, включает стратиграфию, палеонтологию, региональную геологию и носит название историческая геология.

Есть в геологии науки, имеющие большое практическое значение, такие, как о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология.

В последние десятилетия появились и приобретают все большее значение науки, связанные с исследованием космоса (космическая геология), дна морей и океанов (морская геология).

Наряду с этим есть геологические науки, находящиеся на стыке с другими естественными науками: геофизика, биогеохимия, кристаллохимия, палеоботаника. К таковым относятся также геохимия и палеогеография. Наиболее близкая и разносторонняя связь геологии с географией. Для географических наук, таких как ландшафтоведение, климатология, гидрология, океанография, более всего важны геологические науки, изучающие процессы, влияющие на формирование рельефа земной поверхности и историю образования земной коры всей Земли.

Согласно современным космологическим представлениям 3емля образовалась вместе с другими планетами около 4,6 млрд лет назад из кусков и обломков, вращавшихся вокруг молодого Солнца. Она разрасталась, захватывая вещество, находившееся вокруг, пока не достигла своего нынешнего размера.

В строении Земли выделяют три основных слоя:

1) земную кору;

2) мантию;

3) ядро (рис. 9.2).

Земная кора — твердая слоистая внешняя оболочка Земли. Мощность земной коры в планетарном масштабе чрезвычайно мала (в среднем около 35 км). Мощность ее сильно меняется от 5 км под океанами до 70 км под горными сооружениями. На 90% земная кора состоит из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, калия, натрия, магния.

Существуют две разновидности земной коры:

1) континентальная (более мощная, сложная, имеющая три слоя — осадочный, гранитный и базальтовый);

2) океаническая (более тяжелая и преимущественно базальтовая с отсутствием гранитного слоя).

Мантия распространяется на глубину 2900 км. Ее объем составляет 83% (с ядром — 99%) объема планеты. Несмотря на высокую температуру (2000°С), вещество мантии вследствие огромного давления находится в твердом кристаллическом состоянии. Внутри мантии на глубине 100—250 км под континентами и 50— 100 км под океанами начинается слой повышенной пластичности вещества, близкого к точке плавления, — астеносфера. Подошва астеносферы находится на глубинах порядка 400 км. Земная кора вместе с верхним твердым слоем мантии над астеносферой называется литосферой. Литосфера — относительно хрупкая оболочка. Она разбита глубинными разломами на крупные блоки — литосферные плиты (рис. 9.3).

Ядро находится на глубинах от 2900 до 6371 км, т. е. радиус ядра занимает более половины радиуса Земли и имеет мощность примерно 3500 км. Ядро состоит из внешнего и внутреннего слоев. Предполагают, что во внешней части ядра вещество находится в расплавленном подвижном состоянии и в нем из-за вращения планеты возникают электрические токи, которые создают магнитное поле Земли; внутренняя часть ядра твердая. Земное ядро состоит из железа с примесью более легких элементов. С глубиной нарастают давление и температура, которая составляет в ядре около 5000°С.

Абсолютный возраст Земли примерно равен 4,6 млрд лет. Возраст древнейших пород Земли — гранитогнейсов, обнаруженных на суше, — равен 3,8—4,0 млрд лет. О событиях геологического прошлого дает представление единая международная геохронологическая шкала. Ее основными временными подразделениями являются архейская, протерозойская, палеозойская, мезозойская и кайнозойская эры (рис. 9.4).

Древнейший интервал геологического времени, включающий архей и протерозой, называют докембрием (90% всей геологической истории Земли). Далее выделена палеозойская эра — «древняя жизнь» — от 570 до 230 млн лет назад, мезозойская эра — «средняя жизнь» — от 230 до 65—67 млн лет назад и кайнозойская эра — «новая жизнь» — от 65—67 млн лет до наших дней. Внутри эр выделяются меньшие временные отрезки — периоды.

Литосфера — верхняя твердая оболочка Земли, которая включает земную кору и верхнюю часть мантии. Толщина литосферы по различным данным составляет 30—70 км (по некоторым данным до 200 км).

В последнее время признание получила концепция тектонических литосферных плит, согласно которой в течение всего мезозоя и кайнозоя материки перемещались по поверхности планеты.

Гидросфера (водная оболочка) покрывает 71% поверхности планеты и включает в себя Мировой океан, моря, озера, реки, и подземные воды. Значительная часть воды содержится в криосфере — льдах Арктики и Антарктики, занимающей огромные пространства. Общие запасы воды на Земном шаре составляют 1,5 млрд км³. Соленая вода составляет около 97% этого объема. В течение года с поверхности нашей планеты испаряется около 355 тыс. км³ воды. Большая ее часть (порядка 90%) выпадает затем в виде осадков над поверхностью морей и океанов, оставшаяся влага осаждается на суше, а затем реками выносится в океан, уходит под землю или замерзает в ледниках.

Непрерывный круговорот воды оказывает огромное влияние на климат и обмен веществ на всей планете.

Атмосфера — газовая оболочка Земли, существенно отличается от атмосфер других планет Солнечной системы. Первоначально она состояла из водорода, водяных паров, углекислого газа, метана, аммиака и небольших количеств гелия и неона. На Земле углекислота была удалена химическими реакциями с горными породами при участии жидкой воды, а впоследствии и фотосинтезом растений. Современная атмосфера состоит из азота (около 78%) и кислорода (около 20%). Кроме этого, в небольших количествах в атмосфере содержатся диоксид углерода, аргон, гелий, водород и озон. Атмосфера подразделяется на несколько уровней: приземную тропосферу с интенсивным вертикальным и горизонтальным движением воздуха, стратосферу с озоновым слоем, мезосферу, ионосферу и экзосферу (рис. 9.5).

Совокупность движений воздуха тропосферы образует атмосферную циркуляцию. Наблюдается широтное чередование сезонно смещающихся зон высокого и низкого давления, и отрывающиеся от них атмосферные вихри, связанные с областями низкого и высокого давления, называются циклонами и антициклонами.

Сложное взаимодействие трех геосфер — атмосферы, литосферы и гидросферы (возможно, и при неких дополнительных внешних воздействиях) — привело в глубокой древности к формированию новой геосферы — биосферы, сферы жизни.

Как уже было сказано выше, литосфера — верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии и переходящая без резкой границы в нижележащую астеносферу. Мощность литосферы составляет по различным данным от 50 до 200 км.

Породы земной коры делятся на три класса, имеющих различное происхождение:

1) магматические породы (гранит, базальт, габбро, туф);

2) осадочные породы (мел, известняк, доломит, песок);

3) метаморфические породы.

Известно более ста химических элементов, однако основу живых систем составляют только шесть, названные органогенами: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая весовая доля в организмах — 97,4%. Далее следуют 12 элементов, участвующих в физиологически важных компонентах биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт (весовая доля в организмах — 1,6%). Еще 20 элементов участвуют в работе отдельных биосистем, участие остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано.

На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий, калий, никель, а углерод занимает лишь 16-е место. Из органогенов наиболее распространены лишь кислород и водород. Следовательно, геохимия не играет существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.

Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая.

Природные ресурсы — это тела и силы природы, которые на данном уровне развития производительных сил и изученности могут быть использованы для удовлетворения потребностей человеческого общества в форме непосредственного участия в материальной деятельности.

Под полезными ископаемыми понимаются минеральные образования земной коры, которые могут эффективно использоваться в хозяйственной деятельности человека. Распространение полезных ископаемых в земной коре подчиняется геологическим закономерностям. К ресурсам литосферы относятся топливные, рудные и нерудные полезные ископаемые, а также энергия внутреннего тепла Земли.

Таким образом, литосфера выполняет одну из важнейших для человечества функций — ресурсную — снабжение человека почти всеми видами известных ресурсов.

Кроме ресурсной функции, литосфера выполняет и еще одну важную функцию — геодинамическую. На Земле непрерывно проходят геологические процессы. В основе всех геологических процессов лежат разные источники энергии. Источником внутренних процессов является тепло, образующееся при радиоактивном распаде и гравитационной дифференциации веществ внутри Земли.

В разнообразии химического состава и физико-химических свойств земной коры и заключается следующая функция литосферы — геофизико-геохимическая. По геологическим и геохимическим данным до глубины 16 км подсчитан усредненный химический состав пород земной коры: кислород — 47%, кремний — 27,5%, алюминий — 8,6%, железо — 5%, кальций, натрий, магний и калий — 10,5%, на все остальные элементы приходится около 1,5%, в том числе на титан — 0,6%, углерод — 0,1%, медь — 0,01%, свинец — 0,0016%, золото — 0,0000005%. Очевидно, что первые восемь элементов составляют почти 99% земной коры. Выполнение литосферой данной, не менее важной, чем предыдущие, функции приводит к наиболее эффективному хозяйственному использованию практически всех слоев литосферы. В частности, наиболее ценным по своему составу и физико-химическим свойствам является верхний тонкий слой земной коры, обладающий естественным плодородием и именуемый почвой.