ГЕОЛОГИЯ - наука о строении и истории развития Земли. Основные объекты исследований - горные породы, в которых запечатлена геологическая летопись Земли, а также современные физические процессы и механизмы, действующие как на ее поверхности, так и в недрах, изучение которых позволяет понять, каким образом происходило развитие нашей планеты в прошлом. Земля постоянно изменяется. Некоторые изменения происходят внезапно и весьма бурно (например, вулканические извержения, землетрясения или крупные наводнения), но чаще всего - медленно (за столетие сносится или накапливается слой осадков мощностью не более 30 см). Такие перемены не заметны на протяжении жизни одного человека, но накоплены некоторые сведения об изменениях за продолжительный срок, а при помощи регулярных точных измерений фиксируются даже незначительные движения земной коры. Например, таким образом установлено, что территория вокруг Великих озер (США и Канада) и Ботнического залива (Швеция) в настоящее время поднимается, а восточное побережье Великобритании - опускается и затапливается. Однако значительно более содержательная информация об этих изменениях заключается в самих горных породах, представляющих собой не просто совокупность минералов, а страницы биографии Земли, которые можно прочесть, если владеть языком, которым они написаны. Такая летопись Земли весьма продолжительна. История Земли началась одновременно с развитием Солнечной системы примерно 4,6 млрд. лет назад. Однако для геологической летописи характерны фрагментарность и неполнота, т.к. многие древние породы были разрушены или перекрыты более молодыми осадками. Пробелы должны восполняться посредством корреляции с событиями, происходившими в других местах и о которых имеется больше данных, а также методом аналогий и выдвижением гипотез. Относительный возраст пород определяется на основании комплексов содержащихся в них ископаемых остатков, а отложений, в которых такие остатки отсутствуют, - по взаимному расположению тех и других. Кроме того, абсолютный возраст почти всех пород может быть установлен геохимическими методами.

См.

также РАДИОУГЛЕРОДНОЕ ДАТИРОВАНИЕ.

Геологические дисциплины. Геология выделилась в самостоятельную науку в 18 в. Современная геология подразделяется на ряд тесно взаимосвязанных отраслей. К ним относятся: геофизика, геохимия, историческая геология, минералогия, петрология, структурная геология, тектоника, стратиграфия, геоморфология, палеонтология, палеоэкология, геология полезных ископаемых. Существуют также несколько междисциплинарных областей исследований: морская геология, инженерная геология, гидрогеология, сельскохозяйственная геология и геология окружающей среды (экогеология). Геология тесно связана с такими науками, как гидродинамика, океанология, биология, физика и химия.

ПРИРОДА ЗЕМЛИ

Кора, мантия и ядро. Большая часть сведений о внутреннем строении Земли получена косвенно на основании интерпретации поведения сейсмических волн, которые регистрируются сейсмографами. В недрах Земли установлены два основных рубежа, на которых происходит резкая смена характера распространения сейсмических волн. Один из них, с сильной отражающей и преломляющей способностью, расположен на глубине 13-90 км от поверхности под материками и 4-13 км - под океанами. Он называется границей Мохоровичича, или поверхностью Мохо (М), и считается геохимической границей и зоной фазового перехода минералов под влиянием высокого давления. Эта граница разделяет земную кору и мантию. Второй рубеж находится на глубине 2900 км от поверхности Земли и соответствует границе мантии и ядра (рис. 1).

Рис. 1. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ. Относительно тонкая земная кора (причем под океанами более тонкая и более плотная, чем под материками) составляет внешний покров, который отделен от нижележащей мантии границей Мохоровичича. Самый плотный материал слагает ядро Земли, по-видимому, состоящее из металлов. Кора, мантия и, возможно, внутреннее ядро находятся в твердом состоянии, а внешнее ядро, скорее всего, в жидком.

Температуры. На основании того, что из вулканов извергается расплавленная лава, сложилось представление, что недра Земли раскалены. По результатам температурных измерений в шахтах и нефтяных скважинах установлено, что с глубиной температура земной коры непрерывно повышается. Если бы такая тенденция сохранялась вплоть до ядра Земли, то его температура составила бы ок. 2925° С, т.е. значительно превышала бы точки плавления обычно встречающихся на земной поверхности пород. Однако на основании данных о распространении сейсмических волн считается, что большая часть недр Земли находится в твердом состоянии. Решение вопроса о температуре земных недр, тесно связанной с ранней историей Земли, имеет большое значение, но до сих пор он остается дискуссионным. Согласно одним теориям, Земля первоначально была раскаленной, а затем остыла, согласно другим - первоначально была холодной, а затем разогрелась под действием тепла, генерируемого в процессе распада радиоактивных элементов и высокого давления на глубине.

Земной магнетизм. Обычно считается, что магнитное поле создается внутри Земли, однако механизм его возникновения недостаточно ясен. Магнитное поле не может быть результатом постоянной намагниченности железного ядра Земли, поскольку температура уже на глубине нескольких десятков километров значительно ниже точки Кюри - температуры, при которой вещество утрачивает свои магнитные свойства. Кроме того, гипотеза постоянного магнита в фиксированном положении противоречит отмечаемым изменениям магнитного поля в настоящее время и в прошлом. Остаточная намагниченность сохраняется в осадочных и вулканических породах. Частички магнетита, осаждающиеся в спокойных водоемах, а также магнитные минералы в лавовых потоках при температуре ниже точки Кюри остывают и ориентируются по направлению силовых линий локального магнитного поля, существовавшего во время образования пород. Палеомагнитные исследования горных пород позволяют установить положение магнитных полюсов, которые существовали во время осадконакопления и оказывали воздействие на ориентировку магнитных частиц. Полученные результаты свидетельствуют о том, что либо магнитные полюса, либо участки земной коры со временем существенно меняли свое положение по отношению к оси вращения Земли (первое представляется маловероятным). Имеются также веские доказательства того, что материки перемещались относительно друг друга. Например, положения магнитного полюса, определенные по палеомагнитным данным для пород одного и того же возраста в Северной Америке, Европе и Австралии, пространственно не совпадают. Эти факты подтверждают гипотезу, согласно которой материки образовались из единого праматерика в результате его деления на отдельные части и последующего их раздвижения.

См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ.

Гравитационное поле Земли. Гравитационными исследованиями установлено, что земная кора и мантия под воздействием дополнительных нагрузок прогибаются. Например, если земная кора всюду имела бы одинаковую мощность и плотность, то следовало бы ожидать, что в горах (где масса пород больше) действовала бы большая сила притяжения, чем на равнинах или в морях. Однако примерно с середины 18 в. было замечено, что гравитационное притяжение в горах и вблизи них меньше предполагаемого (если допустить, что горы представляют собой просто дополнительную массу земной коры). Этот факт объяснялся наличием "пустот", которые интерпретировались как разуплотнившиеся при нагревании породы или как соляное ядро гор. Такие объяснения оказались несостоятельными, и в 1850-х годах были предложены две новые гипотезы. В соответствии с первой гипотезой, земная кора состоит из блоков пород разных размеров и плотности, плавающих в более плотной среде. Основания всех блоков располагаются на одном уровне, а блоки, характеризующиеся низкой плотностью, должны быть большей высоты, чем блоки, имеющие высокую плотность. Горные сооружения принимались за блоки низкой плотности, а океанические бассейны - высокой (при одинаковой общей массе тех и других). Согласно второй гипотезе, плотность всех блоков одинакова и плавают они в более плотной среде, а различная высота поверхности объясняется их разной мощностью. Она известна как гипотеза горных корней, поскольку чем выше блок, тем глубже он погружен во вмещающую среду. В 1940-х годах были получены сейсмические данные, подтверждающие представление об утолщении земной коры в горных областях.

Изостазия. Всякий раз, когда на земную поверхность поступает дополнительная нагрузка (например, в результате осадконакопления, вулканизма или оледенения), земная кора прогибается и проседает, а когда эта нагрузка снимается (в результате денудации, таяния ледниковых покровов и пр.), земная кора поднимается. Этот компенсационный процесс, известный как изостазия, вероятно, реализуется посредством горизонтального переноса масс в пределах мантии, где может происходить периодическое расплавление материала. Установлено, что некоторые участки побережья Швеции и Финляндии за последние 9000 лет поднялись более чем на 240 м, главным образом вследствие таяния ледникового покрова. Поднятые побережья Великих озер в Северной Америке сформировались также в результате изостазии. Несмотря на действие таких компенсационных механизмов, крупные океанические впадины и некоторые дельты обнаруживают значительный дефицит массы, в то время как некоторые районы Индии и Кипр - существенный ее избыток.

Вулканизм. Происхождение лавы. В некоторых районах земного шара магма во время вулканических извержений изливается на земную поверхность в виде лавы. Многие вулканические островные дуги, по-видимому, связаны с системой глубинных разломов. Центры землетрясений располагаются примерно на глубине до 700 км от уровня земной поверхности, т.е. вулканический материал поступает из верхней мантии. На островных дугах он часто имеет андезитовый состав, а поскольку андезиты по своему составу сходны с континентальной земной корой, многие геологи считают, что континентальная кора в этих районах наращивается за счет поступления мантийного вещества. Вулканы, действующие вдоль океанических хребтов (например, Гавайского), извергают материал преимущественно базальтового состава. Эти вулканы, вероятно, сопряжены с мелкофокусными землетрясениями, глубина которых не превышает 70 км. Поскольку базальтовые лавы встречаются как на материках, так и вдоль океанических хребтов, некоторые геологи предполагают, что непосредственно под земной корой существует слой, из которого поступают базальтовые лавы.

См. также ВУЛКАНЫ. Однако неясно, почему в одних районах из мантийного вещества образуются и андезиты, и базальты, а в других - только базальты. Если, как теперь полагают, мантия действительно является ультраосновной породой (т.е. обогащена железом и магнием), то лавы, произошедшие из мантии, должны иметь базальтовый, а не андезитовый состав, поскольку минералы андезитов отсутствуют в ультраосновных породах. Это противоречие разрешает теория тектоники плит, согласно которой океаническая кора поддвигается под островные дуги и на определенной глубине плавится. Эти расплавленные породы и изливаются в виде андезитовых лав.

Источники тепла. Одной из нерешенных проблем проявления вулканической активности является определение источника тепла, необходимого для локального плавления базальтового слоя или мантии. Такое плавление должно быть узколокализованным, поскольку прохождение сейсмических волн показывает, что кора и верхняя мантия обычно находятся в твердом состоянии. Более того, тепловой энергии должно быть достаточно для плавления огромных объемов твердого материала. Например, в США в бассейне р.Колумбия (штаты Вашингтон и Орегон) объем базальтов более 820 тыс. км3; такие же крупные толщи базальтов встречаются в Аргентине (Патагония), Индии (плато Декан) и ЮАР (возвышенность Большое Кару). В настоящее время существуют три гипотезы. Одни геологи считают, что плавление обусловлено локальными высокими концентрациями радиоактивных элементов, но такие концентрации в природе кажутся маловероятными; другие предполагают, что тектонические нарушения в форме сдвигов и разломов сопровождаются выделением тепловой энергии. Существует еще одна точка зрения, согласно которой верхняя мантия в условиях высоких давлений находится в твердом состоянии, а когда вследствие трещинообразования давление падает, она плавится и по трещинам происходит излияние жидкой лавы.

Геохимия и состав Земли. Определение химического состава Земли является трудной задачей, поскольку ядро, мантия и большая часть коры недоступны для непосредственного опробования и наблюдений и делать выводы приходится на основе интерпретации косвенных данных и аналогий.

Земля как гигантский метеорит. Предполагают, что метеориты представляют собой обломки ранее существовавших планет, по своему составу и строению имевших сходство с Землей. Существует несколько типов метеоритов. Наиболее известны и довольно часто встречаются железные метеориты, состоящие из металлического железа и железо-никелевых сплавов, которые, как полагают, составляли ядра существовавших планет и по аналогии должны быть идентичны земному ядру по плотности, составу и магнитным свойствам. Второй тип - каменные метеориты, состоящие преимущественно из железо-магнезиальных силикатных минералов. Они более распространены по сравнению с железными метеоритами и по своей плотности соответствуют породам, слагающим мантию. По составу каменные метеориты очень близки к ультраосновным породам Земли. Третий тип - смешанные метеориты, имеющие в своем составе металлы и силикаты, что указывает на их генезис из переходного (от мантии к ядру) слоя ранее существовавшей планеты.

Плотность Земли. Средняя плотность Земли в 5,5 раз выше плотности воды, в 5 раз выше плотности Венеры и в 3,9 раза - Марса. Согласно оценкам, увеличение плотности с глубиной, которое хорошо согласуется с общей массой Земли, моментом инерции, сейсмическими свойствами и сжимаемостью, распределяется следующим образом. Средняя плотность земной коры (по крайней мере, в ее верхней части до глубины 32 км) составляет 3,32 г/см3, ниже поверхности Мохоровичича она непрерывно возрастает (эта закономерность несколько нарушается на уровнях 415 и 988 км). На глубине 2900 км проходит граница между мантией и внешним ядром, где прослеживается резкий скачок плотности от 5,68 до 9,57 г/см3. С этой отметки и до границы между внешним и внутренним ядром на глубине 5080 км плотность продолжает непрерывно увеличиваться (составляя 11,54 г/см3 на глубине 4830 км). Плотность внутреннего ядра оценивается от 14 до 17 г/см3.

Земля как гигантская доменная печь. Некоторые геологи полагают, что если Земля некогда находилась в расплавленном состоянии, то вполне вероятно, что этот расплавленный материал разделялся на слои разного состава подобно тому, как это происходит в доменной печи, когда на дне скапливается металл, выше - сульфиды, а еще выше - силикаты. Возможно, недра Земли делятся в такой же последовательности на металлическое ядро и сульфидную и силикатную оболочки. Однако никаких признаков сульфидного слоя не было обнаружено.

Состав земной коры. Большая часть земной коры не доступна для изучения, потому что она перекрыта более молодыми осадочными породами, скрыта водами морей и океанов и даже если где-то выходит на поверхность, отбор образцов может быть выполнен из относительно небольших толщ. Более того, разнообразие горных пород и минералов и разная степень их участия в строении Земли затрудняют или делают невозможным получение репрезентативных проб. Любые количественные показатели или осредненные данные о химическом и минералогическом составе земной коры представляют грубое приближение к истинной характеристике. С большей или меньшей степенью достоверности общее представление о химическом составе земной коры было составлено на основании анализа более 5000 проб изверженных (магматических) пород. Установлено, что на 99% она состоит из 12 элементов. Их участие в весовых процентах распределяется следующим образом: кислород (46,6), кремний (27,7), алюминий (8,1), железо (5,0), кальций (3,6), натрий (2,8), магний (2,6), титан (2,1), марганец (0,4), фосфор (0,1), сера и углерод (вместе менее 0,1). Очевидно, что в земной коре преобладает кислород, поэтому 10 наиболее распространенных металлов присутствуют в форме оксидов. Однако обычно минералы, слагающие породы, представлены не простыми, а сложными оксидами, в состав которых входят несколько металлов. Поскольку одним из самых распространенных элементов на Земле является кремний, многие минералы представляют собой разнообразные сложные силикаты. Сочетание минералов в разных количественных пропорциях формирует многообразие горных пород.

Химический состав атмосферы. Современная атмосфера представляет собой результат медленной и продолжительной утраты в ходе вулканической деятельности и других процессов первоначальной атмосферы Земли. Примерно 3,1-2,7 млрд. лет назад с началом выделения больших количеств углекислого газа и водяных паров появились условия для жизнедеятельности первых растений, осуществляющих процесс фотосинтеза. Большие количества кислорода, выделявшиеся в атмосферу растениями, сначала расходовались на окисление металлов, о чем свидетельствует широкое распространение на земном шаре докембрийских железных руд. 1,6 млрд. лет назад содержание свободного кислорода в атмосфере достигло примерно 1% его современного количества, что позволило зародиться примитивным животным организмам. По-видимому, первозданная атмосфера имела восстановительный характер, тогда как современная, вторичная, атмосфера характеризуется окислительными свойствами. Постепенно ее химический состав менялся благодаря продолжающейся вулканической деятельности и эволюции органического мира.

Химический состав океанов. Предполагают, что первоначально на Земле вода отсутствовала. По всей вероятности, современные воды на поверхности Земли имеют вторичное происхождение, т.е. высвободились в виде пара из минералов земной коры и мантии в результате вулканической деятельности, а не были образованы путем соединения свободных молекул кислорода и водорода. Если бы морская вода постепенно накапливалась, то объем Мирового океана должен был бы непрерывно увеличиваться, однако прямые геологические доказательства этого обстоятельства отсутствуют; это означает, что океаны существовали на протяжении всей геологической истории Земли. Изменение химического состава океанических вод происходило постепенно.

Сиаль и сима. Существует разница между породами коры, которые подстилают континенты, и породами, залегающими под дном океанов. Состав континентальной коры соответствует гранодиориту, т.е. породе, состоящей из калиевого и натриевого полевого шпата, кварца и небольших количеств железо-магнезиальных минералов. Океаническая кора соответствует базальтам, состоящим из кальциевого полевого шпата, оливина и пироксена. Породы континентальной коры характеризуются светлой окраской, низкой плотностью и обычно кислым составом, часто их называют сиаль (по преобладанию Si и Al). Породы океанической коры отличаются темной окраской, высокой плотностью и основным составом, их называют сима (по преобладанию Si и Mg). Считается, что породы мантии имеют ультраосновной состав и состоят из оливина и пироксена. В современной российской научной литературе термины "сиаль" и "сима" не используются, т.к. считаются устаревшими.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Геологические процессы подразделяются на экзогенные (разрушительные и аккумулятивные) и эндогенные (тектонические).

РАЗРУШИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Денудация. Действие водотоков, ветра, ледников, морских волн, морозного выветривания и химического растворения приводят к разрушению и снижению поверхности материков (рис. 2). Продукты разрушения под действием гравитационных сил сносятся в океанические впадины, где происходит их накопление. Таким образом происходит усреднение состава и плотности пород, слагающих материки и котловины океанов, и уменьшение амплитуды рельефа Земли.

Рис. 2. КРИП - сползание почвенно-грунтовых масс под воздействием силы тяжести. Об этом свидетельствуют покосившиеся телеграфные столбы, ограждения и подпорные стенки. Вода, поступившая на поверхность во время дождя, смывает частицы мелкозема в ручьи и реки, которые отлагают его в виде аллювия и переносят в море. Выветривание коренных пород способствует почвообразованию. Если бы тектонические поднятия не уравновешивали эрозионно-денудационные процессы, материки были бы срезаны до уровня моря за 9 млн. лет.

Ежегодно 32,5 млрд. т обломочного материала и 4,85 млрд. т растворенных солей выносится с материков и отлагается в морях и океанах, в результате чего вытесняется примерно 13,5 км3 морской воды. Если бы такие темпы денудации сохранились и в будущем, материки (объем надводной части которых 126,6 млн. км3) через 9 млн. лет превратились бы в почти плоские равнины - пенеплены. Такая пенепленизация (выравнивание) рельефа возможна лишь теоретически. В действительности изостазические поднятия компенсируют потери за счет денудации, а некоторые породы настолько прочны, что практически не поддаются разрушению. Континентальные отложения перераспределяются в результате совместного действия выветривания (разрушения пород), денудации (механического сноса пород под воздействием текучих вод, ледников, ветра и волновых процессов) и аккумуляции (отложения рыхлого материала и образования новых пород). Все эти процессы действуют лишь до определенного уровня (обычно уровня моря), который рассматривается как базис эрозии. При транспортировке рыхлые осадки сортируются по размеру, форме и плотности. В результате кварц, содержание которого в исходной породе может составлять всего несколько процентов, образует однородную толщу кварцевых песков. Аналогичным образом частицы золота и некоторых других тяжелых минералов, содержащих, например, олово и титан, концентрируются в руслах водотоков или на отмелях и образуют россыпные месторождения, а тонкозернистый материал отлагается в виде илов и затем превращается в глинистые сланцы. Такие компоненты, как, например, магний, натрий, кальций и калий, растворяются и выносятся поверхностными и грунтовыми водами, а затем осаждаются в пещерах и других полостях или поступают в морские воды.

Стадии развития эрозионного рельефа. Рельеф служит показателем стадии выравнивания (или пенепленизации) материков. В горах и районах, испытавших интенсивное поднятие, эрозионные процессы протекают наиболее активно. Такие районы характеризуются быстрым врезанием речных долин и увеличением их длины в верхнем течении, а ландшафт соответствует молодой, или юной, стадии эрозии. В других районах, где амплитуда высот невелика и в основном прекратилась эрозия, крупные реки преимущественно переносят влекомые и взвешенные наносы. Такой рельеф присущ зрелой стадии эрозии. На участках с незначительными амплитудами высот, где поверхность суши ненамного превышает уровень моря, преобладают аккумулятивные процессы. Там река обычно течет несколько выше общего уровня низкой равнины в естественном возвышении, сложенном осадочным материалом, и образует в приустьевой зоне дельту. Это самый древний эрозионный рельеф. Однако не все районы находятся на одной и той же стадии развития эрозии и имеют одинаковый облик. Формы рельефа весьма различаются в зависимости от климатических и погодных условий, состава и строения местных пород и характера эрозионного процесса (рис. 3, 4).

Рис. 3, а. ЭВОЛЮЦИЯ ВОДОТОКА. Водоток на стадии юности, изобилующий порогами и водопадами, прорезает узкое ущелье, размывает берега и выносит продукты эрозии вниз по течению.

Рис. 3,б. ЭВОЛЮЦИЯ ВОДОТОКА. По мере приближения к стадии зрелости река уже не имеет водопадов и перекатов и спокойно течет по формирующейся пойме.

Рис. 3,в. ЭВОЛЮЦИЯ ВОДОТОКА. На стадии зрелости водоток меандрирует на поверхности поймы. Его работа теперь в основном сводится не к эрозии, а к транспортировке обломочного материала.

Рис. 3,г. ЭВОЛЮЦИЯ ВОДОТОКА. На стадии дряхлости транспортирующая деятельность водотока ослабевает и преобладает накопление аллювия. Бывшие меандры превращаются в старицы, усеивающие широкую пойму.

Рис. 4,а. ИЗБИРАТЕЛЬНАЯ ЭРОЗИЯ Эрозия развивается разными темпами в различных типах горных пород (вверху). Твердые кристаллические изверженные породы (например, граниты и базальты) обладают наибольшей устойчивостью и слагают осевые зоны гор. Менее прочные осадки (например, глинистые сланцы и глины) размываются. Более твердые слои песчаников и конгломератов часто возвышаются над долинами в виде хребтов или уступов.

Рис. 4,б. ИЗБИРАТЕЛЬНАЯ ЭРОЗИЯ Расчлененный рельеф гор Блэк-Хилс в Южной Дакоте (слева) - результат избирательной эрозии разных пород, слагающих куполовидное поднятие. Пласты осадочных пород (показаны штриховкой), некогда перекрывавшие восточную часть купола, были размыты и в результате обнажилось ядро, состоящее из прочных кристаллических пород. Сложенное известняками плато в западной части купола сильно расчленено водотоками.

Рис. 4,в. ИЗБИРАТЕЛЬНАЯ ЭРОЗИЯ Неустойчивые к эрозии глинистые сланцы были размыты, и на их месте образовалась долина Ред-Валли, расположенная ниже окаймляющих купол песчаников, слагающих сильно расчлененную гряду.

Перерывы эрозионных циклов. Отмеченная последовательность эрозионных процессов справедлива в отношении материков и океанических бассейнов, находящихся в статических условиях, однако на самом деле они подвержены многим динамическим процессам. Эрозионный цикл может быть прерван под влиянием изменений уровня моря (например, в связи с таянием ледниковых покровов) и высоты материков (например, в результате горообразования, разломной тектоники и вулканической деятельности). В Иллинойсе (США) морены перекрыли зрелый доледниковый рельеф, придав ему типичный молодой облик. В Большом каньоне Колорадо перерыв эрозионного цикла был обусловлен поднятием суши до отметки 2400 м. По мере поднятия территории р.Колорадо постепенно врезалась в свою пойму и оказалась ограниченной бортами долины. В результате этого перерыва образовались наложенные меандры, свойственные древним долинам рек, существующих в условиях молодого рельефа (рис. 5). В пределах плато Колорадо меандры врезаны на глубину 1200 м. Глубокие меандры р.Саскуэханна, которые прорезают горы Аппалачи, также свидетельствуют о том, что этот район некогда представлял собой низменность, которую пересекала "дряхлая" река.

Рис. 5. ФОРМЫ РЕЛЬЕФА АРИДНЫХ РАЙОНОВ Четко выраженные формы рельефа (наверху) развиваются при горизонтальном залегании пород в условиях аридного климата. При эрозии мягких глин и глинистых сланцев формируются бедленды - сильно расчлененный рельеф, состоящий из мозаики оврагов и разделяющих их гребней. При наличии бронирующих чехлов прочных песчаников или лав образуются столовые плато (месас) и останцы. Плато, изрезанное каньонами, заканчивается крутым уступом. Внизу на фотографии - столовое плато и останцы в природном парке племени Навахо (штаты Юта и Аризона, США).

СТОЛОВОЕ ПЛАТО и останцы в природном парке племени навахо (штаты Юта и Аризона, США).

АККУМУЛЯТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Осадконакопление - один из важнейших геологических процессов, в результате которого образуются новые породы. Материал, снесенный с суши, в конечном итоге накапливается в морях и океанах, где формируются толщи песка, алевритов и глины. Обычно алевриты и глинистые отложения осаждаются на морском дне дальше от берега. При последующем поднятии этих районов они преобразуются в глинистые сланцы. Пески отлагаются преимущественно на пляжах и в конце концов преобразуются в песчаники. Если продукты разрушения не подвергаются сортировке, то со временем они превращаются в конгломераты. Химические соединения, переносимые в растворах, пополняют запасы веществ, необходимых для жизнедеятельности морских растений и животных. Например, кальций используется для построения известковых раковин и оболочек, а вместе с фосфором - для построения костей и зубов животных; железо принимает участие в кроветворении у рыб и других животных, а кобальт является компонентом витамина В12. Когда животные умирают, их раковины и скелеты, состоящие из карбоната кальция, оседают на морском дне, а при последующем поднятии территории обнажаются в виде толщ известняка. Кроме того, химические вещества могут непосредственно осаждаться при испарении морской воды. Именно таким способом образуются месторождения поваренной соли. Если органические вещества накапливаются в континентальных условиях, формируются залежи каменного угля, а в морских - об

Составить слова из слова геология

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ - колебания Земли, вызванные внезапными изменениями в состоянии недр планеты. Эти колебания представляют собой упругие волны, распространяющиеся с высокой скоростью в толще горных пород. Наиболее сильные землетрясения иногда ощущаются на расстояниях более 1500 км от очага и могут быть зарегистрированы сейсмографами (специальными высокочувствительными приборами) даже в противоположном полушарии. Район, где зарождаются колебания, называется очагом землетрясения, а его проекция на поверхность Земли - эпицентром землетрясения. Очаги большей части землетрясений лежат в земной коре на глубинах не более 16 км, однако в некоторых районах глубины очагов достигают 700 км. Ежедневно происходят тысячи землетрясений, но лишь немногие из них ощущаются человеком. Упоминания о землетрясениях встречаются в Библии, в трактатах античных ученых - Геродота, Плиния и Ливия, а также в древних китайских и японских письменных источниках. До 19 в. большинство сообщений о землетрясениях содержало описания, обильно приправленные суевериями, и теории, основанные на скудных и недостоверных наблюдениях. Серию систематических описаний (каталогов) землетрясений в 1840 начал А. Перри (Франция). В 1850-х годах Р.Малле (Ирландия) составил большой каталог землетрясений, а его подробный отчет о землетрясении в Неаполе в 1857 стал одним из первых строго научных описаний сильных землетрясений.

Причины землетрясений. Хотя уже с давних времен ведутся многочисленные исследования, нельзя сказать, что причины возникновения землетрясений полностью изучены. По характеру процессов в их очагах выделяют несколько типов землетрясений, основными из которых являются тектонические, вулканические и техногенные. Тектонические землетрясения возникают вследствие внезапного снятия напряжения, например, при подвижках по разлому в земной коре (исследования последних лет показывают, что причиной глубоких землетрясений могут быть и фазовые переходы в мантии Земли, происходящие при определенных температурах и давлениях). Иногда глубинные разломы выходят на поверхность.

Во время катастрофического землетрясения в Сан-Франциско 18 апреля 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км, максимальное горизонтальное смещение - 6 м. Максимальная зарегистрированная величина сейсмогенных смещений по разлому 15 м. Вулканические землетрясения происходят вследствие резких перемещений магматического расплава в недрах Земли или в результате возникновения разрывов под влиянием этих перемещений. Техногенные землетрясения могут быть вызваны подземными ядерными испытаниями, заполнением водохранилищ, добычей нефти и газа методом нагнетания жидкости в скважины, взрывными работами при добыче полезных ископаемых и пр. Менее сильные землетрясения происходят при обвале сводов пещер или горных выработок.

Сейсмические волны. Колебания, распространяющиеся из очага землетрясения, представляют собой упругие волны, характер и скорость распространения которых зависят от упругих свойств и плотности пород. К упругим свойствам относятся модуль объемной деформации, характеризующий сопротивление сжатию без изменения формы, и модуль сдвига, определяющий сопротивление усилиям сдвига. Скорость распространения упругих волн увеличивается прямо пропорционально квадратному корню значений параметров упругости и плотности среды.

Продольные и поперечные волны. На сейсмограммах эти волны появляются первыми. Раньше всего регистрируются продольные волны, при прохождении которых каждая частица среды подвергается сначала сжатию, а затем снова расширяется, испытывая при этом возвратно-поступательное движение в продольном направлении (т.е. в направлении распространения волны). Эти волны называются также Р-волнами, или первичными волнами. Их скорость зависит от модуля упругости и жесткости породы. Вблизи земной поверхности скорость Р-волн составляет 6 км/с, а на очень большой глубине - ок. 13 км/с. Следующими регистрируются поперечные сейсмические волны, называемые также S-волнами, или вторичными волнами. При их прохождении каждая частица породы колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Их скорость зависит от сопротивления породы сдвигу и составляет примерно 7/12 от скорости распространения Р-волн. Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности или параллельно ей и не проникают глубже 80-160 км. В этой группе выделяются волны Рэлея и волны Лява (названные по именам ученых, разработавших математическую теорию распространения таких волн). При прохождении волн Рэлея частицы породы описывают вертикальные эллипсы, лежащие в очаговой плоскости. В волнах Лява частицы породы колеблются перпендикулярно направлению распространения волн. Поверхностные волны часто обозначаются сокращенно как L-волны. Скорость их распространения составляет 3,2-4,4 км/с. При глубокофокусных землетрясениях поверхностные волны очень слабые. Амплитуда и период характеризуют колебательные движения сейсмических волн. Амплитудой называется величина, на которую изменяется положение частицы грунта при прохождении волны по сравнению с предшествовавшим состоянием покоя. Период колебаний - промежуток времени, за который совершается одно полное колебание частицы. Вблизи очага землетрясения наблюдаются колебания с различными периодами - от долей секунды до нескольких секунд. Однако на больших расстояниях от центра (сотни километров) короткопериодные колебания выражены слабее: для Р-волн характерны периоды от 1 до 10 с, а для S-волн - немного больше. Периоды поверхностных волн составляют от нескольких секунд до нескольких сотен секунд. Амплитуды колебаний могут быть значительными вблизи очага, однако на расстояниях 1500 км и более они очень малы - менее нескольких микрон для волн Р и S и менее 1 см - для поверхностных волн.

Отражение и преломление. Встречая на своем пути слои пород с отличающимися свойствами, сейсмические волны отражаются или преломляются подобно тому, как луч света отражается от зеркальной поверхности или преломляется, переходя из воздуха в воду. Любые изменения упругих характеристик или плотности материала на пути распространения сейсмических волн заставляют их преломляться, а при резких изменениях свойств среды часть энергии волн отражается (см. рис.).

Рис. СХЕМА РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ.

.

Пути сейсмических волн. Продольные и поперечные волны распространяются в толще Земли, при этом непрерывно увеличивается объем среды, вовлекаемой в колебательный процесс. Поверхность, соответствующая максимальному продвижению волн определенного типа в данный момент, называется фронтом этих волн. Поскольку модуль упругости среды возрастает с глубиной быстрее, чем ее плотность (до глубины 2900 км), скорость распространения волн на глубине выше, чем вблизи поверхности, и фронт волны оказывается более продвинутым вглубь, чем в латеральном (боковом) направлении. Траекторией волны называется линия, соединяющая точку, находящуюся на фронте волны, с источником волны. Направления распространения волн Р и S представляют собой кривые, обращенные выпуклостью вниз (из-за того, что скорость движения волн больше на глубине). Траектории волн Р и S совпадают, хотя первые распространяются быстрее. Сейсмические станции, находящиеся вдали от эпицентра землетрясения, регистрируют не только прямые волны Р и S, но также волны этих типов, уже отраженные один раз от поверхности Земли - РР и SS (или РR1 и SR1), а иногда - отраженные дважды - РРР и SSS (или РR2 и SR2). Существуют также отраженные волны, которые проходят один отрезок пути как Р-волна, а второй, после отражения, - как S-волна. Образующиеся обменные волны обозначаются как РS или SР. На сейсмограммах глубокофокусных землетрясений наблюдаются также и другие типы отраженных волн, например, волны, которые прежде, чем достичь регистрирующей станции, отразились от поверхности Земли. Их принято обозначать маленькой буквой, за которой следует заглавная (например, рR). Эти волны очень удобно использовать для определения глубины очага землетрясения. На глубине 2900 км скорость P-волн резко снижается от >13 км/с до ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ8 км/с; а S-волны не распространяются ниже этого уровня, соответствующего границе земного ядра и мантии. Оба типа волн частично отражаются от этой поверхности, и некоторое количество их энергии возвращается к поверхности в виде волн, обозначаемых как РсР и SсS. Р-волны проходят сквозь ядро, но их траектория при этом резко отклоняется и на поверхности Земли возникает теневая зона, в пределах которой регистрируются только очень слабые Р-волны. Эта зона начинается на расстоянии ок. 11 тыс. км от сейсмического источника, а уже на расстоянии 16 тыс. км Р-волны снова появляются, причем их амплитуда значительно возрастает из-за фокусирующего влияния ядра, где скорости волн низкие. Р-волны, прошедшие сквозь земное ядро, обозначаются РКР или Р'. На сейсмограммах хорошо выделяются также волны, которые по пути от источника к ядру идут как волны S, затем проходят сквозь ядро как волны Р, а при выходе волны снова преобразуются в тип S. В самом центре Земли, на глубине более 5100 км, существует внутреннее ядро, находящееся предположительно в твердом состоянии, но природа его пока не вполне ясна. Волны, проникающие сквозь это внутреннее ядро, обозначаются как РКIКР или SКIКS (см. рис.).

Регистрация землетрясений. Прибор, записывающий сейсмические колебания, называется сейсмографом, а сама запись - сейсмограммой. Сейсмограф состоит из маятника, подвешенного внутри корпуса на пружине, и записывающего устройства. Одно из первых записывающих устройств представляло собой вращающийся барабан с бумажной лентой. При вращении барабан постепенно смещается в одну сторону, так что нулевая линия записи на бумаге имеет вид спирали. Каждую минуту на график наносятся вертикальные линии - отметки времени; для этого используются очень точные часы, которые периодически сверяют с эталоном точного времени. Для изучения близких землетрясений необходима точность маркировки - до секунды или меньше. Во многих сейсмографах для преобразования механического сигнала в электрический используются индукционные устройства, в которых при перемещении инертной массы маятника относительно корпуса изменяется величина магнитного потока, проходящего через витки индукционной катушки. Возникающий при этом слабый электрический ток приводит в действие гальванометр, соединенный с зеркальцем, которое отбрасывает луч света на светочувствительную бумагу записывающего устройства. В современных сейсмографах регистрация колебаний ведется в цифровом виде с использованием компьютеров. Магнитуда землетрясений обычно определяется по шкале, основанной на записях сейсмографов. Эта шкала известна под названием шкалы магнитуд, или шкалы Рихтера (по имени американского сейсмолога Ч.Ф.Рихтера, предложившего ее в 1935). Магнитуда землетрясения - безразмерная величина, пропорциональная логарифму отношения максимальных амплитуд определенного типа волн данного землетрясения и некоторого стандартного землетрясения. Существуют различия в методах определения магнитуд близких, удаленных, мелкофокусных (неглубоких) и глубоких землетрясений. Магнитуды, определенные по разным типам волн, отличаются по величине. Землетрясения разной магнитуды (по шкале Рихтера) проявляются следующим образом: 2 - самые слабые ощущаемые толчки; 4 1/2 - самые слабые толчки, приводящие к небольшим разрушениям; 6 - умеренные разрушения; 8 1/2 - самые сильные из известных землетрясений. Интенсивность землетрясений оценивается в баллах при обследовании района по величине вызванных ими разрушений наземных сооружений или деформаций земной поверхности. Для ретроспективной оценки балльности исторических или более древних землетрясений используют некоторые эмпирически полученные соотношения. В США оценка интенсивности обычно проводится по модифицированной 12-балльной шкале Меркалли. 1 балл. Ощущается немногими особо чувствительными людьми в особенно благоприятных для этого обстоятельствах. 3 балла. Ощущается людьми как вибрация от проезжающего грузовика. 4 балла. Дребезжат посуда и оконные стекла, скрипят двери и стены. 5 баллов. Ощущается почти всеми; многие спящие просыпаются. Незакрепленные предметы падают. 6 баллов. Ощущается всеми. Небольшие повреждения. 8 баллов. Падают дымовые трубы, памятники, рушатся стены. Меняется уровень воды в колодцах. Сильно повреждаются капитальные здания. 10 баллов. Разрушаются кирпичные постройки и каркасные сооружения. Деформируются рельсы, возникают оползни. 12 баллов. Полное разрушение. На земной поверхности видны волны. В России и некоторых соседних с ней странах принято оценивать интенсивность колебаний в баллах МSК (12-балльной шкалы Медведева - Шпонхойера - Карника), в Японии - в баллах ЯМА (9-балльной шкалы Японского метеорологического агентства). Интенсивность в баллах (выражающихся целыми числами без дробей) определяется при обследовании района, в котором произошло землетрясение, или опросе жителей об их ощущениях при отсутствии разрушений, или же расчетами по эмпирически полученным и принятым для данного района формулам. Среди первых сведений о произошедшем землетрясении становится известной именно его магнитуда, а не интенсивность. Магнитуда определяется по сейсмограммам даже на больших расстояниях от эпицентра.

Последствия землетрясений. Сильные землетрясения оставляют множество следов, особенно в районе эпицентра: наибольшее распространение имеют оползни и осыпи рыхлого грунта и трещины на земной поверхности. Характер таких нарушений в значительной степени определяется геологическим строением местности. В рыхлом и водонасыщенном грунте на крутых склонах часто происходят оползни и обвалы, а мощная толща водонасыщенного аллювия в долинах деформируется легче, чем твердые породы. На поверхности аллювия образуются просадочные котловины, заполняющиеся водой. И даже не очень сильные землетрясения получают отражение в рельефе местности. Смещения по разломам или возникновение поверхностных разрывов могут изменить плановое и высотное положение отдельных точек земной поверхности вдоль линии разлома, как это произошло во время землетрясения 1906 в Сан-Франциско. При землетрясении в октябре 1915 в долине Плезант в Неваде на разломе образовался уступ длиной 35 км и высотой до 4,5 м. При землетрясении в мае 1940 в долине Импириал в Калифорнии подвижки произошли на 55-километровом участке разлома, причем наблюдались горизонтальные смещения до 4,5 м. В результате Ассамского землетрясения (Индия) в июне 1897 в эпицентральной области высота местности изменилась не менее, чем на 3 м. Значительные поверхностные деформации прослеживаются не только вблизи разломов и приводят к изменению направления речного стока, подпруживанию или разрывам водотоков, нарушению режима источников воды, причем некоторые из них временно или навсегда перестают функционировать, но в то же время могут появиться новые. Колодцы и скважины заплывают грязью, а уровень воды в них ощутимо меняется. При сильных землетрясениях вода, жидкая грязь или песок могут фонтанами выбрасываться из грунта. При смещении по разломам происходят повреждения автомобильных и железных дорог, зданий, мостов и прочих инженерных сооружений. Однако качественно построенные здания редко разрушаются полностью. Обычно степень разрушений находится в прямой зависимости от типа сооружения и геологического строения местности. При землетрясениях умеренной силы могут происходить частичные повреждения зданий, а если они неудачно спроектированы или некачественно построены, то возможно и их полное разрушение. При очень сильных толчках могут обрушиться и сильно пострадать сооружения, построенные без учета сейсмической опасности. Обычно не обрушиваются одно- и двухэтажные постройки, если у них не очень тяжелые крыши. Однако бывает, что они смещаются с фундаментов и часто у них растрескивается и отваливается штукатурка. Дифференцированные движения могут приводить к тому, что мосты сдвигаются со своих опор, а инженерные коммуникации и водопроводные трубы разрываются. При интенсивных колебаниях уложенные в грунт трубы могут "складываться", всовываясь одна в другую, или выгибаться, выходя на поверхность, а железнодорожные рельсы деформироваться. В сейсмоопасных районах сооружения должны проектироваться и строиться с соблюдением строительных норм, принятых для данного района в соответствии с картой сейсмического районирования. В густонаселенных районах едва ли не больший ущерб, чем сами землетрясения, наносят пожары, возникающие в результате разрыва газопроводов и линий электропередач, опрокидывания печей, плит и разных нагревательных приборов. Борьба с пожарами затрудняется из-за того, что водопровод оказывается поврежденным, а улицы непроезжими вследствие образовавшихся завалов.

Сопутствующие явления. Иногда подземные толчки сопровождаются хорошо различимым низким гулом, когда частота сейсмических колебаний лежит в диапазоне, воспринимаемом человеческим ухом, иногда такие звуки слышатся и при отсутствии толчков. В некоторых районах они представляют собой довольно обычное явление, хотя ощутимые землетрясения происходят очень редко. Имеются также многочисленные сообщения о возникновении свечения во время сильных землетрясений. Общепринятого объяснения таких явлений пока нет. Цунами (большие волны на море) возникают при быстрых вертикальных деформациях морского дна во время подводных землетрясений. Цунами распространяются в океанах в пределах глубоководных зон океанов со скоростью 400-800 км/ч и могут вызвать разрушения на берегах, удаленных на тысячи километров от эпицентра. У близлежащих к эпицентру берегов эти волны иногда достигают в высоту 30 м. При многих сильных землетрясениях помимо основных толчков регистрируются форшоки (предшествующие землетрясения) и многочисленные афтершоки (землетрясения, следующие за основным толчком). Афтершоки обычно слабее, чем основной толчок, и могут повторяться в течение недель и даже лет, становясь все реже и реже. Географическое распространение землетрясений. Большинство землетрясений сосредоточено в двух протяженных, узких зонах. Одна из них обрамляет Тихий океан, а вторая тянется от Азорских о-вов на восток до Юго-Восточной Азии. Тихоокеанская сейсмическая зона проходит вдоль западного побережья Южной Америки. В Центральной Америке она разделяется на две ветви, одна из которых следует вдоль островной дуги Вест-Индии, а другая продолжается на север, расширяясь в пределах США, до западных хребтов Скалистых гор. Далее эта зона проходит через Алеутские о-ва до Камчатки и затем через Японские о-ва, Филиппины, Новую Гвинею и острова юго-западной части Тихого океана к Новой Зеландии и Антарктике. Вторая зона от Азорских о-вов простирается на восток через Альпы и Турцию. На юге Азии она расширяется, а затем сужается и меняет направление на меридиональное, следует через территорию Мьянмы, острова Суматра и Ява и соединяется с циркумтихоокеанской зоной в районе Новой Гвинеи. Выделяется также зона меньшего размера в центральной части Атлантического океана, следующая вдоль Срединно-Атлантического хребта. Существует ряд районов, где землетрясения происходят довольно часто. К ним относятся Восточная Африка, Индийский океан и в Северной Америке долина р.Св. Лаврентия и северо-восток США. Иногда в районах, которые принято считать неактивными, происходят сильные землетрясения, как, например, в Чарлстоне (шт. Южная Каролина) в 1886. По сравнению с мелкофокусными глубокофокусные землетрясения имеют более ограниченное распространение. Они не были зарегистрированы в пределах Тихоокеанской зоны от южной Мексики до Алеутских о-вов, а в Средиземноморской зоне - к западу от Карпат. Глубокофокусные землетрясения характерны для западной окраины Тихого океана, Юго-Восточной Азии и западного побережья Южной Америки. Зона с глубокофокусными очагами обычно располагается вдоль зоны мелкофокусных землетрясений со стороны материка.

Прогноз землетрясений. Для повышения точности прогноза землетрясений необходимо лучше представлять механизмы накопления напряжений в земной коре, крипа и деформаций на разломах, выявить зависимости между тепловым потоком из недр Земли и пространственным распределением землетрясений, а также установить закономерности повторяемости землетрясений в зависимости от их магнитуды. Во многих районах земного шара, где существует вероятность возникновения сильных землетрясений, ведутся геодинамические наблюдения с целью обнаружения предвестников землетрясений, среди которых заслуживают особого внимания изменения сейсмической активности, деформации земной коры, аномалии геомагнитных полей и теплового потока, резкие изменения свойств горных пород (электрических, сейсмических и т.п.), геохимические аномалии, нарушения водного режима, атмосферные явления, а также аномальное поведение насекомых и других животных (биологические предвестники). Такого рода исследования проводятся на специальных геодинамических полигонах (например, Паркфилдском в Калифорнии, Гармском в Таджикистане и др.). С 1960 работает множество сейсмических станций, оборудованных высокочувствительной регистрирующей аппаратурой и мощными компьютерами, позволяющими быстро обрабатывать данные и определять положение очагов землетрясений. ЛИТЕРАТУРА

Рихтер Г.Ф. Элементарная сейсмология. М., 1963 Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. М., 1975 Сейсмическая шкала и методы измерения сейсмической активности. М., 1975

Составить слова из слова землетрясения