Науки о Земле. Геосферные оболочки Земли

В рамках минералогии сформировались, а затем выделились в самостоятельные  науки кристаллография, петрография, учение о полезных ископаемых, геохимия и кристаллохимия. В последние десятилетия усилиями в основном российских минералогов развивается новое направление генетической минералогии — онтогения минералов.

Главной международной организацией минералогов является Международная минералогическая ассоциация (The International Mineralogical Association, IMA). Она объединяет минералогические ассоциации различных стран. Минералогов России объединяет Российское минералогическое общество, входящее в состав Европейского минералогического союза.

24. Палеогеография (от др.-греч. παλαιός — древний + география) — наука, изучающая физико-географические обстановки на поверхности Земли в геологическом прошлом.

Палеогеография  является:

• частью исторической геологии, которая дает материал для изучения истории развития земной коры и Земли в целом;
• частью общей физической географии, изучающей физико-географические условия прошлого для понимания современной природы Земли.

Методы палеогеографии основаны главным образом на детальном изучении горных пород (их состава, структуры, текстуры, характера залегания и прочего), а также на изучении содержащихся в породах макро- и микроскопических органических остатков.

Направления палеогеографии

• Разнообразие методов позволяет выделить несколько направлений палеогеографии, изучающих разные стороны физико-географических условий геологического прошлого.
• Палеоэкологическое направление — анализ состава и др. особенностей осадочных пород и заключённых в них органических остатков с целью выяснения образа жизни и среды обитания животных и растительных организмов геологического прошлого; частей бассейнов, их связи с соседними морями; по организмам-индикаторам судят о климатических условиях, степени солёности и др. особенностях бассейнов.
• Палеобиогеографическое направление выявляет зоогеографические и флористические провинции и области для отдельных периодов и эпох геологического прошлого (серия мировых карт французских учёных А. и Ж. Термье). Палеобиогеографические, литолого-геохимические и палеотемпературные данные используются для палеоклиматических реконструкций. Например, мировые карты Л. Б. Рухина (1959), Н. М. Страхова (1960) и М. Шварцбаха (1961) выявили существенные отличия древней климатической зональности от современной. Палеоклиматы Земли составляют предмет палеоклиматологии.
• Терригенно-минералогическое направление, используя состав акцессорных минералов тяжёлой и лёгкой (кварц, полевые шпаты) фракций для корреляции осадочных толщ, даёт возможность определять области сноса, пути переноса и области накопления обломочных осадков определённого состава и происхождения.
• Геохимическое направление занимается определением солёности и физико-химического режима древних бассейнов, эволюции их состава, а также состава атмосферы во времени, основываясь на изучении аутигенных минералов, концентраций и соотношений характерных элементов (Cl, F, В, Вг, Ca, Mg, Sr), степени окислённости железа FeO (Fe2O3) в глинистых и карбонатных породах. В 1960—1970-е гг. всё большее значение приобретает методика определения различных свойств древних водоёмов с помощью точных физико-химических методов.
• Изучение динамики древних водоёмов — выявление течений, установление характера среды накопления осадков (русло реки, море и др.) — составляет предмет динамической палеогеографии, использующей особенности текстуры осадочных пород — ориентировку косой слоистости, знаки ряби и т. п.
• Палеотектоническое направление, основанное на анализе распределения фаций, мощностей, формаций древних отложений.
• В специальную ветвь палеогеографии обособилась палеовулканология, которая занимается палеогеографической реконструкцией вулканических областей, где нормальный ход накопления осадков эпизодически прерывается лавовыми потоками, выпадением масс вулканического пепла и др. вулканических выбросов. В палеовулканологии применяются структурно-фациальный и формационный анализы и современные методы физических и химических исследований.
• Изучение древнего рельефа составляет предмет палеогеоморфологии. Реликты рельефа в открытом или погребённом виде, а также при захоронении и откапывании частично разрушаются и в разной степени преобразуются под воздействием эндогенных и экзогенных процессов. Путём общего геоморфологического анализа реликтовых форм и на основе материалов палеогеографических и палеотектонических анализов палеогеоморфология реконструирует рельеф, существовавший в разные геологические эпохи, восстанавливает историю и закономерности его развития. С появлением в 1950-х гг. палеомагнитного метода определения древних широт и началом изучения знакопеременных линейных магнитных аномалий океанов возродились идеи мобилизма и вновь получили распространение палеогеографические реконструкции, основанные на гипотезах существования в конце докембрия единой континентальной массы Пангеи, а в палеозое суперконтинента Гондваны.

25. Палеоклиматология — наука об истории изменений климата Земли.

Методы

В палеоклиматологии используются разнообразные косвенные методы изучения истории климата. Изучение осадочных пород может многое рассказать о климате, в котором они образовались. Во время оледенений образуются морены, тиллиты и породы с валунами, транспортированными ледниками. Когда ледник отступает, то на его обнажённом ложе начинаются ураганы, которые переносят огромные массы песка и пыли, отлагающиеся в виде лёссов. В жарком климате пустынь формируются отложения песчаников и эвапоритов.

Биогеографические методы основаны на связи ареалов  распространения живых организмов в зависимости от климата. Многие виды животных и растений могут жить только в узком диапазоне климатических  условий, и по ареалам их распространения  можно восстановить климатические  зоны.

Существуют  и минералогические признаки климата. Так, например, минерал глауконит, выглядящий как зелёная глина, образуется только при температуре воды ниже 15 °C и часто используется как признак в климатических реконструкциях.

Оценка температуры  вод древних морских бассейнов  осуществляется с помощью количественных соотношений изотопов кислорода 18O и 16O в кальците раковин ископаемых беспозвоночных (белемнитов,фораминифер), а также соотношений Ca:Mg и Ca:Sr в карбонатных осадках и скелетах ископаемых организмов. Существенное значение также приобрёл палеомагнитный метод (см. Палеомагнетизм), позволяющий вычислить положение древних широт с использованием остаточной намагниченности некоторых вулканических и осадочных пород, содержащих ферромагнитные минералы (магнетит, гематит, титаномагнетит), приобретённой под влиянием магнитного поля Земли, существовавшего во время формирования этих пород.

Чтобы получить более комплексную информацию о климатах прошедших эпох применяют математическое моделирование. Для этого глобальная климатическая модель инициализируется при помощи данных полученных косвенными методами. При палеоклиматических исследованиях обычно используют модели с небольшим пространственным разрешением, поскольку обсчитываются сравнительно большие периоды времени и на высоких разрешениях это заняло бы значительное время.

26. Палеонтология (от др.-греч. παλαιοντολογία) — наука об ископаемых останках растений и животных, пытающаяся реконструировать по найденным останкам их внешний вид, биологические особенности, способы питания, размножения и т. д., а также восстановить на основе этих сведений ход биологической эволюции. Палеонтологи исследуют не только останки собственно животных и растений, но и их окаменевшие следы, отброшенные оболочки, тафоценозы и другие свидетельства их существования. В палеонтологии также используются методы палеоэкологии и палеоклиматологии с целью воспроизведения среды жизнедеятельности организмов, сопоставления современной среды обитания организмов, предположения местообитаний вымерших и т. д.

Среди основных разделов палеонтологии выделяют палеозоологию и палеоботанику. Палеозоология делится на палеозоологию беспозвоночных (включая палеоэнтомологию) и палеозоологию позвоночных. А палеоботаника — на палеоальгологию (ископаемые водоросли), палеопалинологию (пыльца и споры древних растений), палеокарпологию (семена древних растений) и др. разделы. Существует также палеомикология — изучение ископаемых остатков грибов. Изучением древних микроорганизмов занимается микропалеонтология. Создание палеоэкологии позволило проследить связи организмов прошлого друг с другом и с окружающей средой внутри популяций, ценозов и всего населения древних бассейнов. Среди других разделов палеобиогеография, тафономия, биостратономия и палеоихнология.

27. Почвоведение — наука о почве. Она входит в состав естествознания. Почвоведение изучает происхождение, развитие, строение, состав, свойства, географическое распространение и рациональное использование почв.

Основные положения

Современное почвоведение, основы которого были заложены В. В. Докучаевым, рассматривает почву как самостоятельное естественноисторическое биокосное природное тело, возникшее и развивающееся на поверхности Земли под действием биотических, абиотических и антропогенных факторов. Нижняя граница этого природного тела определяется глубиной, на которую произошло существенное изменение горной породы процессами почвообразования, что составляет до 1—3 метров, однако в экстремальных условиях тундры, пустыни или в горах мощность почвенной толщи может измеряться несколькими сантиметрами. Боковые границы почвенных образований определяются как границы раздела между элементарными почвенными ареалами.

Почва имеет  многоуровневую структурную организацию:

1. атомарный уровень
2. кристалломолекулярный или молекулярно-ионный уровень
3. уровень элементарных почвенных частиц (ЭПЧ) — фракций, определяемых в гранулометрическом анализе
4. почвенные микро- и макроагрегаты, а также новообразования
5. генетический почвенный горизонт
6. почвенный профиль
7. далее следуют уровни структуры почвенного покрова

Каждый из перечисленных уровней требует  специфических методов исследования и способов воздействия.

Часто рассматривают  четыре (ранее три) фазы почвы (под фазой в этом случае понимают несколько иное, нежели в классическом определении):

• твёрдая фаза — полидисперсная органоминеральная система, наименее динамичная часть почвы, составляющая каркас для других фаз
• жидкая фаза — почвенный раствор
• газовая фаза — почвенный воздух, заполняющий вместе с почвенным раствором поровое пространство, его состав отличается от состава атмосферы
• живая фаза — почвенная биота, за исключением роющих млекопитающих и корней растений, принадлежность которых к живой фазе почв остаётся дискуссионной, хотя их роль в почвообразовании несомненна и велика.

28. Петрология – наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их физико-химические условия образования, степень изменения под влиянием различных факторов, закономерности распределения в земной коре, мантии Земли и космическом веществе. Смежной с петрологией наукой, направленной на изучение структурно-текстурных особенностей горных пород, их классификацией, минеральным составом и др. является петрография.

29. Петрография (греч. πέτρος «камень» + γράφω «пишу») — наука, описывающая горные породы и составляющие их минералы. Основной метод исследования — оптическая микроскопия.

30. Петрофизика (физика горных пород) — прикладной раздел наук о Земле, находящийся на стыке геологии (петрологии, литологии, наук о полезных ископаемых, гидрогеологии, инженерной геологии, геокриологии и др.),геофизики (глубинной, региональной, разведочной, инженерной, экологической), а также физических исследований Земли и физики вещества. Петрофизика изучает различные физические свойства горных пород, взаимосвязи их между собой и с физическими полями Земли. В «западной» терминологии петрофизика-более широкое понятие и включает интерпретацию данных Геофизических исследований скважин(ГИС).

Основные разделы петрофизики

• исследования природы каждого из многочисленных геофизических свойств горных пород, зависимости их от естественных и техногенных факторов;
• построение физической модели среды как непосредственно через измеренные свойства, так и по данным физико-математической интерпретации результатов различных геофизических методов;
• построение физико-геологических моделей среды (ФГМ) в ходе геологического истолкования геофизических материалов.ческие свойства горных пород определяются прежде всего свойствами самих фаз, их количественным соотношением в породе и взаимодействием. Такие физические свойства твердой фазы, как плотность, магнитные, электрические, упругие, тепловые, ядерные, определяются, в основном, атомным строением химических элементов минералов, из которых состоит порода, соотношением твердой, жидкой и газообразной фаз, температурой и зависят от геологических факторов: термодинамических условий образования магматических пород, степени их метаморфизма, условий накопления осадочных пород, структурно-текстурных особенностей массивов пород. Используемые в геофизике физические поля Земли определяются перечисленными геофизическими свойствами горных пород.

Существующие  классификации горных пород, в основу которых положен их минеральный и химический состав, отличаются от петрофизических, основанных на фазовых состояниях горных пород.

31. Сейсмология (от др.-греч. σεισμός — (земле)трясение и λόγος — слово, речь) — наука о распространении сейсмических волн в недрах Земли. Только с помощью сейсмологии удалось составить картину глубинного строения земного шара (кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро). Также сейсмология занимается землетрясениями, движениями платформ, мониторингом разработок рудных месторождений и пр. Сейсмология – это наука, занимающаяся измерениями и анализом всех движений, которые регистрируются сейсмографами на поверхности твёрдой Земли.

Основная  задача сейсмологии состоит в  изучении внутреннего строения Земли. Поэтому очень важно знать, как  отклонения от однородности влияют на распространение сейсмических волн. По существу все прямые данные о  внутреннем строении Земли, имеющиеся  в нашем распоряжении, получены из наблюдений за распространением упругих  волн, возбуждаемых при землетрясениях.

Землетрясения можно рассматривать как специфические  колебательные движения земной коры, характеризующиеся небольшой длительностью  периодов (от десятков минут для  собственных колебаний Земли  до долей секунд). Под сейсмичностью  подразумевается географическое распределение  землетрясений, их связь со строением  земной поверхности и распределение  по магнитудам (или энергиям).

Существует  также Шахтная сейсмология, которая  занимается мониотриногом сейсмичности в районе разрабатываемого рудного тела, и прогнозированием и предупреждением горных ударов для обеспечения безопасности горных работ.

32. Стратиграфия (от лат. stratum — настил, слой и греч. γραφο — пишу, черчу, рисую) — наука, раздел геологии, об определении относительного геологического возраста осадочных горных пород, расчленении толщ пород и корреляции различных геологических образований. Одним из основных источников данных для стратиграфии является палеонтологические определения. В археологии стратиграфией называют взаимное расположение культурных слоев относительно друг друга и перекрывающих их природных пород, установление которого имеет критическую важность для датирования находок (стратиграфический метод датирования, планиграфия).

33. Тектоника (от греч. τεκτονικός, «строительный») — раздел геологии, предметом изучения которого является структура (строение) твёрдой оболочки Земли — земной коры или (по мнению ряда авторов) её тектоносферы(литосфера + астеносфера), а также история движений, изменяющих эту структуру.

Строение Земли

О строении Земли геологи судят в основном по сейсмическим данным, получаемым при регистрации колебаний, вызываемых землетрясениями и атомными взрывами. При этом учитывается скорость передачи колебаний, а также тот факт, что продольные волны распространяются в любой среде - жидкой, твердой, газообразной, а поперечные лишь в средах, обладающих большой упругостью, т.е. в твердых объектах. Продольные волны связаны со сжатием среды (любой). В поперечной волне частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения продольной волны. Поперечные волны связаны с деформацией сдвига упругой среды. Примером поперечных волн являются колебания, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов.