Геология: Строение, состав и история Земли

Геология: изучение состава, структуры и истории Земли. Наука о геологических процессах, минералах и формировании планеты. Геология и Земля.

24 мин чтения

100%

Источник: Geology — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Научное изучение состава, структуры и истории Земли.

Геология – это раздел естественных наук, изучающий Землю и другие астрономические объекты, составленные из горных пород, а также процессы, посредством которых они изменяются со временем. Современная геология тесно связана со всеми другими науками о Земле, включая гидрологию. Она интегрирована с наукой о земной системе и планетарной наукой. Геология описывает структуру Земли на поверхности и в ее недрах, а также процессы, сформировавшие эту структуру. Геологи изучают минералогический состав горных пород, чтобы получить представление об их истории образования. Геология определяет относительный возраст горных пород, обнаруженных в определенной местности, а геохимия (раздел геологии) – их абсолютный возраст. Комбинируя различные петрологические, кристаллографические и палеонтологические методы, геологи способны реконструировать геологическую историю Земли в целом. Важной задачей является установление возраста Земли. Геология предоставляет доказательства теории тектоники плит, эволюционной истории жизни и климата Земли в прошлом. Геологи всесторонне изучают свойства и процессы, происходящие на Земле и других планетах земного типа. Геологи используют широкий спектр методов для понимания структуры и эволюции Земли, включая полевые исследования, описание горных пород, геофизические методы, химический анализ, физические эксперименты и численное моделирование. На практике геология имеет важное значение для разведки и добычи полезных ископаемых и углеводородов, оценки водных ресурсов, понимания природных опасностей, решения экологических проблем и получения информации об изменениях климата в прошлом. Геология является крупной академической дисциплиной, основой геологической инженерии и играет важную роль в геотехнической инженерии.

Геологический материал

Большинство геологических данных получено в результате изучения материалов, составляющих твердую земную кору. Метеориты и другие внеземные природные материалы также исследуются с применением геологических методов.

Минеральные

Минералы – это природные элементы и соединения с определенным однородным химическим составом и упорядоченной атомной структурой. Каждый минерал обладает уникальными физическими свойствами, и существует множество методов для их определения. Минералы часто идентифицируют, используя эти методы. Образцы можно исследовать по следующим признакам:
Цвет: Минералы классифицируют по цвету. В большинстве случаев это диагностический признак, но примеси могут изменять цвет минерала.
Царапающая полоса (черта): Определяется путем нанесения царапины на образец на фарфоровой пластине. Цвет черты может помочь в идентификации минерала.
Твердость: Сопротивление минерала царапанию или вдавливанию.
Характер излома: Минерал может демонстрировать либо хрупкий излом, либо спайность. Хрупкий излом характеризуется неровными поверхностями, а спайность – расколом по плотно расположенным параллельным плоскостям.
Блеск: Качество отражения света от поверхности минерала. Примеры: металлический, перламутровый, восковой, матовый.
Удельный вес: Вес определенного объема минерала.
Эффервесценция (шипение): Проводится путем нанесения капли соляной кислоты на минерал для выявления реакции с выделением газа.
Магнетизм: Определяется с помощью магнита.
Вкус: Некоторые минералы имеют характерный вкус, например, галит (который по вкусу напоминает поваренную соль).

Камень

Скала — это любая естественно возникшая твёрдая масса или агрегат минералов или минералоидов. Большинство исследований в геологии связано с изучением горных пород, поскольку они содержат основную летопись большей части геологической истории Земли. Существует три основных типа горных пород: магматические, осадочные и метаморфические. Цикл горных пород иллюстрирует взаимосвязи между ними (см. диаграмму). Когда порода затвердевает или кристаллизуется из расплава (магмы или лавы), она является магматической породой. Эта порода может быть разрушена и эродирована, затем переотложена и литифицирована в осадочную породу. Осадочные породы в основном делятся на четыре категории: песчаник, сланец, карбонат и эвапорит. Эта группа классификаций фокусируется частично на размере осадочных частиц (песчаник и сланец), а частично на минералогии и процессах формирования (карбонизация и испарение). Магматические и осадочные породы затем могут превращаться в метаморфические породы под воздействием тепла и давления, изменяющих их минеральный состав и формирующих характерную текстуру. Все три типа могут снова расплавиться, и в этом случае образуется новая магма, из которой магматическая порода может вновь затвердеть. Органическое вещество, такое как уголь, битум, нефть и природный газ, связано главным образом с органически богатыми осадочными породами. Для изучения всех трёх типов горных пород геологи оценивают минералы, из которых они состоят, и другие их физические свойства, такие как текстура и структура.

Нелитифицированный материал

Геологи также изучают нелитофицированные материалы (известные как рыхлые отложения), залегающие поверх коренных пород. Эта область исследований часто называется четвертичной геологией, по названию четвертичного периода геологической истории – самого последнего периода геологического времени.

Магма

Магма — это изначальный, не прошедший литификацию источник всех изверженных пород. Активное течение расплавленной породы тщательно изучается в вулканологии, а изверженная петрология стремится установить историю изверженных пород, начиная с их первоначального расплавленного состояния и заканчивая окончательной кристаллизацией.

Тектоника плит

В 1960-х годах было обнаружено, что литосфера Земли, включающая в себя кору и жесткую верхнюю часть верхней мантии, разделена на тектонические плиты, которые перемещаются над пластически деформирующейся, твердой верхней мантией, называемой астеносферой. Эта теория подтверждается различными наблюдениями, включая расширение морского дна и глобальное распределение горных областей и сейсмичности. Существует тесная взаимосвязь между движением плит на поверхности и конвекцией мантии (то есть теплопередачей, вызванной медленным движением пластичного горного вещества мантии). Таким образом, океанические части плит и сопряженные конвекционные потоки мантии всегда движутся в одном направлении, поскольку океаническая литосфера фактически является жестким верхним тепловым пограничным слоем конвектирующей мантии. Это взаимодействие между жесткими плитами, движущимися по поверхности Земли, и конвекцией мантии называется теорией тектоники плит. Развитие тектоники плит обеспечило физическую основу для многих наблюдений, касающихся твердой Земли. Длинные линейные области геологических структур объясняются как границы плит: срединно-океанические хребты, возвышенные участки морского дна, где существуют гидротермальные источники и вулканы, рассматриваются как расходящиеся границы, где две плиты расходятся. Дуги вулканов и землетрясений рассматриваются как сходящиеся границы, где одна плита подныривает под другую. Трансформные границы, такие как система разлома Сан-Андреас, – это области, где плиты скользят горизонтально относительно друг друга. Тектоника плит предоставила механизм для теории континентального дрейфа Альфреда Вегенера, согласно которой континенты перемещаются по поверхности Земли в геологическом времени. Она также обеспечила движущую силу для деформации коры и новую основу для наблюдений в структурной геологии. Сила теории тектоники плит заключается в ее способности объединить все эти наблюдения в единую теорию движения литосферы над конвектирующей мантией.

In the 1960s, it was discovered that the Earth's lithosphere, which includes the crust and rigid uppermost portion of the upper mantle, is separated into tectonic plates that move across the plastically deforming, solid, upper mantle, which is called the asthenosphere. This theory is supported by several types of observations, including seafloor spreading and the global distribution of mountain terrain and seismicity. There is an intimate coupling between the movement of the plates on the surface and the convection of the mantle (that is, the heat transfer caused by the slow movement of ductile mantle rock). Thus, oceanic parts of plates and the adjoining mantle convection currents always move in the same direction – because the oceanic lithosphere is actually the rigid upper thermal boundary layer of the convecting mantle. This coupling between rigid plates moving on the surface of the Earth and the convecting mantle is called plate tectonics. The development of plate tectonics has provided a physical basis for many observations of the solid Earth. Long linear regions of geological features are explained as plate boundaries:

Mid ocean ridges, high regions on the seafloor where hydrothermal vents and volcanoes exist, are seen as divergent boundaries, where two plates move apart. Arcs of volcanoes and earthquakes are theorized as convergent boundaries, where one plate subducts, or moves, under another. Transform boundaries, such as the San Andreas Fault system, are where plates slide horizontally past each other. Plate tectonics has provided a mechanism for Alfred Wegener's theory of continental drift, in which the continents move across the surface of the Earth over geological time. They also provided a driving force for crustal deformation, and a new setting for the observations of structural geology. The power of the theory of plate tectonics lies in its ability to combine all of these observations into a single theory of how the lithosphere moves over the convecting mantle.

Структура Земли

Достижения в сейсмологии, компьютерном моделировании, минералогии и кристаллографии при высоких температурах и давлениях позволяют получить представление о внутреннем составе и структуре Земли. Сейсмологи используют время прихода сейсмических волн для получения изображений недр Земли. Первые успехи в этой области показали существование жидкого внешнего ядра (где сдвиговые волны не распространяются) и плотного твердого внутреннего ядра. Эти достижения привели к разработке слоистой модели Земли, состоящей сверху из литосферы (включая земную кору), ниже – мантии (разделенной внутри себя сейсмическими несогласиями на глубинах 410 и 660 километров), а под ними – внешнего и внутреннего ядер. В последнее время сейсмологи научились создавать детальные изображения скоростей распространения волн внутри Земли, аналогично тому, как врач получает изображение тела при компьютерной томографии. Эти изображения позволили получить гораздо более детальное представление о строении недр Земли и заменили упрощенную слоистую модель более динамичной. Минералоги, используя данные о давлении и температуре, полученные в результате сейсмических и модельных исследований, а также знания об элементарном составе Земли, воспроизводят эти условия в лабораторных экспериментах и измеряют изменения в кристаллической структуре. Эти исследования объясняют химические изменения, связанные с основными сейсмическими несогласиями в мантии, и позволяют определить кристаллографические структуры, ожидаемые во внутреннем ядре Земли.

Геологическое время

Геологическая временная шкала охватывает всю историю Земли. Её начальные границы определяются датой формирования первых материалов Солнечной системы – 4,567 млрд лет назад (Ga) и датой формирования Земли – 4,54 млрд лет назад (Ga), что знаменует начало Гадейского эона в геологической шкале времени. Конец шкалы соответствует современности (в голоценовую эпоху).

Важные вехи на Земле

4,567 Га (гига-год: миллиард лет назад): формирование Солнечной системы. Основополагающим принципом геологии, выдвинутым шотландским врачом и геологом XVIII века Джеймсом Хаттоном, является принцип актуализма: "настоящее – ключ к прошлому". Словами Хаттона: "Прошлое нашей планеты должно объясняться тем, что мы наблюдаем в настоящем". Принцип взаимосвязи интрузий касается пересекающих интрузий. В геологии, если магматическая интрузия пересекает образование осадочной породы, можно установить, что интрузия моложе осадочной породы. Различные типы интрузий включают в себя стоки, лаколиты, батолиты, силлы и дайки. Принцип взаимосвязи пересечений относится к образованию разломов и определению возраста проходящих через них слоев. Разломы моложе пород, которые они пересекают; следовательно, если обнаружен разлом, проникающий в одни слои, но не в другие, расположенные выше, то пересеченные слои старше разлома, а непересеченные – моложе. Определение ключевого слоя в таких ситуациях может помочь установить, является ли разлом нормальным или сдвиговым. Принцип включений и компонентов утверждает, что в осадочных породах, если в образовании обнаружены включения (или класты), то включения должны быть старше образования, которое их содержит. Например, в осадочных породах часто встречается гравий из более древнего образования, вырванный и включенный в более молодой слой. Аналогичная ситуация наблюдается в магматических породах при обнаружении ксенолитов. Эти чужеродные тела поднимаются с магмой или лавой и включаются в нее, а затем охлаждаются в матрице. Таким образом, ксенолиты старше породы, в которой они находятся. Принцип первоначальной горизонтальности гласит, что осаждение осадков происходит в виде преимущественно горизонтальных слоев. Наблюдения за современными морскими и наземными отложениями в различных условиях подтверждают это обобщение (хотя перекрестная слоистость имеет наклон, общая ориентация перекрестнослоистых единиц горизонтальна).

4.567 Ga (gigaannum: billion years ago): Solar system formation A fundamental principle of geology advanced by the 18th century Scottish physician and geologist James Hutton is that "the present is the key to the past." In Hutton's words: "the past history of our globe must be explained by what can be seen to be happening now." The principle of intrusive relationships concerns crosscutting intrusions. In geology, when an igneous intrusion cuts across a formation of sedimentary rock, it can be determined that the igneous intrusion is younger than the sedimentary rock. Different types of intrusions include stocks, laccoliths, batholiths, sills and dikes. The principle of cross cutting relationships pertains to the formation of faults and the age of the sequences through which they cut. Faults are younger than the rocks they cut; accordingly, if a fault is found that penetrates some formations but not those on top of it, then the formations that were cut are older than the fault, and the ones that are not cut must be younger than the fault. Finding the key bed in these situations may help determine whether the fault is a normal fault or a thrust fault. The principle of inclusions and components states that, with sedimentary rocks, if inclusions (or clasts) are found in a formation, then the inclusions must be older than the formation that contains them. For example, in sedimentary rocks, it is common for gravel from an older formation to be ripped up and included in a newer layer. A similar situation with igneous rocks occurs when xenoliths are found. These foreign bodies are picked up as magma or lava flows, and are incorporated, later to cool in the matrix. As a result, xenoliths are older than the rock that contains them. The principle of original horizontality states that the deposition of sediments occurs as essentially horizontal beds. Observation of modern marine and non marine sediments in a wide variety of environments supports this generalization (although cross bedding is inclined, the overall orientation of cross bedded units is horizontal).

Абсолютное датирование

Геологи также используют методы для определения абсолютного возраста образцов пород и геологических событий. Эти даты полезны сами по себе и могут также использоваться в сочетании с относительными методами датирования или для калибровки относительных методов. В начале XX века прогресс в геологической науке был облегчен возможностью получения точных абсолютных дат геологических событий с использованием радиоактивных изотопов и других методов. Это изменило понимание геологического времени. Ранее геологи могли использовать только окаменелости и стратиграфическую корреляцию для датирования участков пород относительно друг друга. С изотопными датами стало возможным определять абсолютный возраст для геологических единиц, и эти абсолютные даты можно было применить к ископаемым последовательностям, содержащим датируемый материал, преобразуя прежние относительные возрасты в новые абсолютные. Для многих геологических задач изотопные соотношения радиоактивных элементов измеряются в минералах, показывающие время, прошедшее с момента, когда порода достигла своей температуры закрытия – точки, в которой диффузия различных радиометрических изотопов в кристаллический каркас и из него прекращается. Эти методы применяются в геохронологических и термохронологических исследованиях. Распространенные методы включают уран-свинцовое датирование, калий-аргоновое датирование, аргон-аргоновое датирование и уран-ториевое датирование. Эти методы используются в различных областях. Датирование слоев лавы и вулканического пепла, обнаруженных в стратиграфическом разрезе, может предоставить абсолютные данные о возрасте для осадочных пород, не содержащих радиоактивные изотопы, и калибровать относительные методы датирования. Эти методы также могут быть использованы для определения возраста внедрения плутонов. Термохимические методы позволяют определять температурные профили внутри земной коры, поднятие горных хребтов и палеотопографию. Фракционирование элементов лантаноидов используется для вычисления времени, прошедшего с момента извлечения пород из мантии. Для датирования более недавних событий применяются другие методы. Оптически стимулированная люминесценция и датирование космогенными радионуклидами используются для определения возраста поверхностей и/или скорости эрозии. Дендрохронология также может применяться для датирования ландшафтов. Радиоуглеродное датирование используется для геологически молодых материалов, содержащих органический углерод.

Geologists also use methods to determine the absolute age of rock samples and geological events. These dates are useful on their own and may also be used in conjunction with relative dating methods or to calibrate relative methods. At the beginning of the 20th century, advancement in geological science was facilitated by the ability to obtain accurate absolute dates to geological events using radioactive isotopes and other methods. This changed the understanding of geological time. Previously, geologists could only use fossils and stratigraphic correlation to date sections of rock relative to one another. With isotopic dates, it became possible to assign absolute ages to rock units, and these absolute dates could be applied to fossil sequences in which there was datable material, converting the old relative ages into new absolute ages. For many geological applications, isotope ratios of radioactive elements are measured in minerals that give the amount of time that has passed since a rock passed through its particular closure temperature, the point at which different radiometric isotopes stop diffusing into and out of the crystal lattice. These are used in geochronologic and thermochronologic studies. Common methods include uranium–lead dating, potassium–argon dating, argon–argon dating and uranium–thorium dating. These methods are used for a variety of applications. Dating of lava and volcanic ash layers found within a stratigraphic sequence can provide absolute age data for sedimentary rock units that do not contain radioactive isotopes and calibrate relative dating techniques. These methods can also be used to determine ages of pluton emplacement. Thermochemical techniques can be used to determine temperature profiles within the crust, the uplift of mountain ranges, and paleo topography. Fractionation of the lanthanide series elements is used to compute ages since rocks were removed from the mantle. Other methods are used for more recent events. Optically stimulated luminescence and cosmogenic radionuclide dating are used to date surfaces and/or erosion rates. Dendrochronology can also be used for the dating of landscapes. Radiocarbon dating is used for geologically young materials containing organic carbon.

Геологическое развитие района

Геология области меняется со временем, поскольку горные породы отлагаются и внедряются, а процессы деформации изменяют их форму и положение. Горные породы первоначально формируются либо путем осаждения на поверхности, либо путем внедрения в вышележащие породы. Осаждение может происходить при осаждении осадка на поверхности Земли с последующим литификацией в осадочную породу, или при покрытии поверхности вулканическим материалом, таким как вулканический пепел или потоки лавы. Интрузивные породы, такие как батолиты, лаколиты, дамбы и силлы, поднимаются вверх в вышележащие породы и кристаллизуются при внедрении. После отложения первоначальной последовательности пород, горные породы могут быть деформированы и/или метаморфизованы. Деформация обычно происходит в результате горизонтального сжатия, горизонтального растяжения или бокового (раздвигового) движения. Эти структурные режимы в целом соответствуют конвергентным, дивергентным и трансформным границам тектонических плит, соответственно. Когда горные породы подвергаются горизонтальному сжатию, они укорачиваются и утолщаются. Поскольку горные породы, за исключением глин, существенно не меняют объем, это достигается двумя основными способами: посредством разломов и складок. В верхних слоях коры, где возможна хрупкая деформация, формируются надвиги, в результате чего более глубокие породы перемещаются поверх более молодых. Поскольку более глубокие породы часто старше, как следует из принципа суперпозиции, это может привести к тому, что более старые породы окажутся поверх более молодых. Движение по разломам может приводить к образованию складок, либо из-за непланарности разломов, либо из-за того, что слои горных пород увлекаются за собой, образуя складки увлечения при смещении по разлому. На большей глубине в Земле породы ведут себя пластично и складываются вместо образования разломов. Эти складки могут быть либо выпуклыми вверх, образуя "антиклинали", либо выпуклыми вниз, образуя "синклинали". Если вершины слоев горных пород внутри складок остаются направленными вверх, они называются антиклинами и синклинами соответственно. Если некоторые слои в складке обращены вниз, структура называется опрокинутым антиклином или синклиналем, а если все слои горных пород опрокинуты или правильное направление вверх неизвестно, они просто называются антиклинали и синклинали. Еще большее давление и температура при горизонтальном сжатии могут вызвать как складчатость, так и метаморфизм пород. Этот метаморфизм вызывает изменения в минеральном составе пород, создавая слоистость – плоскую поверхность, связанную с ростом минералов под напряжением. Это может стирать признаки первоначальной текстуры пород, такие как слоистость в осадочных породах, особенности течения лавы и кристаллические узоры в кристаллических породах. Растяжение приводит к тому, что горные породы в целом становятся длиннее и тоньше. Это достигается главным образом посредством нормальных разломов и пластического растяжения и утонения. Нормальные разломы опускают более высокие слои пород относительно более низких. Обычно это приводит к тому, что более молодые слои оказываются ниже более старых. Растяжение слоев может приводить к их утонению. Например, в одном месте в Maria Fold и Thrust Belt вся осадочная последовательность Большого Каньона представлена на длине менее метра. Породы на глубине, подвергающиеся пластическому растяжению, часто также метаморфизуются. Эти растянутые породы могут также сужаться до линзовидных образований, известных как будины (от французского "sausage" – колбаса), из-за их визуального сходства. Там, где горные породы скользят друг относительно друга, в верхних слоях коры развиваются сдвиговые разломы, а на большей глубине – зоны сдвига, где породы деформируются пластично. Добавление новых горных пород, как путем осаждения, так и путем внедрения, часто происходит во время деформации. Разломы и другие процессы деформации приводят к образованию топографических градиентов, в результате чего материал на поднимающейся части горной породы подвергается эрозии склонами и руслами. Эти осадки откладываются на опускающейся части горной породы. Непрерывное движение по разлому поддерживает топографический градиент, несмотря на перемещение осадка, и продолжает создавать пространство для отложения материала. Деформационные события часто также связаны с вулканизмом и магматической деятельностью. Вулканический пепел и лава накапливаются на поверхности, а магматические интрузии проникают снизу. Дайки – длинные, плоские магматические интрузии – проникают по трещинам и поэтому часто образуются в большом количестве в районах, подвергающихся активной деформации. Это может привести к образованию роев даек, таких как те, которые наблюдаются на Канадском щите, или кольцевых даек вокруг лавовой трубки вулкана. Все эти процессы не обязательно происходят в одной среде и не обязательно происходят в одном порядке. Например, Гавайские острова состоят почти полностью из слоистых базальтовых потоков лавы. Осадочные последовательности центральной части Соединенных Штатов и Большого Каньона на юго-западе Соединенных Штатов содержат почти не деформированные стопки осадочных пород, которые остаются на месте с кембрийского периода. Другие районы гораздо более геологически сложны. На юго-западе Соединенных Штатов осадочные, вулканические и интрузивные породы были метаморфизованы, разломлены, слоистыми и сложены. Даже более древние породы, такие как гнейс Акаста в Слейв-кратоне на северо-западе Канады, самые древние известные породы в мире, были метаморфизованы до такой степени, что их происхождение невозможно определить без лабораторного анализа. Кроме того, эти процессы могут происходить поэтапно. Во многих местах, например, в Большом Каньоне на юго-западе Соединенных Штатов, нижние слои горных пород были метаморфизованы и деформированы, а затем деформация прекратилась и были отложены верхние, не деформированные слои. Хотя может произойти любое количество отложения и деформации горных пород, и они могут происходить любое количество раз, эти концепции служат руководством для понимания геологической истории области.

The geology of an area changes through time as rock units are deposited and inserted, and deformational processes alter their shapes and locations. Rock units are first emplaced either by deposition onto the surface or intrusion into the overlying rock. Deposition can occur when sediments settle onto the surface of the Earth and later lithify into sedimentary rock, or when as volcanic material such as volcanic ash or lava flows blanket the surface. Igneous intrusions such as batholiths, laccoliths, dikes, and sills, push upwards into the overlying rock, and crystallize as they intrude. After the initial sequence of rocks has been deposited, the rock units can be deformed and/or metamorphosed. Deformation typically occurs as a result of horizontal shortening, horizontal extension, or side to side (strike slip) motion. These structural regimes broadly relate to convergent boundaries, divergent boundaries, and transform boundaries, respectively, between tectonic plates. When rock units are placed under horizontal compression, they shorten and become thicker. Because rock units, other than muds, do not significantly change in volume, this is accomplished in two primary ways: through faulting and folding. In the shallow crust, where brittle deformation can occur, thrust faults form, which causes the deeper rock to move on top of the shallower rock. Because deeper rock is often older, as noted by the principle of superposition, this can result in older rocks moving on top of younger ones. Movement along faults can result in folding, either because the faults are not planar or because rock layers are dragged along, forming drag folds as slip occurs along the fault. Deeper in the Earth, rocks behave plastically and fold instead of faulting. These folds can either be those where the material in the center of the fold buckles upwards, creating "antiforms", or where it buckles downwards, creating "synforms". If the tops of the rock units within the folds remain pointing upwards, they are called anticlines and synclines, respectively. If some of the units in the fold are facing downward, the structure is called an overturned anticline or syncline, and if all of the rock units are overturned or the correct up direction is unknown, they are simply called by the most general terms, antiforms, and synforms. Even higher pressures and temperatures during horizontal shortening can cause both folding and metamorphism of the rocks. This metamorphism causes changes in the mineral composition of the rocks; creates a foliation, or planar surface, that is related to mineral growth under stress. This can remove signs of the original textures of the rocks, such as bedding in sedimentary rocks, flow features of lavas, and crystal patterns in crystalline rocks. Extension causes the rock units as a whole to become longer and thinner. This is primarily accomplished through normal faulting and through the ductile stretching and thinning. Normal faults drop rock units that are higher below those that are lower. This typically results in younger units ending up below older units. Stretching of units can result in their thinning. In fact, at one location within the Maria Fold and Thrust Belt, the entire sedimentary sequence of the Grand Canyon appears over a length of less than a meter. Rocks at the depth to be ductilely stretched are often also metamorphosed. These stretched rocks can also pinch into lenses, known as boudins, after the French word for "sausage" because of their visual similarity. Where rock units slide past one another, strike slip faults develop in shallow regions, and become shear zones at deeper depths where the rocks deform ductilely. The addition of new rock units, both depositionally and intrusively, often occurs during deformation. Faulting and other deformational processes result in the creation of topographic gradients, causing material on the rock unit that is increasing in elevation to be eroded by hillslopes and channels. These sediments are deposited on the rock unit that is going down. Continual motion along the fault maintains the topographic gradient in spite of the movement of sediment and continues to create accommodation space for the material to deposit. Deformational events are often also associated with volcanism and igneous activity. Volcanic ashes and lavas accumulate on the surface, and igneous intrusions enter from below. Dikes, long, planar igneous intrusions, enter along cracks, and therefore often form in large numbers in areas that are being actively deformed. This can result in the emplacement of dike swarms, such as those that are observable across the Canadian shield, or rings of dikes around the lava tube of a volcano. All of these processes do not necessarily occur in a single environment and do not necessarily occur in a single order. The Hawaiian Islands, for example, consist almost entirely of layered basaltic lava flows. The sedimentary sequences of the mid continental United States and the Grand Canyon in the southwestern United States contain almost undeformed stacks of sedimentary rocks that have remained in place since Cambrian time. Other areas are much more geologically complex. In the southwestern United States, sedimentary, volcanic, and intrusive rocks have been metamorphosed, faulted, foliated, and folded. Even older rocks, such as the Acasta gneiss of the Slave craton in northwestern Canada, the oldest known rock in the world have been metamorphosed to the point where their origin is indiscernible without laboratory analysis. In addition, these processes can occur in stages. In many places, the Grand Canyon in the southwestern United States being a very visible example, the lower rock units were metamorphosed and deformed, and then deformation ended and the upper, undeformed units were deposited. Although any amount of rock emplacement and rock deformation can occur, and they can occur any number of times, these concepts provide a guide to understanding the geological history of an area.

Методы расследования

Геологи используют множество полевых, лабораторных и методов численного моделирования для реконструкции истории Земли и понимания процессов, происходящих на и внутри неё. В ходе типичных геологических исследований геологи опираются на первичные данные, относящиеся к петрологии (науке об изучении пород), стратиграфии (науке об изучении слоистых отложений) и структурной геологии (науке об изучении положения горных пород и их деформаций). Во многих случаях геологи также изучают современные почвы, реки, ландшафты и ледники, исследуют прошлую и современную жизнь и биогеохимические циклы, а также применяют геофизические методы для изучения недр. В геологии выделяют подспециальности, такие как эндогенная и экзогенная геология.

Петрология

В дополнение к определению пород в полевых условиях (литология), петрологи определяют образцы пород в лаборатории. Два основных метода определения пород в лаборатории – это оптическая микроскопия и использование электронного микрозонда. При оптическом минералогическом анализе петрологи изучают тонкие шлифы образцов пород с помощью петрографического микроскопа, где минералы идентифицируются по их различным свойствам в плоскополяризованном и скрещенно-поляризованном свете, включая их двойное лучепреломление, плеохроизм, двойникование и интерференционные свойства с использованием коноскопической линзы. В электронном микрозонде анализируются отдельные точки для определения их точного химического состава и изменений состава внутри отдельных кристаллов. Исследования стабильных и радиоактивных изотопов позволяют получить представление о геохимической эволюции горных пород. Петрологи также могут использовать данные о флюидных включениях и проводить физические эксперименты при высоких температурах и давлениях, чтобы понять температуры и давления, при которых образуются различные минеральные фазы, и как они изменяются в ходе магматических и метаморфических процессов. Результаты этих исследований могут быть экстраполированы на полевые условия для понимания метаморфических процессов и условий кристаллизации магматических пород. Эта работа также может помочь объяснить процессы, происходящие внутри Земли, такие как субдукция и эволюция магматических очагов.

Структурная геология

Структурные геологи используют микроскопический анализ ориентированных тонких шлифов геологических образцов для изучения текстуры горных пород, что позволяет получить информацию о деформациях в их кристаллической структуре. Они также проводят измерения и комбинируют данные о геологических структурах для более точного определения ориентации разломов и складок и реконструкции истории деформации горных пород в данном районе. Помимо этого, они выполняют аналоговое и численное моделирование деформации горных пород в различных масштабах. Анализ структур часто осуществляется путем нанесения ориентаций различных элементов на стереограммы. Стереограмма – это стереографическая проекция сферы на плоскость, при которой плоскости проецируются в виде линий, а линии – в виде точек. С помощью стереограмм можно определять положения осей складок, взаимосвязи между разломами и взаимосвязи между другими геологическими структурами. К наиболее известным экспериментам в структурной геологии относятся исследования орогенных клиньев – зон, где горы формируются вдоль зон сходящихся тектонических плит. В аналоговых моделях этих экспериментов горизонтальные слои песка сдвигаются вдоль нижней поверхности к упору, что приводит к образованию реалистичных структур разломов и росту критически наклонённого (с постоянными углами) орогенного клина. Численные модели работают по тому же принципу, что и аналоговые, но часто более сложны и могут учитывать процессы эрозии и поднятия в горном поясе. Это позволяет установить связь между эрозией и рельефом горного хребта. Эти исследования также могут предоставить ценную информацию о путях метаморфизма, определяемых давлением, температурой, пространством и временем.

Стратиграфия

В лаборатории стратиграфы анализируют образцы стратиграфических разрезов, полученные в полевых условиях, например, из буровых кернов. Геофизические данные и геофизические каротажи могут быть объединены для создания более полной картины недр, и стратиграфы часто используют компьютерные программы для этого в трех измерениях. Затем стратиграфы используют эти данные для реконструкции древних процессов, происходивших на поверхности Земли, интерпретации палеосред и определения местоположений для добычи воды, угля и углеводородов. В лаборатории биостратиграфы анализируют образцы горных пород из обнажений и буровых кернов на наличие в них окаменелостей. Эти окаменелости помогают ученым датировать керн и понять осадочную среду, в которой формировались горные породы. Геохронологи точно датируют породы в пределах стратиграфического разреза, чтобы установить более точные абсолютные границы времени и скоростей осадконакопления. Магнитные стратиграфы ищут признаки магнитных инверсий в изверженных породах внутри буровых кернов. Хотя греческий префикс "гео" означает Землю, термин "геология" часто используется в сочетании с названиями других планет при описании их состава и внутренних процессов, например, "геология Марса" и "лунная геология". Также используются специализированные термины, такие как селенология (изучение Луны), ареология (изучение Марса) и другие. Хотя планетарные геологи заинтересованы в изучении всех аспектов других планет, особое внимание уделяется поиску свидетельств существования жизни в прошлом или настоящем на других мирах. Это привело к созданию множества миссий, основной или дополнительной целью которых является поиск признаков жизни на планетарных телах. Одним из таких аппаратов является посадочный модуль "Феникс", который проанализировал полярную почву Марса на содержание воды, химических и минералогических компонентов, связанных с биологическими процессами.

Экономическая геология

Экономическая геология – это раздел геологии, изучающий аспекты полезных ископаемых, используемых человечеством для удовлетворения различных потребностей. Полезные ископаемые – это те, которые извлекаются с выгодой для различных практических целей. Экономические геологи занимаются поиском и управлением природными ресурсами Земли, такими как нефть и уголь, а также минеральными ресурсами, включая металлы, такие как железо, медь и уран.

Горная геология

Горнодобывающая геология включает в себя извлечение минеральных и рудных ресурсов из недр Земли. К ресурсам, представляющим экономический интерес, относятся драгоценные камни, металлы, такие как золото и медь, а также множество минералов, таких как асбест, магнезит, перлит, слюда, фосфаты, цеолиты, глина, пемза, кварц и кремнезем, а также элементы, такие как сера, хлор и гелий.

Геология нефти

Нефтяные геологи изучают местоположения в недрах Земли, которые могут содержать извлекаемые углеводороды, в особенности нефть и природный газ. Поскольку многие из этих коллекторов находятся в осадочных бассейнах, они изучают формирование этих бассейнов, а также их осадочную и тектоническую эволюцию и современное положение горных пород.

Инженерная геология

Инженерная геология – это применение геологических принципов к инженерной практике для обеспечения учета геологических факторов, влияющих на выбор местоположения, проектирование, строительство, эксплуатацию и техническое обслуживание инженерных сооружений. Инженерная геология отличается от геотехнической инженерии, особенно в Северной Америке. В области гражданского строительства геологические принципы и анализы используются для определения механических свойств материалов, на которых возводятся сооружения. Это позволяет строить устойчивые тоннели, мосты и небоскребы с надежными фундаментами, а также здания, не подверженные осадке в глинистых и илистых грунтах.

Гидрология

Геология и геологические принципы могут применяться для решения различных экологических проблем, таких как восстановление ручьев, рекультивация промышленных зон и понимание взаимодействия между естественной средой обитания и геологической средой. Гидрология подземных вод, или гидрогеология, используется для поиска подземных вод, которые часто могут обеспечить надежный источник незагрязненной воды и особенно важны в засушливых регионах, а также для мониторинга распространения загрязняющих веществ в скважинах.

Палеоклиматология

Геологи также получают данные с помощью стратиграфии, бурения скважин, кернов и ледяных кернов. Ледяные и осадочные керны используются для реконструкций палеоклимата, позволяющих геологам узнать о прошлых и современных температурах, осадках и уровне моря по всему миру. Эти данные – наш основной источник информации об изменении глобального климата, помимо данных инструментальных наблюдений.

Природные опасности

Геологи и геофизики изучают природные опасности с целью разработки и внедрения безопасных строительных норм и систем оповещения, предназначенных для предотвращения утраты имущества и человеческих жизней. Примеры важных природных опасностей, относящихся к области геологии (в отличие от тех, которые относятся преимущественно или исключительно к метеорологии):

История

Изучение физического материала Земли восходит, по крайней мере, к древней Греции, когда Феофраст (372–287 до н.э.) написал труд «Пери Литон» (О камнях). В римский период Плиний Старший подробно описал многие минералы и металлы, а затем и их практическое применение, даже верно указав на происхождение янтаря. Кроме того, в IV веке до н.э. Аристотель сделал важные наблюдения о медленной скорости геологических изменений. Он изучал состав суши и сформулировал теорию о том, что Земля меняется медленно, и эти изменения нельзя наблюдать за время жизни одного человека. Аристотель разработал одну из первых концепций, основанных на доказательствах, в отношении геологической сферы, касающуюся скорости физических изменений Земли. Абу аль-Райхан аль-Бируни (973–1048 гг. н.э.) был одним из первых персидских геологов, чьи работы включали в себя самые ранние труды по геологии Индии, предполагая, что Индийский субконтинент когда-то был морем. Персидский ученый Ибн Сина (Авиценна, 981–1037) опирался на греческую и индийскую научную литературу, не уничтоженную мусульманскими завоеваниями, и предложил подробные объяснения образования гор, происхождения землетрясений и других тем, центральных для современной геологии, что заложило важную основу для дальнейшего развития науки. В Китае ученый-эрудит Шэнь Куо (1031–1095) сформулировал гипотезу о процессе образования суши: основываясь на наблюдении окаменелых раковин животных в геологическом слое в горах, расположенных в сотнях миль от океана, он предположил, что суша образовалась в результате эрозии гор и отложения ила. Георгий Агрикола (1494–1555) опубликовал свою основополагающую работу «De Natura Fossilium» в 1546 году и считается основателем геологии как научной дисциплины. Николас Стено (1638–1686) считается автором закона суперпозиции, принципа первоначальной горизонтальности и принципа боковой непрерывности: трех определяющих принципов стратиграфии. Слово «геология» впервые использовал Улисс Альдрованди в 1603 году, затем Жан Андре Делюк в 1778 году, а в качестве устоявшегося термина его ввел Гораций Бенедикт де Соссюр в 1779 году. Слово происходит от греческого γῆ (gê), означающего «земля», и λόγος (logos), означающего «слово» или «речь». Однако, согласно другому источнику, слово «геология» принадлежит норвежцу Микелю Педерсону Эшольту (1600–1669), священнику и ученому. Эшольт впервые использовал это определение в своей книге «Geologia Norvegica» (1657). Уильям Смит (1769–1839) составил одни из первых геологических карт и начал процесс упорядочения слоев горных пород, изучая содержащиеся в них ископаемые. Его работа стала первым описанием современной геологии, основанным на единстве процессов во времени и объяснении прошлого Земли, исходя из настоящего. Джеймса Хаттона (1726–1797) часто считают первым современным геологом. В 1785 году он представил доклад «Теория Земли» Королевскому обществу Эдинбурга. В своем докладе он изложил теорию о том, что Земля должна быть намного старше, чем считалось ранее, чтобы дать достаточно времени для эрозии гор и образования осадочных пород на дне моря, которые затем поднимались, образуя сушу. Хаттон опубликовал двухтомное издание своих идей в 1795 году. Последователей Хаттона называли плутонистами, поскольку они верили, что некоторые породы образовались в результате вулканизма, то есть извержения лавы из вулканов, в отличие от нептунистов, во главе с Абрахамом Вернером, которые считали, что все породы осели из большого океана, уровень которого постепенно снижался с течением времени. Первая геологическая карта США была создана Уильямом Маклюром в 1809 году. В 1807 году Маклюр приступил к самоналоженной задаче геологической съемки Соединенных Штатов. Он исследовал и нанес на карту почти каждый штат Союза, многократно пересекая Аллегеньские горы. Результаты его самостоятельной работы были представлены в Американское философское общество в мемуарах под названием «Наблюдения по геологии Соединенных Штатов, поясняющие геологическую карту», и опубликованы в Transactions общества вместе с первой геологической картой страны. Это на шесть лет предшествовало геологической карте Англии, составленной Уильямом Смитом, хотя она была построена с использованием другой классификации горных пород. Сэр Чарльз Лайелл (1797–1875) впервые опубликовал свою знаменитую книгу «Основы геологии» в 1830 году. Эта книга, оказавшая влияние на взгляды Чарльза Дарвина, успешно продвигала доктрину униформизма. Эта теория утверждает, что медленные геологические процессы происходили на протяжении всей истории Земли и продолжаются и сегодня. В отличие от этого, катастрофизм – это теория о том, что особенности Земли сформировались в результате единичных катастрофических событий и впоследствии остались неизменными. Хотя Хаттон верил в униформизм, эта идея не была широко принята в то время. Значительная часть геологии XIX века была сосредоточена вокруг вопроса об истинном возрасте Земли. Оценки варьировались от нескольких сотен тысяч до миллиардов лет. К началу XX века радиометрическое датирование позволило оценить возраст Земли в два миллиарда лет. Осознание этого огромного периода времени открыло двери для новых теорий о процессах, сформировавших планету. Одним из наиболее значительных достижений геологии XX века стало развитие теории тектоники плит в 1960-х годах и уточнение оценок возраста планеты. Теория тектоники плит возникла из двух отдельных геологических наблюдений: расширения морского дна и дрейфа континентов. Эта теория произвела революцию в науках о Земле. Сегодня известно, что возраст Земли составляет примерно 4,5 миллиарда лет.

The study of the physical material of the Earth dates back at least to ancient Greece when Theophrastus (372–287 BCE) wrote the work Peri Lithon (On Stones). During the Roman period, Pliny the Elder wrote in detail of the many minerals and metals, then in practical use – even correctly noting the origin of amber. Additionally, in the 4th century BCE Aristotle made critical observations of the slow rate of geological change. He observed the composition of the land and formulated a theory where the Earth changes at a slow rate and that these changes cannot be observed during one person's lifetime. Aristotle developed one of the first evidence based concepts connected to the geological realm regarding the rate at which the Earth physically changes. Abu al Rayhan al Biruni (973–1048 CE) was one of the earliest Persian geologists, whose works included the earliest writings on the geology of India, hypothesizing that the Indian subcontinent was once a sea. Drawing from Greek and Indian scientific literature that were not destroyed by the Muslim conquests, the Persian scholar Ibn Sina (Avicenna, 981–1037) proposed detailed explanations for the formation of mountains, the origin of earthquakes, and other topics central to modern geology, which provided an essential foundation for the later development of the science. In China, the polymath Shen Kuo (1031–1095) formulated a hypothesis for the process of land formation: based on his observation of fossil animal shells in a geological stratum in a mountain hundreds of miles from the ocean, he inferred that the land was formed by the erosion of the mountains and by deposition of silt. Georgius Agricola (1494–1555) published his groundbreaking work De Natura Fossilium in 1546 and is seen as the founder of geology as a scientific discipline. Nicolas Steno (1638–1686) is credited with the law of superposition, the principle of original horizontality, and the principle of lateral continuity: three defining principles of stratigraphy. The word geology was first used by Ulisse Aldrovandi in 1603, then by Jean André Deluc in 1778 and introduced as a fixed term by Horace Bénédict de Saussure in 1779. The word is derived from the Greek γῆ, gê, meaning "earth" and λόγος, logos, meaning "speech". But according to another source, the word "geology" comes from a Norwegian, Mikkel Pedersøn Escholt (1600–1669), who was a priest and scholar. Escholt first used the definition in his book titled, Geologia Norvegica (1657). William Smith (1769–1839) drew some of the first geological maps and began the process of ordering rock strata (layers) by examining the fossils contained in them. His work was the first narrative of modern geology, based on the unity of processes in time and explanation of the Earth's past from the present. James Hutton (1726–1797) is often viewed as the first modern geologist. In 1785 he presented a paper entitled Theory of the Earth to the Royal Society of Edinburgh. In his paper, he explained his theory that the Earth must be much older than had previously been supposed to allow enough time for mountains to be eroded and for sediments to form new rocks at the bottom of the sea, which in turn were raised up to become dry land. Hutton published a two volume version of his ideas in 1795. Followers of Hutton were known as Plutonists because they believed that some rocks were formed by vulcanism, which is the deposition of lava from volcanoes, as opposed to the Neptunists, led by Abraham Werner, who believed that all rocks had settled out of a large ocean whose level gradually dropped over time. The first geological map of the U. S. was produced in 1809 by William Maclure. In 1807, Maclure commenced the self imposed task of making a geological survey of the United States. Almost every state in the Union was traversed and mapped by him, the Allegheny Mountains being crossed and recrossed some 50 times. The results of his unaided labours were submitted to the American Philosophical Society in a memoir entitled Observations on the Geology of the United States explanatory of a Geological Map, and published in the Society's Transactions, together with the nation's first geological map. This antedates William Smith's geological map of England by six years, although it was constructed using a different classification of rocks. Sir Charles Lyell (1797–1875) first published his famous book, Principles of Geology, in 1830. This book, which influenced the thought of Charles Darwin, successfully promoted the doctrine of uniformitarianism. This theory states that slow geological processes have occurred throughout the Earth's history and are still occurring today. In contrast, catastrophism is the theory that Earth's features formed in single, catastrophic events and remained unchanged thereafter. Though Hutton believed in uniformitarianism, the idea was not widely accepted at the time. Much of 19th century geology revolved around the question of the Earth's exact age. Estimates varied from a few hundred thousand to billions of years. By the early 20th century, radiometric dating allowed the Earth's age to be estimated at two billion years. The awareness of this vast amount of time opened the door to new theories about the processes that shaped the planet. Some of the most significant advances in 20th century geology have been the development of the theory of plate tectonics in the 1960s and the refinement of estimates of the planet's age. Plate tectonics theory arose from two separate geological observations: seafloor spreading and continental drift. The theory revolutionized the Earth sciences. Today the Earth is known to be approximately 4.5 billion years old.