Стратосфера представляет собой область холодного чистого разреженного воздуха при отсутствии конвекции, верхняя граница ее располагается на высоте 55 - 60 км. В стратосфере наблюдается медленное повышение температуры с высотой, что объясняется присутствием озона, образующегося под влиянием ультрафиолетовых лучей; в этом слое очень мало взвешенных частиц. Иногда на высоте 20 - 30 км видны перламутровые, или жемчужные, облака, состоящие из кристалликов льда.
После сильных вулканических извержений вулканическая пыль может месяцами или годами держаться в стратосфере, окрашивая восходы и закаты Солнца в яркие цвета. Большое количество вулканической пыли в стратосфере снижает солнечную радиацию, достигающую Земли, и вызывает похолодание климата. Существует предположение, что начало ледниковых периодов было вызвано интенсивными вулканическими извержениями.
Мезосфера, термосфера и экзосфера характерны тем, что в их составе преобладают ионизированные газы, и поэтому эти оболочки объединяют в ионосферу. Высота атмосферы достигает более 2000 км.
Гидросфера - водная оболочка Земли. Она подразделяется на океаносферу, воды суши и ледников. Количество воды в океаносфере составляет 1370 млн. км3, воды суши 4 млн. км3, материковых льдов 16-20 млн. км3. Гидросфера занимает три четверти поверхности суши. Температура воды в поверхностном слое океанов колеблется от минус 3 до плюс 45 оС, а на дне океанов от минус 1,3 до плюс 3 оС.
Средняя глубина современных океанов 3,8 км, наибольшая глубина измерена в Марианской впадине и составляет 11022 м. В Мировом океане содержится в 60 раз больше диоксида углерода СО2, чем в атмосфере, зато кислорода в океане почти в 150 раз меньше, чем в атмосфере. Средняя соленость морской воды равна 35 г/л. Соли представлены преимущественно хлоридами, сульфатами и карбонатами натрия, калия и кальция, но присутствуют также йод, фтор, фосфор, рубидий, цезий, золото и другие элементы.
Свет проникает в воду до глубины 200 м, и здесь сосредоточена практически вся морская фауна и флора. Глубоководные исследования, проведенные в последние годы, позволили установить наличие горизонтальных и вертикальных течений в океанах, которые перемешивают водные массы и делают их пригодными для жизни различных организмов. Гидросфера играет важную роль в проявлении многих геологических процессов, особенно в поверхностной зоне земной коры. Под воздействием гидросферы происходит интенсивное разрушение горных пород, их перемещение и переотложение.
Биосфера. Особую оболочку Земли, составленную из живых организмов растительного и животного происхождения, представляет собой биосфера. Во всей толще океанических вод отмечено существование форм жизни. С глубиной состав биоценозов существенно обедняется, но некоторые приспособившиеся виды существуют и на многокилометровой глубине. Область распространения биосферы ограничивается в атмосфере озоновым слоем (примерно до 50 км над поверхностью планеты), выше которого известные на Земле формы жизни невозможны без специальных средств защиты, как это осуществляется при космических полетах за пределы атмосферы и на другие планеты.
Водоросли океанов и растительность на суше продуцируют кислород на планете. Фауна и флора оказывают большое влияние на состав атмосферы, перераспределение углерода, водорода, кислорода, кальция и фосфора в природе. Благодаря им человечество имеет сегодня в своем распоряжении источники энергии в виде горючих сланцев, бурого и каменного угля, нефти и газа.
1.3 Принцип актуализма
Геология как наука основана принципе актуализма, т.е. на предположении, что главные химические, физические и биологические процессы не зависят от времени. Геологи допускают, что силы и процессы, изменяющие Землю сегодня, действовали в основном таким же образом и в прошлом. Ветры, дожди, реки, вулканы - все они в прошлом влияли на поверхность Земли так же, как это происходит сейчас.
На Земле меняется все. Гранит, традиционное олицетворение прочности, разрушается в конечном счете до состояния рыхлого песка и глины. Камни, которые мы видим на пляже или в речном русле, подвергались в течение долгого времени медленному истиранию и стали округлыми. Следовательно, окатанные обломки, обнаруживаемые в слоях прочных пород, испытали такое же медленное истирание в соответствующей обстановке прошлого. В настоящее время большинство рифообразующих кораллов живет в теплых, светлых, неглубоких водах. Поэтому можно сделать вывод, что древние рифовые массивы также сформировались в теплых, доступных солнечным лучам водах мелкого моря. Сходным образом симметричные знаки ряби, сохранившиеся на поверхности слоя песчаников, свидетельствуют о колебаниях воды над рыхлым песком, находившимся на небольшой глубине, поскольку точно такие же знаки ряби образуются на мелководье и сегодня.
Современный ледниковый панцирь, покрывающий южную Гренландию, царапает подстилающие твердые породы, оставляя на их поверхности тонкие штрихи и глубокие борозды. Отступая, ледник оставляет на своем пути неровные или обточенные выступы поверхности, местами покрытые разнообразной смесью глыб, песка и более тонкого илистого материала. Соответственно считается, что такие же штрихи, борозды и обломочные отложения, обнаруженные, к примеру, в Прибалтике, образованы ледниковым покровом во время древнего оледенения.
Элементом, необходимым для того, чтобы могли осуществиться геологические изменения, является время. Незначительные медленные постепенные изменения человек может не заметить - ни день за днем, ни в течение всей своей жизни. Однако геологические силы, действующие в течение тысяч, миллионов и сотен миллионов лет, способны производить гигантскую работу и многократно перекраивать не только облик Земли, но и строение земной коры в целом. Чтобы понять геологическую историю нашей планеты, надо обладать точными и обширными знаниями как о процессах, происходящих ныне в земных недрах, так и о разрезах древних горных пород.
Геология изучает эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние) процессы. Современный облик Земли формируют вулканические и тектонические явления, деятельность океанов, рек, ледников, ветра. Процессы изменения и преобразования горных пород на поверхности Земли происходят в результате выветривания.
1.4 Выветривание
Твердые породы, выходящие на поверхность, называются коренными породами. Они обычно разбиты трещинами и покрыты рыхлым материалом - наносами. Этот материал состоит из частиц разного размера, образовавшихся из подстилающих коренных пород или из чужеродного материала, принесенного ветром, водой или льдом. Процесс разрушения и изменения коренных пород носит название выветривания. Рассмотрим типы выветривания.
1.4.1 Физическое выветривание
Замерзающая в породах и трещинах вода стремится разрушить породу, так как при замерзании она увеличивается в объеме на 9 %, и в процессе ее кристаллизации создается высокое давление. Лед расклинивает и разрушает породу, особенно уже ослабленную трещинами или затронутую выветриванием. Таким образом легко дробятся породы с высокой пористостью, например, песчаники или частично измененные породы. Нагревание и охлаждение породы также способствует ее растрескиванию. В результате химических реакций минералов с кислородом, водой и углекислым газом возникают новые минералы, которые увеличивают объем породы и действуют подобно ледяным клиньям.
Растения и животные играют заметную роль в физическом выветривании. Корни прорастают в трещины и расщелины и выталкивают куски породы вверх и в стороны точно так же, как они приподнимают и разламывают асфальтовые тротуары. Если ветер валит деревья с корнем, обнажающиеся породы подвергаются дальнейшему разрушению. Дезинтеграции пород способствует рытье нор животными и вытаптывание растительного покрова крупными животными. Люди делают выемки для дорог, проходят тоннели в горах, разрабатывают карьеры и рудники и возделывают землю. Уничтожение дерна на целине, вырубка леса и кустарников, уничтожение растительности огнем нарушают баланс между развитием растительного покрова, выветриванием и эрозией почвы, вызывая при этом убыстрение эрозии и возобновляя выветривание на больших площадях.
1.4.2 Химическое выветривание
Это процесс разрушения, при котором породы распадаются вследствие химического изменения слагающих их минералов. Породы разлагаются, когда образующие их минералы подвергаются гидролизу, гидратации, карбонизации, растворения и окисления. Приведем примеры химических реакций, происходящих при этом.
Гидролиз разрушает атомную структуру кристаллических минералов, особенно силикатов, благодаря действию воды и растворенных в ней ионов. Твердые полевые шпаты выветриваются до каолинита (глинистого минерала):
2 K(AlSi3O8) + 3H2O + 2CO2 = Al2Si2O5(OH)4 + H4SiO4 + 2KHCO3
ортоклаз вода двуокись каолинит кремне- бикарбонат углерода кислота калия
CaAl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2 = Al2Si2О5(OH)4 + Ca(HCO3)2
анортит вода двуокись каолинит бикарбонат углерода кальция
Гидратация - это химическое присоединение воды к минералам горных пород. Реакции гидратации большей частью обратимы; обратная реакция называется дегидратацией. Пример гидратации - образование гипса из ангидрита:
CaSO4 + 2H2O = CaSO4 . 2H2O
ангидрит вода гипс
Максимальное число молекул воды известно у мирабилита Na2SO4 . 10H2O.
Карбонизация - процесс химического разложения, когда кристаллы вступают в реакцию с природными водами, насыщенными углекислотой. При этом образуются карбонаты и бикарбонаты. Все поверхностные воды содержат углекислый газ, поступающий из атмосферы или из разлагающегося в почве растительного вещества. Растворенный углекислый газ реагирует с водой, образуя углекислоту:
H2O + CO2 = H2CO3 .
Такая вода является активным агентом выветривания.
Растворение. Воды, содержащей углекислоту, очень много, и в такой воде растворяются бикарбонаты кальция, магния, натрия и калия. Следовательно, растворение этих веществ происходит вместе с карбонизацией и играет ключевую роль в химическом выветривании пород, так как при этом из них удаляются некоторые компоненты. В поверхностных водах содержится гораздо больше растворенных бикарбонатов, чем сульфатов или хлоридов. Некоторые породы растворяются особенно легко, например каменная соль и гипс; доломиты, известняки и мраморы. Растворение известковых массивов часто приводит к образованию причудливых пещер громадного объема, так называемых карстовых пещер. Например, карстовая воронка, обследованная после катастрофического обвала поверхности земли в декабре 1972 г. в округе Шелби штата Алабама в США, имела длину 140 м, ширину 115 м и глубину 50 м.
Окисление в геологическом смысле - это реакция кислорода с минералами, особенно с железосодержащими минералами. Типичная реакция окисления происходит при выветривании оливина:
2MgFeSiO4 + 2H2O + 1/2O2 + 4H2CO3 = Fe2O3 + 2Mg(HCO3)2 + 2H4SiO4
оливин вода кислород угле- гематит растворимый раствори- кислота бикарбонат мая крем- магния некислота
Преобладание процессов физического или химического выветривания зависит от климата: жаркого, умеренного или холодного, влажного или сухого (аридного). На выветривание в горных районах влияют местные климатические условия, которые зависят от высоты над уровнем моря, географической широты и количества осадков. Содержание влаги в атмосфере зависит от близости к морю, господствующих ветров, высоты облаков и т.д.
1.4.3 Органическое выветривание
Растения и животные помогают не только физическому разрушению, но и химическому разложению, и происходит это несколькими способами. Лишайники, которые первыми поселяются на обнажившейся породе, поглощают из нее определенные химические вещества и разъедают породу. Корни других растений удаляют новые порции неорганического материала. При разложении органики образуются органические кислоты, в присутствии которых заметно повышается растворимость кварца, железа и алюминия. В результате жизнедеятельности миллиардов вездесущих бактерий образуются аммиак, азотная кислота, углекислый газ и другие химические вещества, влияющие на изменение пород и формирование почвы.
Конечный результат всех типов выветривания - образование почв. Почва - это совокупность минерального и органического вещества, почвенных организмов, воздуха и воды, способная поддерживать рост растений. В формировании почв определяющее значение имеют климат, растительность, почвенные организмы, рельеф, материнские породы и время.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Назовите планеты Солнечной системы.
2. Что такое метеориты и как их изучают?
3. Назовите физические поля Земли.
4. Назовите внутренние оболочки Земли.
5. Какое строение имеет земная кора?
6. Расскажите о строении атмосферы, гидросферы, биосферы.
7. Что такое принцип актуализма?
8. Какие типы выветривания Вы знаете?
9. Назовите типы химического выветривания.
10. Как происходит физическое и органическое выветривание?
2. ВРЕМЯ В ГЕОЛОГИИ
Геологический возраст - это время, прошедшее с момента какого-либо геологического события в истории Земли до нашего времени, например, время образования осадочных горных пород, извержения расплавленной магмы, жизни организмов и т.д. В геологии различают абсолютный и относительный возраст.
2.1 Абсолютный возраст
Шкала абсолютной геохронологии - шкала, в которой основные рубежи геологической истории выражены в астрономических единицах времени - годах. Для определения возраста применяются несколько различных методов, основанных на явлении радиоактивного распада. На рис. 2.1 приведена кривая распада радиоактивных элементов. Половина радиоактивного вещества 1/2 N распадается за период Т; через промежуток времени 2Т остается 1/4 N исходного вещества; через промежуток 3Т остается 1/8 N и т.д. Время T, за которое распадается половина исходного радиоактивного вещества, называется периодом полураспада.