Геология в междисциплинарном контексте

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»






Ю. В. Попов



            ГЕОЛОГИЯ
            В МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОМ КОНТЕКСТЕ


Учебник для негеологических направлений и специальностей вузов














Ростов-на-Дону - Таганрог Издательство Южного федерального университета 2023

УДК 551.1/.4:[631.4:504](075.8)
ББК 26.3+40.3+20.18я73
      П58
Печатается по решению кафедры общей и инженерной геологии Института наук о Земле Южного федерального университета (протокол № 7 от 05 мая 2022 г.)

Рецензенты:
доктор технических наук, ассоциированный профессор, заведующий кафедрой геофизики Satbayev University (Казахстан) Б. Т. Ратов;
доктор географических наук, профессор кафедры океанологии Южного федерального университета Л. А. Беспалова





    Попов, Ю. В.
П58 Геология в междисциплинарном контексте : учебник для негеологических направлений и специальностей вузов / Ю. В. Попов ; Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2023. - 302 с.
       ISBN 978-5-9275-4354-0
       В учебнике рассмотрены формирующие геологическое пространство объекты (минералы, горные породы, их закономерные ассоциации и принципы их выделения), создаваемые ими геологические тела, строение внутренних геосфер Земли как результата допланетной истории космических тел и развития планеты, протекающие на поверхности и в недрах геологические процессы и их влияние на другие геосферы. Даны также краткие сведения о принципах и методах геологической хронологии, тектонических дислокациях, геодинами-ческих процессах и их связи с глобальным круговоротом вещества. Учебник содержит обширную терминологическую базу и иллюстративный материал.
       Предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по направлениям подготовки 05.03.02 «География», 06.03.02 «Почвоведение», 05.03.06 «Экология и природопользование», магистратуры 05.03.06 «Экология и природопользование», 44.03.05 «Педагогическое образование» и других негеологических специальностей и направлений подготовки вузов.


УДК 551.1/.4:[631.4:504](075.8)
ББК 26.3+40.3+20.18я73
ISBN 978-5-9275-4354-0
                                 © Южный федеральный университет, 2023
                                 © Попов Ю. В., 2023
                                 © Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ





Предисловие..........................................5

Глава 1. Строение и организация геологического пространства.........................................7

Глава 2. Происхождение, внутреннее строение, состав твердых оболочек Земли...................... 20
  2.1. Метеориты - свидетели допланетной истории... 20
  2.2. Эпохи хаоса и ада........................... 27
  2.3. Строение и состав каменных геосфер...........31

Глава 3. Геологическая хронология. «Хронос» и «кайрос» геологического времени............................. 41

Глава 4. Экзогенные геологические процессы......... 60
  4.1. Процессы гипергенеза и выветривание горных пород..................................... 60
  4.2. Эоловые процессы и отложения................ 75
  4.3. Склоновые процессы ......................... 89
  4.4. Геологическая деятельность русловых потоков..105
  4.5. Геологическая деятельность подземных вод....137
  4.6. Карстовые процессы и явления................155
  4.7. Деятельность ледников.......................172
    4.7.1. Геологическая деятельность ледников и гляциофлювиальные процессы...................172
     4.7.2. Оледенения..............................186
  4.8. Геологическая деятельность озер и болот.....188
  4.9. Геологическая деятельность морей и океанов...200

3

Глава 5. Эндогенные геологические процессы.......220
  5.1. Магматизм.................................220
  5.2. Метаморфизм и метасоматоз.................251

Глава 6. Деформации и тектонические процессы.....258
  6.1. Землетрясения.............................258
  6.2. Первичное залегание и деформации горных пород...................................271

Глава 7. Мантийная конвекция и тектоника литосферных плит.................................286

Литература.......................................301

ПРЕДИСЛОВИЕ





   Научную картину мира можно сравнить с сотканным из разноцветных нитей пестрым ковром, цвета нитей в котором отождествляются с разными областями научного знания. И чем больше в нем цветных нитей, тем ярче и сложнее рисунок, тем точнее он передает задуманную автором идею; уберите часть нитей, и рисунок потеряет в деталях, а иногда нарушится вся композиция. К сожалению, при формировании как общей научной картины мира, так и при изучении конкретных процессов и явлений, будь они природные или социальные, геологические знания и геологические факторы в некоторых случаях не учитываются. Это связано с тем, что геология является одной из немногих естественнонаучных областей знаний, не изучаемых как самостоятельная дисциплина на уровне общеобразовательной подготовки.
   Настоящий учебник призван в некоторой мере восполнить этот пробел. В нем изложены сведения о формирующих геологическое пространство объектах (минералах, горных породах, их закономерных ассоциациях и принципах их выделения), создаваемых ими геологических телах, о строении внутренних геосфер Земли как результате допланетной истории космических тел и развития планеты, протекающих на поверхности и в недрах геологических процессов и их влиянии на другие геосферы, также даны краткие сведения о принципах и методах геологической хронологии. Приведены некоторые примеры взаимосвязи геологических процессов с другими природными процессами и явлениями, их роли в формировании ландшафтов, в климатических изменениях, в функционировании биологических сообществ, а также возможного влияния на ход исторических событий. Некоторые разделы содержат краткие экскурсы в историю развития геологических идей, позволяющие лучше понять становление методологии геологической науки.

5

Предисловие


   В учебнике приводится обширная терминологическая база, и знание этих терминов необходимо, поскольку лаконичные трактовки основных понятий определяют их содержательную точность, ограниченность значения, единство понимания в пределах информационного пространства научной области. Учитывая многообразие рассматриваемых процессов и их геологических следствий, в текст включены ссылки на опубликованные работы, содержащие более полные сведения о них, и для получения углубленных знаний рекомендуется обратиться к этим источникам. Приведенные в книге фотографии проявлений некоторых геологических процессов носят не столько иллюстративный характер, сколько призваны служить предметом анализа, позволяя лучше представить себе рассматриваемые геологические явления.
   Конечно, содержание данного учебника далеко не в полной мере раскрывает многообразие геологического мира и возможность применения геологических методов в смежных исследованиях, но целью обучения является обретение новых знаний и новых способов их получения, поиск новых направлений, в том числе и на стыке разных научных дисциплин.
   Успехов на пути освоения геологических знаний!

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА




   Объектом геологического изучения является геологическое пространство, отражающее определенный этап развития планеты, сложенное взаимодействующими и изменяющимися геологическими телами. Каждое геологическое тело имеет границы, характеризуется определенным химическим составом и физическими свойствами и является продуктом одного или нескольких геологических процессов. Они представлены веществом в разных агрегатных состояниях и формах (твердые кристаллы, окаменелости, магматические расплавы, газы, жидкости и пр.) и их смесями. Основной объем геологического пространства сложен твердым минеральным веществом, в котором можно выделить несколько уровней организации.
   Элементарными составляющими геологического пространства являются минералы - возникшие в результате природных физико-химических процессов химические соединения с определенной кристаллической структурой. Этот термин может использоваться в разных значениях. Каждый отдельный кристалл имеет свои индивидуальные черты и определяется как минеральный индивид. Вместе с тем разнообразие кристаллических решеток хотя и велико, но не безгранично, что обусловлено свойствами химических элементов. Поэтому можно выделить множество минеральных индивидов близкого химического состава, кристаллическая решетка которых построена из элементарной ячейки с одинаковым расположением ионов и их групп, и в силу этого имеющих близкие свойства. Такие совокупности объединяют абстрактным понятием минеральный вид 1. Вариации в пределах одного минерального вида связаны с заменой в кристаллических решетках разных индивидов одних

   ¹ Всего выделено около 4,5 тысяч минеральных видов. Правила обоснования принадлежности к минеральным видам и наименования минеральных видов, принципы классификации минералов устанавливаются Международной минералогической ассоциацией (The International Mineralogical Association, IMA).

7

Глава 1

атомов, ионов или молекул на другие без изменения кристаллической структуры (это явление называется изоморфизм), а также с небольшими искажениями в кристаллических решетках и иными причинами. Внешне представители одного минерального вида могут довольно существенно различаться; характерные повторяющиеся вариации формы кристаллов, цвета и иных свойств дают основание для выделения минеральных разновидностей. Примером могут служит ювелирные названия драгоценных камней: разновидностями корунда являются рубины и сапфиры, берилла — аквамарин, изумруд, воробьевит, биксбит.
   Каждому минеральному виду приписывается идеальная кристаллохимическая формула, написание которой определяется несколькими простыми правилами: сначала указываются катионы, затем анионы или анионные группы (например, CuS, CaCO₃); занимающие в кристаллической решетке разную структурную позицию катионы указывают последовательно, а одну и ту же — в скобках в порядке убывания содержания (Cu₅FeS₄, но (Pb₀,₉₅Ag₀,₀₅)S); комплексные анионы помещаются в скобках и в порядке убывания доли, если их несколько; иногда анионные группы, формирующие «структурный каркас» минерала, выделяют квадратными скобками; наличие гидроксильной группы и/или других анионов указывается в конце (например, K₂Na(Fe²⁺,Mn)₇Ti₂[Si₈O₂₆](OH)₄). При наличии молекулярной воды ее присутствие указывается в конце формулы через точку (CaSO₄^2H₂O). Коэффициенты в формуле минерала указывают число атомов химического элемента или комплекса атомов в данной позиции. Поскольку идеальные кристаллохимические формулы не отражают реального состава конкретного минерального индивида, для описания последних применяются частные формулы минералов, рассчитанные по результатам их элементного анализа. Так, для галенита идеальная формула PbS, а реальный состав может отвечать, например, формуле (Pbo,8₇Seo,JS.
   В природе минералы (далее будем использовать это понятие в широком значении) нечасто встречаются в виде индивидуальных хорошо оформленных кристаллов, обычно это агрегаты в


8

Строение и организация геологического пространства

виде сростков индивидов одного или нескольких минеральных видов. Некоторые из имеющих характерную форму минеральных агрегатов получили собственные названия (рис. 1.1), как правило, они определяются по морфологическим особенностям и структуре (игольчатые, шестоватые, массивные, равномернокристаллические и пр.).


a                        б                       в

Рис. 1.1. Примеры некоторых минеральных агрегатов: a — друза — совокупность наросших на общее основание кристаллов; б — жеода — минеральный агрегат, образовавшийся путем частичного или полного заполнения полости в горных породах; в — дендриты — агрегаты древовидной формы, возникающие в результате быстрой кристаллизации

   Наблюдаемые ассоциации минералов могут быть связаны лишь общностью нахождения, при этом сросшиеся минералы кристаллизовались в разное время и в разных условиях либо образовались совместно при одинаковых условиях минералообразования. Последние целесообразно выделять в минеральные парагенезисы (от греч. пара - возле и генезис - рождение, происхождение) - закономерные сочетания минералов, связанных общностью образования. Их выявление позволяет изучать условия минералообразования, изменение этих условий в пространстве и времени. Минеральные индивиды, их парагенезисы и ассоциации могут нести признаки, выступающие индикаторами условий минералообразования (температуры, давления, состава среды и пр.), в таком случае говорят о типоморфных признаках минералов. Типоморфными признаками могут служить особенности формы кристаллов и их срастаний, состав химических примесей, некоторые физические свойства,

9

Глава 1

структурные особенности (степень упорядоченности кристаллической структуры и др.).
   Кристаллы минералов могут содержать трехмерные дефекты, размеры которых существенно превышают параметры слагающих их кристаллическую решетку элементарных ячеек (твердые частицы, заполняющие полости жидкие или газовожидкие субстанции и др.), называемые включениями в кристаллах (рис. 1.2). Включения могут быть захвачены кристаллом, возникнуть в процессе его роста (такие включения характеризуют среду кристаллизации - раствор или расплав) или образоваться в уже в выросшем кристалле; они служат важным источником информации об условиях и механизмах кристаллогенеза.


Рис. 1.2. Газово-жидкие включения в кристалле кварца, являющиеся захваченными в процессе роста растворами, в которых происходил рост минерального индивида

   Образование минералов может происходить как в недрах за счет поступающей из Земли энергии (связанные с внутренним теплом планеты геологические процессы называют эндогенными), так и на поверхности за счет солнечного тепла или в ходе биохимических процессов (такие процессы минералообразования относят к экзогенным).
   Заметим, что однажды совместно кристаллизовавшиеся минералы не остаются незыблемыми. При изменении условий сосуществующие минералы могут вступать друг с другом в реакции, создавая новые минералы, реакционные взаимоотношения - не редкость в каменном мире. Как и всё на планете, минералы рождаются, конкурируют между собой в процессе роста, изменяются и умирают, высвободившиеся из их

10

Строение и организация геологического пространства

кристаллических решеток химические элементы мигрируют и вновь входят в состав минералов. Иллюстрацией этого служит известная проблема сохранности объектов культурного наследия из природного камня, со временем разрушающихся под воздействием природных процессов, иногда более активно протекающих с участием антропогенных факторов (воздействие кислотных дождей на скульптуры из сложенного кристаллическим кальцитом мрамора и др.).
   Минеральные агрегаты более или менее повторяющегося состава создают горные породы, являющиеся следующим иерархическим уровнем организации минерального вещества. Более информативное понятие «горные породы» можно определить таким образом: естественные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в ходе геологических процессов и залегающие в виде самостоятельных геологических тел. В этой дефиниции обратим внимание на две сформулированные особенности пород: они имеют определенный состав (т. е. сложены парагенезисами минералов или минеральных компонентов) и имеют несоизмеримо больший, чем минеральные зерна, масштаб - они образуют геологические тела (рис. 1.3), как существенные части, слагающие земную кору. Каждая выделяемая горная порода характеризуется составом и структурой, повторяющимися в геологическом пространстве (как и в случае ранее рассмотренных минералов, понятие применимо и к реальным телам, и к обобщенному представлению о них).
   Особенности горных пород в первую очередь определяются их образованием, поэтому подразделение на типы (как наиболее крупные таксоны) основывается на их происхождении. Наиболее распространены магматические, метаморфические, метасоматические и осадочные горные породы. Три первых перечисленных типа образуются в ходе эндогенных геологических процессов, слагают около 90 % объема земной коры, объем экзогенных осадочных пород значительно меньше, однако они покрывают порядка 75 % площади земной поверхности. Сложены они кристаллическими агрегатами высокотемпературных минералов или иногда стеклом, образовавшимися в результате быстрого охлаждения природных расплавов (рис. 1.4).

11

Глава 1

a                        б                       в

Рис. 1.3. Примеры образованных горными породами геологических тел: a — толща рыхлых отложений (суглинки), вскрытые при раскопках курганного могильника «Западный II», камни в бровке — заклад погребения 2-й половины I тыс. н. э. (Фото А. В. Дедюлькина); б — слоистая толща осадочных пород и нижерас-положенные обнажающиеся среди осыпи тела магматических пород (мыс Фио-лент, Южный берег Крыма); в — тело магматических пород, прорывающее вмещающие кристаллические породы (Даховский массив, Большой Кавказ)

Образующие осадочные горные породы компоненты могут быть более разнообразными: наряду с кристаллами минералов породообразующими компонентами могут являться и обломки, рыхлые или сцементированные в прочные агрегаты (например, галечники и пески), и фрагменты отмерших живых организмов (известняки-ракушечники и др.), и иные образования.


Рис. 1.4. Строение горных пород разных типов: a — магматическая порода с кристаллической структурой и массивной (определяемой незакономерным расположением кристаллов) текстурой; б — метаморфическая порода с кристаллической структурой и полосчатой ориентированной текстурой (уплощенные и удлиненные кристаллы минералов ориентированы субпараллельно), развитие линзовидной текстуры в породе указывает на условия вязкопластического течения вещества; в - осадочная слоистая порода

12