История взглядов на образование Земли

Геология наука  о Земле, её строении, составе, и истории  развития. наука о строении, свойствах и динамике геологической среды, её рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью; один из разделов геологических наук. Основные задачи инженерной геологии: исследование современной морфологии и закономерностей формирования инженерно-геологических условий, прогнозирование их изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности; инженерно-геологическое обоснование защитных мероприятий, обеспечивающих рациональное освоение территории, недр и охрану окружающей среды. Для решения задач инженерной геологии используют натурные наблюдения, полевые и лабораторные эксперименты, моделирование, аналитические расчёты, режимные стационарные наблюдения и другие общегеологические и специальные методы.  
 
Инженерная геология включает грунтоведение, инженерную геодинамику и региональную инженерную геологию. Грунтоведение исследует состав, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности человека. Инженерная геодинамика изучает механизм, геологические причины и закономерности развития в геологической среде природных и инженерных геологических процессов в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью. Региональная инженерная геология исследует строение и свойства геологической среды различных структурных зон земной коры, закономерности формирования их инженерно-геологических условий и пространственно-временного изменения в связи с инженерной деятельностью.

Инженерная геология изучает объекты, расположенные  как в пределах суши, так и в  пределах акваторий, находящиеся на различной глубине от поверхности. Большая часть объектов находится в приповерхностной зоне геологической среды, для которой характерна высокая динамичность во времени. Прикладные разделы: инженерная геология городов и городских агломераций, инженерная геология месторождений полезных ископаемых (инженерная геология в горном деле), мелиоративная инженерная геология, инженерная геология в гидротехническом строительстве и в строительстве дорог, трубопроводов, ЛЭП и др. Каждый из разделов решает определённые задачи, ему свойственна специальная методика исследований, которая включает методы получения, обработки и представления результатов инженерно-геологических изысканий, а также методологию и технологию их проведения. Например, основные задачи инженерной геологии месторождений полезных ископаемых — изучение инженерно-геологических (горно-геологических) условий при ведении горно-строительных и горно-эксплуатационных работ; исследование структуры, свойств и геодинамического состояния массивов горных пород с целью определения их влияния на устойчивость, надёжность и долговечность горнотехнических сооружений; прогнозирование изменений геодинамической обстановки района производства горных работ; обоснование защитных инженерных мероприятий, обеспечивающих безопасное ведение горных работ; рациональное использование недр и охрана окружающей среды. Специфичность решения этих задач обусловлена тем, что массивы горных пород выступают в качестве главного конструкционного элемента инженерных сооружений (горной выработки), а также тем, что на протяжении всего периода работы горных предприятий изменяется геодинамическое состояние массивов.

Инженерно-геологические  исследования на месторождениях полезных ископаемых начинаются на стадии предварительной  геологической разведки, продолжаются и углубляются на стадии детальной разведки, проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений. На последних этапах используются стационарные режимные наблюдения и методы горной геомеханики. Перспективные направления развития инженерной геологии месторождений связаны с изучением проблем освоения глубоких горизонтов и разработки месторождений в области распространения многолетнемёрзлых пород и в других сложных инженерно-геологических условиях, с прогнозированием горно-геологических процессов. Инженерная геология использует теоретические достижения и методы геологии, физики, механики, химии, математики, а также социально-экономических дисциплин и географии, горных и строительных наук. Инженерная геология наиболее тесно связана с гидрогеологией и мерзлотоведением, а также с петрологией, геохимией, тектоникой, динамической геологией.  
 
История взглядов на образование Земли 
С глубокой древности слагались мифы о возникновении Земли, хотя никаких оснований для этого не было, потому что не известны были даже ее размеры и форма. Лишь после первого кругосветного путешествия, начатого Ф. Магелланом и завершенного в 1522 г. Эль-Кано, окончательно выяснилась сферическая форма нашей планеты. Детальные измерения показали приплюснутость земного шара с полюсов. В 1543 г. Н. Коперник (1473-1543) отнес Землю к обычной планете Солнечной системы, вращающейся вокруг своей оси (смена дня и ночи) и вокруг светила (смена времен года). Эти признаки: Земля – шар, приплюснутый по оси, вокруг которой вращается, позволили утвердиться мнению: ранее планета был жидкой. Разве можно ее было сплюснуть в твердом виде? 
 
В 1609 г. Г. Галилей (1564-1642), направив телескоп на Солнце, увидел на нем темные пятна. Их приняли за следы охлаждения светила (на самом деле протуберанцы – свидетельства его активности). Р. Декарт (1596 –1650) предположил, что Земля была ранее маленьким солнцем и из-за своей небольшой массы с поверхности остыла, а внутри сохранила расплавленное ядро из материала Солнца, окруженное оболочкой из вещества солнечных пятен. Нужно было ответить на вопрос: “Как такая маленькая звезда образовалась?”. Ответ в книге “Теория Земли” дал в 1749 г. Ж. Бюффон (1707-1788). На Солнце упала комета и выбила из него гигантские капли, завращавшиеся на разных расстояниях от светила и вокруг своих осей, как и Солнце. Со временем капли остыли и стали планетами. Так объяснялось возникновение Земли двести пятьдесят лет назад. 
 
Почему все это сделала комета? Потому что тогда еще не были известны размеры планет и комет. На небе комета со своим хвостом виделась большего размера, чем планеты, да и двигалась она быстрее планет. К тому времени было установлено, что кинетическая энергия зависит от массы тела и квадрата его скорости. 
 
Подобные взгляды подготовили почву для принятия научной общественностью в начале XIX в. гипотезы образования Земли, которая в настоящее время носит название Канта-Лапласа. Немецкий философ И. Кант (1724-1804) в 1755 г. в книге “Всеобщая естественная история и теория неба” изложил гипотезу формирования нашей планетной системы из холодной рассеянной материи, заполнявшей все пространство этой системы и вращавшейся вокруг центрального сгустка – Солнца. Французский математик, астроном и физик П.С. Лаплас (1749-1827) в 1796 г. в книге “Изложение системы мира” показал, что вращение пылегазовой туманности приведет ее к разогреванию. У раскаленного газового шара по экватору возникнет огненно-газовый диск, который затем разделится на отдельные кольца. Вещество каждого кольца соберется в сгусток, образуя планету. 
 
К концу XIX в. с развитием химии стало ясно, что если бы наша планета первоначально было расплавленной, то она из-за своей небольшой массы (как небесного тела) не смогла бы удержать легкие химические элементы: водород, азот, кислород и др. Они бы улетели в космическое пространство. А так как атмосфера, гидросфера и биосфера на земном шаре присутствуют, то он никогда не был расплавленным. В.И. Вернадский (1863-1945) в начале XX в. с учетом отсутствия эволюции земных минералов доказал геологическую вечность биосферы или сделал вывод, что все минералы и горные породы на земном шаре образовались в условиях биосферы. Дожизненного времени на Земле не было. Биосфера на Земле не возникла, а существует. Затем в архейских и нижнепротерозойских образованиях были определены тиллиты (ледниковые отложения). В древнейших горных породах - кварцитах возраста 4 млрд. лет под электронным микроскопом установлены остатки нитчатых водорослей. Стало очевидно, что допускать расплавленное состояние Земли ненаучно. 
 
С начала XX в. Землю стали считать образованной скоплением холодных космических обломков, в том числе и метеоритов. В СССР из таких представлений наиболее известной была гипотеза академика О.Ю. Шмидта (1891-1956), разработанная в 1943 г. и изложенная в книге “Четыре лекции об образовании Земли”. Для объяснения происхождение ядра, мантии и земной коры, выделенных по прежним гипотезам первично расплавленной Земли, от которых естествознание к тому времени уже отказалось, последователи этой гипотезы предположили, что земной шар испытал вторичный разогрев от тепла радиоактивного распада изотопов урана, тория и др. Однако, если бы действительно был разогрев земного шара, неважно какой – первичный или вторичный, Землю бы покинули легкие химические элементы, и на ней не было бы атмосферы, гидросферы и биосферы. Круг нелогических построений замкнулся. 
 
В БСЭ, издание третье, т. 9, 1972, с. 476 сказано: “Согласно современным космогоническим представлениям, Земля образовалась ~ 4,5 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газо-пылевого вещества, содержащего все известные в природе химические элементы… Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, которой способствовал постепенный разогрев земных недр, в основном за счет теплоты, выделившейся при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.). Результатом этой дифференциации явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои – геосферы, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное т. н. мантией… Из наиболее легких и легкоплавких компонентов вещества, выделившихся из мантии в процессах выплавления …, возникла расположенная над мантией земная кора”. 
 
Помимо чисто стилистической неточности: Земля образовалась из вещества, содержащего все известные химические элементы (необходимо использовать слово “содержавшего”, а не “содержащего”), в приведенной выдержке из БСЭ много научных недоразумений. 
 
Конденсация – переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое вследствие его охлаждения или сжатия. Пыль не является газом, следовательно, она не может конденсироваться. Наоборот, при сжатии (от гравитации) твердое вещество пыли может перейти в расплавленное жидкое или даже в газообразное. Для слипания твердых частиц в крупное тело в науке используется термин “аккреция”.  
Калий отнесен к радиоактивным элементам, но у него не все изотопы, как у тория и урана, радиоактивные. Относить калий к радиоактивным элементам нельзя. Предложив первую небожественную гипотезу образования Земли из материала Солнца, Ж. Бюффон в середине XVIII в. по времени остывания земного шара определил возраст его в 63 тыс. лет. Сделал он это так. Нагревая до белого свечения чугунные шары диаметром от 0,5 до 6 дюймов, определил скорости их охлаждения. Они оказались прямо пропорциональными диаметрам шаров. Экстраполяция до размера земного шара позволила Ж. Бюффону установить возраст Земли до невероятных для того времени 63 тыс. лет.

Гипотеза совместного формирования (совместной аккреции)

Впервые подобную гипотезу представил Иммануил Кант в труде по космогонии, в 1755 году. Он предположил, что все небесные тела появились в результате сжатия пылевого облака, а Луна и Земля сформировались вместе, из одного пылевого сгустка: сначала Земля, потом, из оставшегося вещества, Луна. Большим сторонником гипотезы совместной аккреции был знаменитый астроном Эдуард Рош (Édouard Albert Roche). В Советском Союзе гипотезу коаккреции активно разрабатывала школа О. Ю. Шмидта (В. С. Сафронов, Е. Л. Рускол и др.). До 1970-х годов гипотеза совместной аккреции считалась наиболее проработанной.

Гипотеза предполагает, что  Земля и Луна просто «выросли»  на одной орбите как двойная планета, из первоначального протопланетного  роя твердых частиц. Первой начала формироваться прото-Земля. Когда она набрала достаточную массу, частицы из протопланетного роя захватывались её притяжением и начинали вращаться вокруг зародыша планеты по самостоятельным эллиптическим орбитам. Из этих частиц образовался собственный околопланетный рой. Частицы роя сталкивались между собой, некоторые теряли скорость и падали на прото-Землю. Орбиты других усреднялись между собой — рой приобретал орбиту, близкую к круговой. Затем из этого роя начали формироваться зародыши будущего спутника, Луны.

Геосфе́ры (от греч. гео — Земля, сфера — шар) — географические концентрические оболочки (сплошные или прерывистые), из которых состоит планета Земля^[1].

Выделяются следующие  геосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера, земная кора, мантия и ядро Земли. Ядро Земли делится на внешнее ядро (жидкое) и центральное — субъядро (твёрдое).

Геосферы условно  делятся на базовые или главные (литосфера, атмосфера и гидросфера и другие), а также относительно автономно развивающиеся вторичные геосферы: педосфера, антропосфера (Родоман Б. Б., 1979), социосфера (Ефремов Ю. К., 1961) и ноосфера (Вернадский В. И.). Область обитания организмов, включающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть земной коры, называется биосферой. Криосфера характеризуется отрицательной или нулевой температурой, при которых вода, содержащаяся в парообразном, свободном или химически и физически связанном с другими компонентами виде, может существовать в твёрдой фазе (лёд, снег, иней и другие).

Статус геосферы им придаётся лишь исходя из значения в жизни человека на Земле, соизмеримого с ролью первичных геосфер.

Каждая из перечисленных  выше геосфер изучается отдельной  наукой или набором отдельных  наук, изучающих каждую сферу на разных системных уровнях.

Первые предложения  по сохранению единства знания о Земле  и созданию обобщающей его науки  прозвучали в виде синтетической  концепции геосфер Э. Зюсса и в идее А. Геттнера. В России сторонником единой и общей географии был В. В. Докучаев.

По совокупности природных условий и процессов, протекающих в области соприкосновения  и взаимодействия геосфер, выделяют специфические оболочки (например, географическую оболочку). Географическая оболочка было определена П. И. Броуновым в 1910 году, но затем по-разному определялась и ограничивалась А. А. Григорьевым, И. П. Герасимовым, И. М. Забелиным, С.В, Калесником, М. М. Ермолаевым, А. И. Рябчиковым и другими учёными.

В пределах географической оболочки сталкиваются и сложно взаимодействуют  силы разного происхождения (в частности — солнечная энергия, энергия внутренних слоёв Земли, сила тяжести, движения воздушных, водных и литогенных потоков).

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства. Также существует определение атмосферы, как внешней геологической газовой оболочки Земли

Гидросфе́ра (от др.-греч. Yδωρ — вода и σφαῖρα — шар) — это водная оболочка Земли.

Она образует прерывистую  водную оболочку. Средняя глубина  океана составляет 3800 м, максимальная (Марианская впадина Тихого океана) — 11 022 метра. Около 97 % массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2,2 % — воды ледников, остальная часть приходится на подземные, озерные и речные пресные воды. Общий объём воды на планете около 1 532 000 000 кубических километров. Масса гидросферы примерно 1,46*10²¹ кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей планеты. Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, в которых растворены соли (в среднем 3,5%), а также ряд газов. Верхний слой океана содержит 140 трлн тонн углекислого газа, а растворенного кислорода — 8 трлн тонн. Область биосферы в гидросфере представлена во всей ее толще, однако наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые лучами солнца слои, а также прибрежные зоны.

В общем виде принято  деление гидросферы на Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше — в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96 % объёма гидросферы составляют моря и океаны, около 2 % — подземные воды, около 2 % — льды и снега, около 0,02 % — поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу.

Литосфе́ра (от греч. λίθος — камень и σφαίρα — шар, сфера) — твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород. В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы.

Блоки литосферы — литосферные плиты — двигаются по относительно пластичной астеносфере. Изучению и описанию этих движений посвящен раздел геологии о тектонике плит.

Литосфера под океанами и континентами значительно различается. Литосфера под континентами состоит  из осадочного, гранитного и базальтового слоев общей мощностью до 80 км. Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими редкими элементами, в основном состоит из дунитов и гарцбургитов, её толщина составляет 5—10 км, а гранитный слой полностью отсутствует.

Земна́я кора́ — внешняя твёрдая оболочка Земли (геосфера). Ниже коры находится мантия, которая отличается составом и физическими свойствами — она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы. Разделяет кору и мантию граница Мохоровичича, или сокращённо Мохо, на которой происходит резкое увеличение скоростей сейсмических волн. С внешней стороны большая часть коры покрыта гидросферой, а меньшая находится под воздействием атмосферы.

Кора есть на Марсе и Венере, Луне и многих спутниках планет-гигантов. На Меркурии, хотя он и принадлежит к планетам земной группы, кора земного типа отсутствует. В большинстве случаев она состоит из базальтов. Земля уникальна тем, что обладает корой двух типов: континентальной и океанической.

Ма́нтия — слой в недрах планет земной группы, расположен между корой и ядром. Она образуется в результате отделения от первичного планетного вещества металлической части, которая уходит в ядро, и плавления, продукты которого формируют кору планеты. Согласно современным моделям мантия планет сложена в основном перидотитами. Кора планет состоит в основном из базальтов (на Земле значительную часть коры слагают граниты, и это одно из основных отличий нашей планеты), она содержит больше легкоплавких элементов и имеет меньшую, чем мантия, плотность.

Сейсмическими методами мантия изучена на Луне. От земной мантии она отличается меньшей температурой и значительно большей жесткостью. На глубине 1000 км фиксируется слой пониженных сейсмических скоростей, что может свидетельствовать о частичном плавлении мантии, то есть он может быть похож на земную астеносферу.

Было предложено множество моделей внутреннего  строения Марса, которые ждут проверки непосредственными сейсмическими  экспериментами. Предполагается, что, так как Марс находится на большем  удалении от Солнца, и вещество, из которого он образовался, осаждалось из небулы при меньших температурах, то в целом он содержит больше железа и серы, чем Земля. Поэтому предполагается, что марсианское ядро состоит из железа и серы, а мантия содержит значительно больше железа. Из-за меньшей силы тяжести на Марсе диапазон давлений в мантии Марса гораздо меньше, чем на Земле, а значит в ней меньше фазовых переходов. Предполагается, фазовый переход оливина в шпинелевую модификацию начинается на довольно больших глубинах – 800 км (400 км на Земле) .