Литосфера. 2

Литосфера 

     Литосферу изучает наука геология.

     Литос по-гречески означает камень, значит, литосфера – это твердая, каменная оболочка Земли. Если двигаться от твердой поверхности Земли вглубь, то мы поочередно пройдем земную кору, мантию и ядро. Мощность земной коры от нескольких километров под океанами до 80 км под горами, в среднем она составляет менее 40 км, что около 0,6 % земного радиуса. Далее, до глубины около 2900 км, продолжается мантия и, наконец, еще глубже – ядро. Такое строение Земли составлено с помощью дистанционных геофизических методов. На этих глубинах меняется скорость движения физических волн, и происходит их частичное отражение. На основании этих данных предполагается и химический состав глубин Земли, например, говорится о преобладании железа и никеля в ядре. Однако подтвердить это непосредственным наблюдением вряд ли представится в ближайшем будущем. По крайней мере, самая глубокая из существующих скважин за несколько десятков лет бурения не достигла своей проектной глубины 15 км. Бурилась она на Кольском полуострове, а в ее конкретной точке по геофизическим данным мощность земной коры должна быть менее 15 км.

     Под литосферой понимается земная кора вместе с верхней частью мантии. В литосфере происходит обмен веществом и энергией между мантией и земной корой. Конечно, в Географическую оболочку Земли мантия не входит, однако, для полноты картины рассматривается именно литосфера, а не земная кора, хотя, конечно, ей будет уделено основное внимание.

     Камень  – это слово, употребляемое в  обычной лексике, специалисты же говорят о «горных породах». Земная кора состоит из горных пород, которые, в свою очередь, состоят из различных минералов. Минералов описано более 2500. Необходимо учесть, что минералы, помимо твердых, которые составляют основную часть, могут быть также жидкими (нефть, вода) и газообразными (метан, сероводород). Минералы представляют собой простые и сложные химические соединения, а иногда и просто элементы. Например:

• Алмаз, графит               –   С,
• Самородное золото      –  Аu,
• Каменная соль (галит) – NaCl,
• Кварц                            –  SiO2.

     К сложным по химическому составу  минералам относят соли кремниевых и алюминиевых кислот, которые  называются в целом силикаты и  алюмосиликаты. В зависимости от содержания кремнезема (SiO2) в минералах, горные породы подразделяются на «кислые» (с большим содержанием SiO2), которые имеют более светлую окраску и более легкий удельный вес, и «основные» (с меньшим содержанием SiO2), имеющие более темную, даже черную окраску и более тяжелые. Горные породы могут быть мономинеральные, например, кварцит, состоящий из кварца, мрамор – из кальцита. Таких пород относительно мало. В основном горные породы полиминеральные, т.е. состоят  из многих минералов, например, гранит, базальт, гнейс и др.

     Горные  породы обладают структурой, которая отражает форму и размеры минеральных зерен и кристаллов: крупнокристаллическая, тонкозернистая и т.д., и текстурой, т.е. взаиморасположением минералов и зерен: ячеистая, слоистая и т.д.

     Все горные породы различаются по типу своего происхождения (генезису) на три класса: магматические, осадочные, метаморфические.

     Магма – это расплавленное вещество литосферы, в результате ее остывания образуются магматические горные породы, они подразделяются на 2 группы:

1.     Интрузивные (глубинные);

2.     Эффузивные (излившиеся).

    Коренное  различие этих пород в скорости остывания  магмы. Представим себе крупное внедрение  магмы в земную кору на глубине  нескольких километров и последующее  остывание. Под мощным теплоизоляционным  слоем залегающих над магмой горных пород остывание ее будет проходить очень долго, по мере остывания из расплава будут образовываться кристаллы минералов, которые, при прочих равных условиях, будут тем крупнее, чем дольше длится кристаллизация. Такие типичные интрузивные горные породы будут   иметь кристаллическую структуру, например: граниты, габбро.

     Если  магма через трещины в земной коре выльется на поверхность литосферы, остывание ее быстрое, а если это  дно океана - практически мгновенное. В таких условиях кристаллы либо могут составлять отдельные вкрапления, либо вообще не образуются. Часто из магмы даже не успевают улетучиться газы, и она будет пористой. Типичными эффузивными (излившимися) горными породами являются: базальт, пемза, обсидиан (вулканическое стекло), туф.

     Помимо типичных интрузивных и эффузивных  пород, есть множество магматических пород, занимающих как бы промежуточное положение. Например, магма, остывшая  в трещинах.

     Осадочные горные породы образовались, как видно  из самого названия, в результате осадконакопления  на поверхности литосферы. Это может происходить как на поверхности суши, так (что чаще) на дне водоемов. Осадочные горные породы подразделяются на 3 группы:

1.     Обломочные, т.е. состоящие из мелких или крупных обломков горных пород, образовавшихся в процессе выветривания. Выветриванием называется разрушение горных пород под действием различных сил (воды, ветра, живых организмов, разницы температур и т.д.). Различают механическое и химическое выветривание. К типичным обломочным породам относятся песок, щебень, гравий и т.п.

2.     Органогенные горные породы. Само название говорит о том, что в происхождении их основную роль играли живые организмы. Примеры таких горных пород: торф, мел, каменный уголь, известняк и т.д.

3.     Хемогенные горные породы образуются в результате химических реакций и выпадения в осадок. К таким породам относятся: каменная и калийная соль, мирабилит и т.д.

    Метаморфизм - это процесс преобразования горных пород. Преобразование происходит под воздействием давления, температуры, привнесения вещества газами и растворами. Даже наиболее легкие породы в 2-3 раза тяжелее, чем вода, поэтому каждые 10 метров глубины – это около 3 атмосферных давлений, значит, на глубине нескольких километров на горные породы воздействуют давления в сотни и тысячи атмосфер. С глубиной повышается температура. В среднем это около 3˚С на 100 метров, но этот показатель сильно варьирует и в вулканических районах очень высок.

     Погружаясь  в результате движений земной коры, горные породы  оказываются на глубинах, где может происходить их полная или частичная переплавка. При этом меняется структура, текстура, а иногда и химический состав горных пород. Частичному метаморфизму подвержены практически все горные породы, кроме   современных. Песок цементируется в плотный песчаник, торф – в уголь и т.д. Однако типично метаморфическими принято называть горные породы, которые полностью изменили первоначальный облик. Например, мрамор, который мог образоваться путем переплавки и последующей кристаллизации известняка. К типично метаморфическим породам относятся: гнейсы, кварцит, кристаллические сланцы.

     Горные  породы размещены в земной коре не беспорядочно, а строго закономерно, в геологических и тектонических  структурах. Под тектоникой понимается вся сумма движений земной коры в любых направлениях, при этом образуются складки, разломы, смещения и т.п. Движения могут проходить очень медленно, например, 1-2 мм в год, и достаточно быстро,  даже практически мгновенно – при землетрясениях.

     Термины «геологическая» и «тектоническая» структура практически тождественны, однако, под тектонической структурой  в первую очередь понимается ее форма, а под геологической – содержание. Тектоника проявляется под воздействием внутренних сил Земли, природа которых до сих пор во многом неясна, однако, они приводят в движение громадное количество вещества в мантии и земной коре. Эти силы принято называть «эндогенными», т.е. внутренними, в отличие от «экзогенных», т.е. внешних, проявляющихся в действии воды, ветра, живых организмов и т.д. Основным источником энергии экзогенных процессов является Солнце и сила тяжести.

     В литосфере за историю Земли произошла  дифференциация вещества, и более  легкие элементы как бы всплыли вверх. Нижний, более тяжелый слой земной коры называют базальтовым. Здесь преобладают  породы основного «состава». Выше расположен гранитный слой. Здесь преобладают породы «кислого» состава. Самый верхний слой носит название осадочный, он состоит из осадочных пород.

     Земная  кора на материках называется материковой  и включает в себя все 3 перечисленные слоя. Под океанами сформировалась океаническая кора, где гранитный слой отсутствует, и осадочный сформировался прямо на базальтовом.

     Самыми  крупными структурами в литосфере  являются литосферные плиты. Это блоки литосферы, ограниченные глубинными разломами. Разломы представляют собой трещины, разрывы, а чаще целые системы разрывов в земной коре. Глубинными называются разломы, которые пронизывают всю толщу земной коры до мантии. Литосферных плит много, среди них несколько самых крупных: евразийская, африканская, индо-австралийская, американская, тихоокеанская, антарктическая, которые, в свою очередь,  разбиваются на более мелкие. Литосферные плиты как бы плавают, перемещаясь на поверхности мантии, и, что самое основное, движение каждой плиты самостоятельно, т.е. они могут расходиться, наталкиваться друг на друга или сдвигаться относительно друг друга. Скорость движения плит от 2 до 8 см в год. Это приводит к появлению вторичных структур. Пограничные зоны между литосферными плитами имеют самую активную тектонику и  называются сейсмическими поясами. Разрушительное цунами 2004 года в Индийском океане образовалось как раз на таком сейсмическом поясе.

     Там, где литосферные плиты расходятся, образуется крупная трещина –  «рифт», по которой происходит поднятие вещества из мантии и вулканизм. Края разломов поднимаются и отодвигаются друг от друга. В океанах в таких условиях образуются срединные океанические хребты с провалами и углублениями вдоль оси хребтов. Примером срединного океанического хребта является хребет по центральной «оси» Атлантического океана, где расходятся Американская, с одной стороны, и Африканская с Евразийской плиты, с другой. На материках в рифтах часто образуются глубокие тектонические озера: Байкал, Танганьика, Ньяса и т.д.

     Если  сходятся две литосферные плиты с океаническим типом коры или с океаническим и материковым типом коры, то одна плита «ныряет» под другую, а другая, наоборот, наползает на первую. Здесь образуются, с одной стороны, горы вулканического происхождения, с другой, глубокие океанические желоба. Примером таких ситуаций могут служить вулканические горы и расположенные рядом желоба Курильских островов, Японии, западных побережий Северной и Южной Америк. 

     Схождение двух плит с материковым типом  земной коры приводит на поверхности к движениям в вертикальной плоскости. Образуются складчатые пояса в виде гор и глубоких «корней гор». В этих поясах мощность земной коры будет максимальной, например, Альпийско - Гималайский складчатый пояс.

     На  границах литосферных плит происходит интенсивный  энергомассообмен между земной  корой и мантией.

     Самыми  главными структурами земной коры являются складчатые области (зоны, пояса) и платформы. Складчатая область – это тектонически активные участки земной коры, обычно в зоне сейсмических поясов. Здесь часто происходят землетрясения и вулканизм, горные породы преобладают магматические и метаморфические, разбитые разломами и образующие всевозможные складки. На поверхности складчатым областям соответствуют горы.

     Консолидированные участки земной коры с ослабленной тектоникой, проявляющейся обычно в очень медленных вертикальных колебательных движениях, называются платформами. Они расположены обычно в центральных частях литосферных плит. В рельефе, на  поверхности литосферы, платформы представлены равнинами.

     Абсолютно любой участок земной коры за долгую историю существования Земли  много раз сменял платформенные  и складчатые этапы развития. Поэтому  платформы могут быть только современные. Они имеют двухэтажное строение. Нижний этаж отражает время, когда на этом месте была складчатая область. Породы здесь магматические и метаморфические. Нижний этаж называется фундамент платформы. Верхний этаж называется осадочный чехол платформы. Он представлен горизонтально залегающими или образующими пологие складки осадочными породами. Собственно время формирования осадочного чехла и является временем существования платформы.

     Участки платформы, лишенные осадочного чехла, где на поверхность выходят магматические  и метаморфические породы фундамента, называются щиты. Например, Балтийский щит на Восточно–Европейской платформе.

     Платформы с мощным осадочным чехлом называются плиты. Например, Западно-Сибирская  плита (не путать с литосферными плитами!).

     И складчатые пояса, и платформы осложнены  множеством структур более мелкого  порядка.

     В складчатых областях или на сочленении их с платформами образуются как  бы самостоятельные небольшие платформы, тоже имеющие двухэтажное строение, но имеющие небольшую, вытянутую  в плане форму. Они называются межгорными и краевыми прогибами  и образуются на месте длительных, часто очень мощных погружений.

     Выпуклые  складки в осадочных или метаморфических  переслаивающихся породах носят  название с приставкой «анте-»: антеклиналь, антеклиза, антеклинорий. Например, Воронежская антеклиза. Аналогичные вогнутые складки имеют приставку «син-»: синклиналь, синеклиза, например, Московская синеклиза на Русской или Восточно-Европейской платформе. 

     Если  вдоль разлома в плане произошло  смещение горных пород, то такая структура  называется сдвиг. Структуры, где смещение произошло в вертикальной плоскости вдоль разлома, называются сброс, или надвиг. Если наблюдается в разрезе опущенный блок между двумя или несколькими разломами, структура называется грабен. Блок, поднятый между двумя или несколькими разломами, называется горст. Могут быть различные сложные сочетания между структурами, например, грабен – синклиналь.

     Рис. 8. Сдвиг.  

     Рис. 9:

     а) антеклиналь; б) синклиналь

Рис. 10: а) сброс;  б) надвиг

→ направление смещения

Рис. 11. а) грабен; б) горст

Рис. 12. Разрез по грабен-синклинали 

     Раздел  географии на стыке с геологией, который занимается реконструкцией географических условий прошлых эпох, называется палеогеографией. Это самостоятельная наука со своими целями, задачами, методами исследований. Реконструкция истории Земли привязана ко времени и занимается этим геохронология («гео» - Земля, «хронос» – время).

     В истории Земли выделяются самые  крупные этапы времени, называемые эры. Их всего пять: археозойская, протерозойская, палеозойская, мезозойская и кайнозойская, которая продолжается и сейчас. Эры  подразделяются на периоды. Табл. 2. Архей и протерозой на периоды не подразделяются. Самый древний период палеозоя называют кембрий, поэтому для общего названия архея и протерозоя часто употребляют термин докембрий. В целом для горных пород докембрия характерно отсутствие конкретных окаменелостей органического мира, а есть только косвенные следы присутствия органики. Причиной этого является то, что в докембрии породы или магматические, или очень сильно метаморфизованны.

     Для последних трех эр: палеозойской, мезозойской и кайнозойской, которые в литературе часто объединяются под общим термином фанерозой, характерно присутствие окаменелостей, отпечатков и т.д. органического мира, даже широкое присутствие органогенных горных пород.

     Таблица 2.

     Самый молодой период кайнозоя – четвертичный, или антропогеновый, поскольку это период, когда на Земле обитали люди и их предки. Он продолжается примерно 2 млн. лет, хотя изредка появляются сообщения о найденных остатках прачеловека более древнего возраста.

     Абсолютное  время вычисляется, обычно, исходя из времени полураспада радиоактивных элементов.

     Кроме возраста горных пород, геологами исчисляется  и возраст  складчатости. Выше мы упоминали о том, что складчатым областям на поверхности обычно соответствуют горы. Это не всегда так, поскольку очень древние горы могут быть разрушены последующими процессами. Складчатость имеет собственную хронологию, и в таблице приводится название складчатости для разных этапов развития Земли. Конечно, за 4 с лишним миллиарда лет докембрия складчатость проявлялась, но в современном рельефе она никак не проявляется. Следует отметить, что многие горы, образовавшиеся в ранние периоды складчатости, могут в последующие периоды омолаживаться. В рельефе наиболее ранняя складчатость в виде гор проявляется в возрасте верхнего протерозоя – кембрия. Эта складчатость носит название байкальская. Примером может являться Баргузинский хребет на восточном берегу оз. Байкал.

     В среднем и нижнем палеозое складчатость носит название каледонская. В этот период складчатости образовались Алтай и Западный Саян.

     В верхнем палеозое складчатость называется герцинская. В это время образовались Уральские горы.

     В мезозое складчатость носит одноименное  название, но в иностранной литературе часто упоминается как киммерийская складчатость. В мезозойскую складчатость образовались Верхоянский хребет, Чукотское нагорье.

     В кайнозое складчатость носит одноименное  название, но чаще употребляется термин альпийская складчатость. В это время образовались Альпы, Кавказ, Гималаи и т.д.

     Для тектонических процессов настоящего времени употребляются термины «неотектоника» и «новейшая тектоника».

     Соответствие  горных пород и тектонических  процессов определенным структурам имеет большое практическое значение для поисков полезных ископаемых, сейсмических прогнозов и т.п. Приведем пример. Вся толща осадочных чехлов платформ пропитана подземными водами, месторождения нефти приурочены к осадочным чехлам. Нефть, как более легкое вещество, стремится «всплыть» на воде, поэтому собирается как бы у днища перевернутых чашек, которыми являются антиклинальные складки, выполненные трудно проницаемыми породами. Этот факт является важнейшим поисковым признаком нефтяных месторождений. На тектонической карте в школьных атласах указывается, к каким породам, осадочным или магматическим, приурочены месторождения тех или иных полезных ископаемых.   

Рельеф  суши

      Рельефом  суши называется вся совокупность неровностей земной поверхности. Отдельные неровности называются формами рельефа. Формы рельефа могут быть самыми разнообразными по величине, например гора, крупная речная долина, речная терраса в долине, пойма. Формы рельефа подразделяются на элементы форм рельефа, например, балка имеет в качестве элементов  днище и склоны. Формы рельефа  образуются при взаимодействии эндогенных и экзогенных сил. Эндогенные силы проявляют себя в тектонических и магматических  процессах в виде поднятий, погружений земной коры. Именно эндогенные силы сформировали основные неровности земной коры: материки и океанические впадины, горные системы и равнины. 

      Экзогенные  силы появляются в трёх направлениях:

1. Выветривание – разрушение горных пород под действием различных сил.
2. Денудация – перемещение продуктов выветривания под воздействием силы тяжести с более высоких на более низкие уровни.
3. Аккумуляция – накопление осадков на поверхности суши или дне водоёмов.

      Под действием экзогенных сил формы  рельефа могут быть либо выработанные: овраг, ущелье, котловина выдувания  и т.д., либо аккумулятивные: бархан, дюна, пойма и т.д.

      По  крупности все формы  рельефа подразделяются (что весьма условно) на крупные – макроформы, средние – мезоформы, мелкие – микроформы.

      Совокупность  форм рельефа называется типом рельефа. Совокупность форм рельефа определяется либо внешним обликом (морфологией), либо, что наиболее важно и в  научном и в практическом плане, происхождением (генезисом). Поэтому чаще всего выделяется  морфогенетические типы рельефа – совокупность форм рельефа, связанных единым происхождением и внешним обликом.  Крупные формы рельефа, такие как горы и равнины, созданы при ведущем значении тектонического фактора и часто в литературе носят название геотектуры. Более мелкие, но тоже достаточно крупные формы, такие как возвышенности, низменности, плато, отдельные хребты и т.д. созданные при ведущем значении тектонического фактора, являются морфоструктурами. т.е. отражают генетическое единство геологической (тектонической) структуры и формы рельефа.

      Формы рельефа, созданные при ведущем  действии экзогенных факторов, принято  называть морфоскульптурой. К основным    морфогенетическим типам морфоскульптуры относятся: речной, овражно-балочный; ледниковый, морской, озерный, карстовый и т.д.