Тема 1. 1. Состав, строение и тектонические движения литосферы

1. Литосфера и её химический состав.

Начиная с XIX века, бурное развитие получила геохимия – наука о химическом составе Земли, распространённости в ней химических элементов. Верхняя часть литосферы, более доступная для непосредственных исследований, изучена лучше по сравнению с её глубинными слоями.

Изучение горных пород, отобранных на земной поверхности, при бурении скважин и продуктов извержения вулканов, выброшенных на земную поверхность из глубин, недоступных непосредственным исследованиям, а также результаты геофизических исследований позволили определить химический состав литосферы.

Литосфера – это твёрдая оболочка Земли. Почти половину массы литосферы составляет кислород (47%). Широко распространён и кремний (29,5%). На долю только этих двух элементов, приходится  более  ¾ массы литосферы.  Ещё  шесть  элементов – алюминий, железо, кальций, калий, натрий и магний составляют от 8 до 1%. Все вместе эти восемь элементов образуют 99% литосферы. Остальные 84 элемента таблицы Менделеева составляют только 1% литосферы вместе взятые.

Кроме вышеперечисленных, лишь водород, титан, углерод, хлор и фосфор встречаются в количествах, составляющих десятые доли процента, а содержание остальных химических элементов выражается ничтожно малыми долями процентов. Например, золота в литосфере содержится всего 0,00000043%.

Из всего этого следует, что химические элементы в литосфере распределены крайне неравномерно. Местами их концентрация увеличивается в тысячи раз и более. Такие участки называются месторождениями полезных ископаемых.

2. Типы земной коры.

Литосфера состоит из двух слоёв: верхнего – земной коры и нижнего – субстрата. Так как все доступные нам процессы рельефообразования происходят в верхнем её слое, то понятия «литосфера» и «земная кора» часто отождествляются.

Земная кора, сформированная в процессе длительного развития планеты, имеет сложное строение. По данным её геофизического исследования, в частности глубинного сейсмического зондирования было выявлено, что земная кора под материками и океаническими впадинами имеет неодинаковое строение, что дало основание её классификации по двум типам.

Выделяют континентальный и океанический типы земной коры.   Континентальная земная кора размещается в пределах материков и шельфа Мирового океана и имеет мощность от 15 до 70 км.  Она  состоит  из  трёх  слоёв:  верхнего   осадочного,    промежуточного  гранитного и нижнего базальтового. Океаническая земная кора размещается под дном Мирового океана и имеет мощность от 5 до 12 км. Она состоит из двух слоёв – осадочного и базальтового. 

Неоднородность строения литосферы, сложившаяся в результате её развития на протяжении миллионов и миллиардов лет, обусловила формирование в её пределах различных структурных элементов. Они обладают неодинаковой степенью подвижности, отличаются свойственным им геологическим строением, рельефом и протеканием природных процессов.

Крупнейшими тектоническими элементами литосферы считаются геосинклинали, платформы, краевые прогибы, срединно-океанические хребты, островные дуги и желоба. Эти элементы не являются постоянными и по мере своего развития подвергаются существенным изменениям.

Геосинклинали представляют собой линейно вытянутые участки земной коры, характеризующиеся значительной подвижностью и обычно большой мощностью осадочных горных пород. Так как вертикальные тектонические движения здесь имеют большую скорость и амплитуду, то в пределах геосинклиналей горные породы раздробляются на отдельные блоки, а также сминаются в складки, что способствует образованию различных горных систем, крупнейшими из которых являются: Гималаи, Анды и Кордильеры.

Платформы, в отличие от геосинклиналей, обладают наибольшей устойчивостью. Они территориально компактны, мощная земная кора с прочным кристаллическим фундаментом обеспечивают платформам относительную тектоническую стабильность, поэтому тектонические движения здесь медленные с малой амплитудой. К крупнейшим платформам относятся: Восточно-Европейская, Сибирская, Китайская, Индийская, Австралийская, Африканская, Антарктическая и Северо-Американская.

В поздний период развития геосинклиналей на их границах с платформами возникают крупные понижения земной коры – краевые прогибы, которые заполняются огромными толщами осадочных пород, что способствует образованию в них различных месторождений полезных ископаемых.

  Ложе океанов осложняется срединно-океаническими хребтами, крупнейшими из которых являются: Северо-Атлантический, Южно-Атлантический, Аравийско-Индийский, Восточно-Индийский, Восточно-Тихоокеанское поднятие и др. Они  образуют единую систему подводных горных поднятий, образующихся на месте глубинных разломов земной коры. Если вершины срединно-океанических хребтов будут выступать над поверхностью океана, то образуются островные дуги, которые отделяют окраинные моря от акватории океанов, как, например, Курильские, Алеутские, Антильские острова. Рядом с островными дугами обычно находятся желоба – прогибы земной коры, в которых размещаются наиболее глубокие впадины Мирового океана: Марианский, Алеутский, Курило-Камчатский, Чилийский и др.

3. Эндогенные и экзогенные процессы.

Земная поверхность находится под постоянным воздействием колебания температуры, ветров, атмосферных осадков, наземных и подземных вод, жизнедеятельности организмов и других факторов. В результате этого воздействия она непрерывно изменяется, хотя и очень медленно, в течение многих тысячелетий и миллионов лет. За это время медленно происходящие процессы привели к весьма крупным и разительным изменениям земной поверхности и частично во внутреннем строении. В результате всего этого поверхность Земли приобрела сложный рельеф, который сформировался под воздействием внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных)сил (процессов).

Эндогенные процессы протекают внутри Земли, и обусловлены её внутренней энергией. Тепло, образующееся в недрах Земли, устремляется к литосфере, что приводит к вертикальным и горизонтальным тектоническим движениямземной коры, которая деформируется с образованием складок и разломов. Если разломы достигают очагов магматизма, то по ним в земную кору и на её поверхность устремляется магма. К эндогенным процессам относится вулканизм и тектонические движения (в т. ч. землетрясения), создающие неровности рельефа земной поверхности.

Экзогенные процессы протекают на поверхности Земли и на незначительной глубине в земной коре и обусловлены солнечной энергией и силой тяжести. К экзогенным процессам относятся деятельность поверхностных и подземных вод, вод Мирового океана, льда, ветра, растений, животных и человека, которые разрушают и выравнивают рельеф земной поверхности.

Эндогенные и экзогенные процессы протекают на земной поверхности повсеместно и одновременно. В зависимости от конкретных природных условий ведущую роль играют то одни, то другие. Если более интенсивно проявляются эндогенные процессы, то происходит образование горных хребтов, глубоких впадин и других крупных неровностей рельефа, увеличивается амплитуда высот земной поверхности. При большей интенсивности экзогенных процессов, ведущих к разрушению крупных форм рельефа и сноса продуктов разрушения в понижения, наблюдается выравнивание рельефа, снижение абсолютных и относительных высот земной поверхности.

Согласно приблизительным вычислениям в результате процессов разрушения земная поверхность понижается в среднем на 8 см за тысячу лет. Поэтому если бы не было её поднятий, то земная поверхность выравнилась бы за 13 млн. лет.

4. Виды тектонических движений.

Эндогенные процессы обусловливают различные виды тектонических движений и связанные с ними деформации земной коры. Они являются причинами землетрясений, вулканизма, лежат в основе дифференциации вещества в недрах Земли и формирования различных типов земной коры. В совокупности эндогенные процессы не только способствуют возникновению разнообразных по строению и размерам форм рельефа, но во многих случаях контролируют как характер, так и интенсивность деятельности экзогенных процессов. Всё это определяет исключительно важную роль эндогенных процессов в рельефообразовании на поверхности Земли.

Выделяют следующие основные виды тектонических движений. Эндогенные процессы обусловливают различные виды тектонических движений и связанные с ними деформации земной коры. Они являются причинами землетрясений, вулканизма, лежат в основе дифференциации вещества в недрах Земли и формирования различных типов земной коры. В совокупности эндогенные процессы не только способствуют возникновению разнообразных по строению и размерам форм рельефа, но во многих случаях контролируют как характер, так и интенсивность деятельности экзогенных процессов. Всё это определяет исключительно важную роль эндогенных процессов в рельефообразовании на поверхности Земли.

Выделяют следующие основные виды тектонических движений:

Вековые тектонические движения литосферы происходят непрерывно и повсеместно в виде медленных колебательных движений.

Сейсмические тектонические движения литосферы связаны с землетрясениями и отличаются высокой скоростью.

Тангенциальные тектонические движения литосферы приводят к горизонтальному перемещению отдельных её участков.

Радиальные тектонические движения литосферы приводят к вертикальному перемещению отдельных её участков.

Орогенические тектонические движения литосферы приводят к горообразованию, сопровождаются складчатостью и разломами литосферы, сильными землетрясениями.

Эпейрогенические тектонические движения литосферы являются медленными, плавными перемещениями литосферы по вертикали, не приводящими к горообразованию.

Тектонические движения могут происходить как самостоятельно, так и во взаимосвязи друг с другом, и проявляются не только в перемещении крупных блоков земной коры в вертикальном или горизонтальном направлениях, но и в образовании складчатых и разрывных нарушений разного масштаба. Горизонтальные перемещения литосферных плит навстречу друг с другом приводят к их сталкиванию между собой, к надвиганию одних плит на другие. Все эти процессы сопровождаются образованием глубоководных желобов и окаймляющих их островных дуг, грандиозных горных сооружений. В результате различные виды тектонических движений и обусловленные ими деформации земной коры находят прямое или опосредованное отражение в рельефе.

 

5. Землетрясения и их типы по происхождению.

Подобно другим эндогенным факторам, землетрясения имеют заметное рельефообразующее значение. Геоморфологическая роль землетрясений выражается в образовании трещин, в смещении блоков земной коры по трещинам в вертикальном и горизонтальном направлениях, а иногда и в складчатых деформациях. При землетрясениях в результате сильных подземных толчков на крутых склонах гор, берегах рек и морей возникают и активизируются обвалы, осыпи и оползни. Так, во время землетрясения в Таджикистане в горах Памира произошёл грандиозный обвал. Обвалившаяся масса перегородила долину реки Мургаб, образовав плотину шириной более 5 км и высотой до 600 м.

Также при землетрясениях одни части суши могут уходить под воду, а участки дна могут подниматься над уровнем воды. Так, при землетрясении в Португалии набережная города Лиссабона мгновенно ушла под воду и на её месте образовался залив глубиной 200 м. А при землетрясении в Японии одна часть залива Сагами (к югу от Токио) площадью около 150 км² быстро поднялась до 250 м, а другая опустилась до 200 м.

Землетрясения на поверхности земного шара распределены неравномерно: в одних районах они происходят часто и достигают большой силы, в других они редки и слабы. Высокой сейсмичностью характеризуются геосинклинальные зоны, кольцом опоясывающие Тихий океан, а также линейно вытянутые от Средиземноморья до Малайского архипелага.

Землетрясения – это резкие колебательные движения земной поверхности.

По происхождению все землетрясения делятся на четыре типа:

Тектонические землетрясения наиболее сильны и часты. Основной их причиной являются тектонические движения литосферы под действием внутренней энергии Земли. Они ощущаются на огромной территории и могут приводить к большим разрушениям.

Тектонические землетрясения приводят к катастрофическим разрушениям многих городов и целых районов, многочисленным жертвам среди населения. Так в 1908 году землетрясение разрушило в Италии город Мессину и прилегающие населённые пункты, погибли почти 150 тыс. человек. Такое же население с таким же количеством жертв произошло в 1923 году в Японии, которое превратило Токио и Иокогаму в руины.

Определённую рельефообразующую роль играют и тектонические землетрясения, очаги которых располагаются на дне морей и океанов, которые носят название моретрясений. Они часто вызывают образование гигантских волн. При быстром опускании участков дна, вода устремляется в понижение, а затем в результате мощного толчка выплёскивается на поверхность, образуя выпуклость. Возникшее возмущение переходит в колебательное движение воды – волны цунами. Цунами образуются также при резком поднятии дна в эпицентре моретрясения и при подводном извержении вулканов.

Длина волны цунами бывает от нескольких километров до 1 500 км. Высота её в месте образования колеблется в пределах от 0,01 до 5 м. Она со скоростью 50 – 100 км в час устремляется в разные стороны от эпицентра моретрясения. Приближаясь к берегам, цунами своим основанием притормаживается о дно, опрокидывается в сторону берега, а высота её многократно возрастает. В узких заливах высота цунами возрастает до 50 и более метров. За несколько минут до прихода цунами наблюдаются понижение уровня моря, отлив воды от берега. Затем на берег накатывается цунами, вызывая катастрофические разрушения и гибель людей.

Вулканические землетрясения наблюдаются в районах активного внедрения магмы в земную

кору и извержения её на поверхность.  Они могут быть продолжительными по времени, но ощутимы

лишь в непосредственной близости от вулканов.

Денудационные землетрясения возникают в результате обвалов больших масс пород в горах с большой высоты. Они кратковременны и ощущаются только вблизи падения масс горных пород.

Искусственные землетрясения вызываются факторами, связанными с проходкой тоннелей и испытаниями ядерного оружия. Они кратковременны и ощущаются только вблизи мест взрывов.

Пространство, в пределах которого произошёл разрыв вещества и его смещение, называется очагом землетрясения, а его центр – гипоцентром землетрясения. Точка земной поверхности, расположенная над гипоцентром, называется эпицентром землетрясения.

На картах точки земной поверхности с одинаковой интенсивностью землетрясения соединяются плавными кривыми – изосейстами. Обычно изосейсты образуют замкнутые кривые вокруг эпицентра землетрясения.

Из очага землетрясения его энергия в виде сейсмических волн распространяется во все стороны. В эпицентре оно проявляется с наибольшей силой. С удалением от эпицентра сила землетрясения ослабевает.

Распределение эпицентров землетрясений, концентрирующихся в виде полос, послужило основанием для выделения литосферных плит и проведения границ между ними.

 

Тема 1.2. ВУЛКАНИЗМ

1. Вулканизм, магма и её типы.

Вулканизм представляет собой важнейший геологический процесс, без участия которого не формировалась ни одна область на Земле – будь то суша или дно океана, платформа или геосинклиналь. С вулканизмом связаны образование различных минералов и горных пород, их переплавление в другие породы. На протяжении всей истории Земли магматизм и вулканизм были важнейшими факторами формирования литосферы, рельефа земной поверхности и географической оболочки в целом. Вулканизм и магматизм определяются процессами выплавления магмы, её перемещением в мантии и литосфере, взаимодействием с окружающими породами, постепенным изменением свойств магмы и её застыванием.

Вулканизм – это внедрение магмы в литосферу и её излияние на поверхность в виде лавы.

Процессы вулканизма во многом зависят от магмы – расплавленной массы, образующейся в мантии  Земли.  В  её  составе  преобладают  оксиды кремния,  по содержанию которых выделяют два

типа магмы: основную и кислую.

Основная магма содержит до 55% оксида кремния, отличается пониженной вязкостью, легко проникает по трещинам и изливается на земную поверхность в виде лавы.

Кислая магма содержит до 78% оксида кремния, отличается повышенной вязкостью и при извержении вулканов с трудом достигает поверхности или же застывает, не доходя до неё.

Извержения вулканов – грозное явление природы. Они могут продолжаться от нескольких часов до многих десятилетий. Энергия вулканических взрывов эквивалентна мощности взрывов ядерных зарядов в сотни мегатонн. Извержениям вулканов предшествуют землетрясения, подземный гул, изменение магнитных и электрических полей. Извержение обычно начинается усиленным выделением паров воды и газов. На различную высоту выбрасываются вулканический пепел и вулканические бомбы диаметром от нескольких сантиметров до нескольких метров. Во время извержения многих вулканов на поверхность изливается магма в виде лавы. Интенсивная деятельность вулканов чередуется с периодами относительного покоя.

 

2. Типы вулканизма.

Магматизм играет важную и весьма разнообразную роль в рельефообразовании. Это относится к интрузивному и эффузивному вулканизму.

Интрузивный вулканизм характерен внедрением магмы в литосферу, и если магма не может преодолеть сопротивлениевышележащих горных пород, то она медленно застывает, не доходя до поверхности.

Эффузивный вулканизм проявляется в виде излияний лавы, выброса твёрдого вещества, паров воды и газов на земную поверхность. Он обычно сопровождается образованием вулканов – конусообразных гор, сложенных продуктами извержения и расположенных над отверстием или трещиной в литосфере, через которые магма выбрасывается на земную поверхность.

Вулканы, периодически извергающие лаву и выделяющие пары и газы – называются действующими; вулканы, деятельность которых прекратилась давно, но их сохранившаяся форма и внутреннее геологическое строение может привести к возобновлению их деятельности – называются уснувшими; а сильно разрушенные вулканы, у которых внутреннее геологическое строение изменилось настолько, что невозможно возобновление их активной деятельности –  называются потухшими.

На Земле в настоящее время известно около 600 наземных и свыше 60 подводных действующих вулканов с различной степенью активности, а количество потухших и уснувших вулканов составляет около 5 000. Периодически возникают новые вулканы. Так в Мексике в 1943 году начал действовать вулкан Парикутин прямо на огороде крестьянина, который в это время занимался обработкой земли. Он за несколько лет достиг высоты более 400 м и продолжает расти по сей день.

В размещении вулканов на поверхности Земли отмечается определённая закономерность. Большая часть приурочена к побережьям морей и океанов или к цепям островов. Только в Африке вулканы встречаются в центральных частях материка, а в Австралии они вовсе отсутствуют. Основная масса вулканов располагается на побережье и островах Тихого океана, образуя тихоокеанский вулканический пояс (60% всех действующих вулканов). Средиземноморско-Индонезийский вулканический пояс опоясывает земной шар в областях, близких к экватору, а Атлантический вулканический пояс характеризуется тем, что он приурочен к центральным частям Атлантического океана, причём все действующие вулканы здесь располагаются на островах и на дне океана.

Большинство вулканов располагается в областях наиболее активного проявления тектонических сил, где наблюдаются энергичные движения земной коры и связанные с ними землетрясения, а также молодые процессы горообразования. Это объясняется тем, что там, где тектонические процессы наиболее активны, магма проникает в глубинные трещины и разломы земной коры, расширяет и раздвигает их, проделывает каналы и по ним изливается на земную поверхность.

3. Типы вулканов по виду каналов и характеру извержения.

В зависимости от вида каналов, по которым происходит извержение, вулканы подразделяют на центральные – когда продукты извержения выбрасываются на поверхность через округлые каналы, над которыми формируются конусы вулканов, и трещинные – размещающиеся над тектоническими разломами литосферы, по которым лава, излившись по трещине на поверхность, растекается по обе стороны, образуя вытянутое поднятие, над которым формируются конусы.

По характеру извержения вулканы подразделяются на четыре типа:

Гавайские – отличаются спокойным ходом извержения жидкой лавы, которая далеко растекаясь, формирует широкие и низкие конусы.

Стромболианские – имеют смешанный характер извержения, когда периоды спокойного излияния жидкой лавы чередуются с выбросом твёрдого материала, формируя тем самым конусы значительной крутизны.

Купольные – образуются при извержении очень вязкой магмы, которая медленно выдавливается из канала вулкана и тут же застывает, формируя очень крутые конусы.

Газо-взрывные – в них главную роль играют газообразные вещества, которые скапливаются в канале вулкана, и если он к тому же сверху закупорен, то происходит мощный взрыв, который частично или полностью уничтожает конус вулкана.

Так, газо-взрывное разрушение произошло в пределах Зондских островов при взрыве вулкана Кракатау в 1883 году, когда в атмосферу на высоту до 70 км было выброшено свыше 20 км³ твёрдого материала, который более 2-х лет выпадал на всей планете. Грохот от взорвавшегося вулкана был слышен на расстоянии 300 км от него, а многие люди, находящиеся на расстоянии до 40 км от него – оглохли навсегда.

4. Поствулканические явления.

Между периодами активной деятельности вулканов явления вулканизма продолжаются в особых формах и носят название поствулканических явлений, характеризующихся выделением паров, газов и горячих вод, без проявления магматизма.

В начале поствулканической стадии на склонах вулкана и на остывающем лавовом потоке выделяются на поверхность по трещинам струи сильно нагретого газа – фумаролы, с температурой 300 - 500°С. При дальнейшем ослаблении вулканической активности образуются сольфатары – струи газов, с температурой 100 - 300°С. В последней стадии затухания вулканов характерны мофетты – струи газов, с температурой менее 100°С.

К числу поствулканических явлений относятся так же гейзеры – горячие источники, периодически выбрасывающие на поверхность фонтаны кипящей воды и столбы пара.

Образуются гейзеры следующим способом. В трещинах литосферы, где циркулирует вода, могут встречаться пустоты. В них за счёт вулканического тепла накапливается перегретый пар. Когда создаётся избыточное давление, этот пар выталкивает на поверхность вышележащий столб воды в виде фонтана. Горячая вода, проходя через толщу горных пород, сильно минерализуется. При быстром остывании воды на поверхности соли выпадают в осадок, образуя натечные образования гейзерита и других минералов причудливой формы.

Около 100 гейзеров находится в России на Камчатке, и 20 из них относятся к крупным. Самый большой из них, гейзер Великан, выбрасывает фонтан воды высотой 40 м и столб пара высотой в несколько сотен метров. Имеются гейзеры также в Исландии, Новой Зеландии, США.

Также нагретая вода может спокойно изливаться на поверхность в виде горячих источников, называемых термальными. Вода в них как правило минерализована и может нагреваться от 20 до 100˚С.

Воды гейзеров и термальных источников используются для энергетических и лечебных целей.

Так в Исландии горячие воды из зон вулканизма по системе трубопроводов поставляются в населённые пункты этой северной страны, тем самым решая проблемы отопления бесплатного источника энергии. Также используются природные бассейны этих вод для оздоровительных целей.

Учебное занятие №2