2020-01-15
236
В рассматриваемый период были достигнуты результаты в других областях наук геологического цикла. В геофизике это выразилось в завершении создания общей модели оболочечного строения Земли по сейсмическим данным, основы которой (кора – мантия – ядро) были намечены Э. Вихертом еще в 1897 г.
Этому способствовало установление хорватским геофизиком А. Мохоровичичем (1857-1936) в 1909 г. границы между корой и мантией, которая затем получила его имя; границы мантии и ядра в 1914 г. немецким (впоследствии американским) геофизиком Б. Гутенбергом (1889-1960); границы внешнего и внутреннего ядра датским сейсмологом Инге Леманн в 1936 г. Австралийским ученым К. Булленом в 1959 г. была предложена общая модель строения Земли. Химический состав этих оболочек был впервые правильно намечен Э. Зюссом в 1909 г..
В последующем были предложены и другие модели химической зональности Земли – норвежского геохимика В. М. Гольдшмидта, американского петрографа Г. Вашингтона, использовавшего аналогию с метеоритами разного состава, А. Е. Ферсмана, В. И. Вернадского и др. Крупнейшим русским сейсмологом Б. Б. Голицыным в 1912 г. было намечено существование в мантии на глубинах 106-232 км особого пластичного слоя – источника магмы, а в 1914 г. американский геолог Дж. Баррел предсказал наличие под корой (литосферой) слоя пониженной вязкости, который он назвал астеносферой.
Гипотеза Баррела получила сейсмологическое подтверждение лишь в 50-е годы (Б. Гутенберг), и с тех пор понятия литосферы и астеносферы прочно укрепились в литературе и были использованы в построениях мобилистов. Стал успешно применяться разработанный Г. А. Гамбурцевым (1903- 1955) на основе разведочного корреляционного метода преломленных волн ме- 71 тод глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ). Сама разведочная геофизика переживала период быстрого развития, особенно в области сейсмометрии и электрометрии, причем большое значение имело изобретение электрического каротажа скважин (французский геофизик К. Шлюмберже), по образцу которого затем появились и другие методы каротажа (гамма, нейтронный и др.). Подлинная революция произошла в начале XX в. в минералогии в связи с открытием рентгеновских лучей (1895) и явления их дифракции в кристаллах (1912, предсказанного ранее М. Лауэ).
Последнее открытие явилось основой для разработки У. Г. и У. Л. Брэггами метода рентгеноструктурного анализа. В минералогии начался поистине героический период, период кристаллохимии минералов или «структурной минералогии», как ее определил Н. В. Белов (1891-1982).
Применение рентгеноструктурного анализа подтвердило реальность теоретически выведенных ранее Е. С. Фёдоровым и А. М. Шёнфлисом 230 пространственных групп симметрии. Оно позволило В. М. Гольдшмидту (1937) сформулировать основной закон кристаллохимии. Благодаря рентгеноструктурному и термическому анализам, а затем применению электронного микроскопа, к 50-м годам удалось расшифровать строение наиболее трудно поддававшихся изучению и вместе с тем чрезвычайно широко распространенных в природе глинистых минералов. Была предложена их рациональная классификация (американский ученый Р. Гримм, 1953).
К первой половине XX в. относится и зарождение новой науки – геохимии, которая заняла одно из основных мест среди наук о твердой Земле. Предпосылками возникновения геохимии были открытие Д. И. Менделеевым периодического закона распределения химических элементов (1869), появление модели строения атома Бора-Резерфорда (1908), введение в практику спектрального анализа, предложенного еще в 1859 г. Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном.
Данные о химическом составе горных пород и минералов начали накапливаться уже со второй четверти XIX в., а термин «геохимия» был предложен еще в 1838 г. швейцарским химиком Шёнбейном. Это третий случай в истории наших наук, когда предложение нового термина намного опередило создание самой научной дисциплины. Два других случая касаются гидрогеологии (термин предложен Ж. Б. Ламарком в 1802 г.) и геотектоники (К. Науман, 1860). В. И. Вернадский широко сформулировал предмет геохимии и положил начало его разработке. Но первые лекции по геохимии были прочитаны в Москве еще в 1912 г. учеником и сподвижником В. И. Вернадского, А. Е. Ферсма- 72 ном, которого также справедливо считают одним из основоположников этой науки; ему принадлежит капитальный четырехтомный труд «Геохимия» (1932- 1939).
В особое направление выделилась в 20-30-е годы и получила впоследствии широкое развитие геохимия процессов гипергенеза в связи с образованием кор выветривания и литогенеза – в связи с образованием осадочных полезных ископаемых. Важные успехи были достигнуты в России (Б. Б. Полынов, И. И. Гинзбург – коры выветривания, А. В. Казаков – фосфориты, Г. И. Бушинский – бокситы, Н. М. Страхов – железные руды и др.), а также в США (В. Крунбейн, Р. Гаррелс). Развивалась также гидрогеохимия – геохимия природных, в особенности подземных вод.
Позднее это направление разделилось на несколько самостоятельных – геохимия пластовых вод нефтяных месторождений, геохимия минеральных вод и др. Среди геохимических проблем, особо привлекавших внимание Вернадского, была проблема геохимической и геологической роли живого вещества, т.е. биогеохимия. Другая наука о веществе твердой Земли – петрография – развивалась в рассматриваемый период не столь быстрыми темпами, как минералогия и геохимия.
Главным событием начала века в этой области можно считать обособление в отдельную ветвь учения о метаморфизме горных пород, у истоков которого стояли американский ученый Ч. Ван-Хайз и русско-литовский ученый и революционер – узник Шлиссельбургской крепости И. Д. Лукашевич, указавшие на место метаморфизма среди процессов эволюции земной коры. Далее последовало разграничение типов метаморфизма и разработка схем его глубинной зональности с выделением минеральных фаций.
Ряд видных специалистов, начиная с финского геолога Я. Седерхольма (1931) и особенно после работ французов М. Рубо и Р. Перрена (1937), стали высказываться в пользу образования гранитов за счет осадочных пород без переплавления последних, а под воздействием диффузии ионов и флюидов. Эта концепция получила название «трансформизма» и нашла некоторую поддержку и в России. Изучение осадочных пород в первой четверти XX в. еще не носило систематического характера.
Положение начало меняться в 30-е годы, когда петрография осадочных пород оформилась в самостоятельную дисциплину, к концу периода окончательно отделившись от петрографии магматической и метамор- 73 фической и превратившись в особую науку – литологию. Начавшееся с этого времени быстрое развитие литологии и седиментологии стимулировалось практическими запросами нефтегазовой и угольной геологии и геологии других осадочных полезных ископаемых. Литология быстро превращалась из чисто описательной науки в учение о происхождении осадочных пород. Кроме Л. В. Пустовалова и Н. М. Страхова с крупными обобщениями в области литологии выступили в эти годы в России Л. Б. Рухин и Г. И. Теодорович.
В 40-е годы в России на стыке литологии, тектоники и учения об осадочных полезных ископаемых зародилось и стало быстро развиваться новое направление – учение о геологических формациях, прежде всего осадочных.
Палеогеография также относится к числу наук геологического цикла, приобретших самостоятельность в первой половине XX в. Стратиграфия в первой половине XX в. оставалась еще почти исключительно биостратиграфией. Однако с открытием радиоактивности возникла, наконец, перспектива определения абсолютного возраста горных пород, причем не только осадочных.
Развитие стало очевидным Э. Резерфорду в 1904 г., а уже в 1905-1907 гг. англичанин Б. Болтвуд предложил уран-свинцовый метод датирования пород. В 1908-1910 гг. другой британец Стратт обосновал и попытался практически применить другой метод – гелиевый. Но решающие шаги в развитии радиогеохронометрии были сделаны шотландцем А. Холмсом, начиная с 1911-1913 гг., и американцем Дж. Баррелом в 1917 г. Оформляются в качестве самостоятельных дисциплин микропалеонтология и палинология; их развитие стимулировалось практическими потребностями нефтегазовой и угольной геологии.
В большей мере это относится к геологии нефти и газа, это стало возможным благодаря неуклонному расширению географии нефтегазодобывающих стран и регионов и открытию новых типов залежей углеводородов. Уже к началу XX в. было установлено региональное (зональное) распространение нефтяных месторождений, которые никогда не встречаются в одиночку. Было выяснено также, что залежи нефти обычно подчинены определенным структурным формам залегания пластов и приурочены прежде всего к сводам антиклинальных складок.
Существовало мнение, что зоны распространения нефтяных месторождений обычно окаймляют молодые горные сооружения их погружения; в нашей стране до 40-х годов это были нефтедобывающие районы Кавказа и Средней Азии. Однако, начиная с 20-х годов, стала выясняться ограниченность этих представлений. Были выявлены ли- 74 тологические и стратиграфические залежи нефти, подчиненные изменениям литологического состава и зонам выклинивания пористых пластов-коллекторов и поверхностям углового несогласия.
Выяснилось также, что коллекторами нефти могут быть не только пески и песчаники, но известняки и глинистые породы, если они обладают трещиноватостью или кавернозностью (карбонаты). Началось освоение нефтегазоносных платформенных территорий, на которых поверхностные проявления нефти и газа очень редки или даже отсутствуют. В 40-50-е годы И. О. Брод, В. В. Вебер, В. Е. Хаин в СССР, Л. Г. Уикс в США пришли к выводу, что нефтяные месторождения концентрируются в пределах областей глубокого погружения и накопления мощных осадочных толщ – осадочных бассейнов.
С этого началось развитие учения о нефтегазоносных осадочных бассейнах. Классификация таких бассейнов стала строиться на тектонической основе. Большой интерес продолжала вызывать к себе проблема происхождения нефти. Долгое время конкурировали две гипотезы – биогенного (органического) и абиогенного (неорганического) происхождения. Первоначально сторонники биогенного происхождения спорили о том, за счет какого источника органического вещества образовалась нефть – растительного или животного
. Был сделан вывод об образовании нефти уже в процессе диагенеза осадков, причем в водоемах самого различного типа – от пресноводных до океанских. В дальнейшем, однако, выяснилось, что главная фаза нефтеобразования наступает много позже, при погружении осадков на значительную глубину, не менее 2 км, и достижении ими температуры порядка 100°. Была разработана стройная схема вертикальной зональности нефтегазообразования в осадочных бассейнах, увязанная с преобразованием глинистых-основных нефтематеринских пород в процессе диагенеза и катагенеза, но это произошло уже в 60-е годы, на следующем этапе развития геологических наук.
В геологии угольных месторождений дальнейшие успехи в классификации углей в зависимости не только от их происхождения, но и от степени преобразования были связаны с началом углепетрографических исследований, пионерами которых были М. Стопс в Англии (1919) и М. Д. Залесский (1877- 1946), а затем Ю. А. Жемчужников (1885-1957) в России. В 30-е годы внимание русских геологов-угольщиков стали привлекать закономерности распределения месторождений углей по площади и возрасту.
Были выделены угленосные бассейны, пояса и узлы угленакопления. Стала 75 разрабатываться, преимущественно на тектонической основе, классификация угленосных бассейнов и формаций. Геология рудных месторождений уже сформировалась как отрасль геологических знаний.
Эмпирические закономерности распределения рудных месторождений вокруг интрузивных массивов, прежде всего батолитов, и теоретические рассуждения о дифференциации рудных растворов в связи с понижением температуры и давления по мере уменьшения глубины, привели к концепции зонального распределения металлов в зависимости от глубины и температуры (Д. Спёрр, В. Эммонс, 1924-1936). С альтернативными представлениями о пульсационной зональности, связанной с прерывистым поступлением гидротермальных растворов, выступил русский геолог С. С. Смирнов. В России стали развиваться представления о заимствовании гранитами металлов из осадочных пород, в частности при их предполагаемой гранитизации.
В 40-е годы все более активный характер приобретает обсуждение общих вопросов металлогении, а классификации месторождений увязываются с господствующими тектоническими воззрениями. Общей в их построениях была идея о закономерной смене типов рудных месторождений в зависимости от смены стадий развития геосинклиналей. В области гидрогеологии развитие шло по нескольким направлениям. Одним из них являлось совершенствование представлений о динамике подземных вод, выразившееся в разработке методики прогнозирования их ресурсов и изменения режима при гидротехническом строительстве, ирригации и др. Другое направление – дальнейшая разработка и практическое приложение учения о зональности грунтовых вод, основы которого были заложены В. В. Докучаевым в самом конце XIX в.
В этих исследованиях, проводившихся в СССР, активную роль играли П. В. Отоцкий, В. С. Ильин (1883-1930), О. К. Ланге (1883-1975), Н. И. Толстихин. В 30-е годы обозначилось еще одно важное направление – проблема вертикальной гидрохимической и гидродинамической зональности, ставшая предметом острой дискуссии. В 30-е и 40-е годы на первый план выдвинулось изучение артезианских бассейнов.
На предыдущем этапе господствовала концепция инфильтрационного их происхождения, в третьем десятилетии XX в. получила признание конденсационная теория русского ученого А. Ф. Лебедева (1882-1936), впервые выдвинутая им еще в 1913 г. В эти же годы сформировалось высказанное также в начале 76 века представление о погребенных морских водах и водах, освобождающихся при выжимании их из осадков под массой вышележащих отложений. Инженерная геология развивалась в первой половине XX в. по двум существенно различным направлениям, заложенным уже в самом ее названии, - в геологическом и геотехническом.
В связи с большим объемом гидротехнического строительства и ирригационных работ в Советском Союзе появилась необходимость в составлении специальных инженерно-геологических карт обширных территорий и была выработана методика такого картирования. В 1925-1930 гг. от инженерной геологии отпочковалась новая наука – мерзлотоведение, или геокриология. Произошло это не случайно в нашей стране, так как на ее долю приходится половина общей площади распространения вечной мерзлоты в Северном полушарии. Остальная площадь принадлежит Канаде и США (Аляска). Необходимость постановки научных исследований в этом направлении вытекала из нужд строительства в зоне вечной мерзлоты городов и различных сооружений, с каждым годом приобретавшего все больший размах. Основоположником геокриологии был М. И. Сумгин (1873-1942), поддержанный В. А. Обручевым.
Создание основы для рациональной организации строительства на вечномерзлых грунтах потребовало постановки региональных исследований, с одной стороны, и лабораторного изучения физико-химических свойств промерзающих и мерзлых пород – с другой.
Т.о., критическим периодом этот временной отрезок был лишь в том
смысле, что в этот период геология на время лишилась единой, дающей общее объяснение всем геологическим процессам парадигмы. Однако в это же время были посеяны зерна новых представлений – дрейф континентов, подкоровые конвективные течения, глубинная дифференциация вещества Земли, которым суждено было дать мощные всходы на следующем этапе развития геологических наук. Существенно окрепла геофизика, завершившая разработку модели оболочечного строения Земли. Геохимия делала успехи, заняв место «третьей сестры» в науках о Земле, рядом с геологией и геофизикой. Такое успешное развитие геофизики и геохимии было непосредственно связано с великими открытиями в физике и химии, как и «второе рождение» минералогии, этой древнейшей из наук о Земле. Возникли новые науки – литология, палеогеография,геокриология, а в других науках геологического цикла обозначались новыеперспективные направления. Геологические исследования определённой территории начинаются с изучения и сопоставления горных пород, наблюдаемых на поверхности Земли в различных естественных обнажениях, а также в искусственных выработках (шурфах, карьерах, шахтах и др.), таким образом проводятся полевые исследования. Породы изучаются как в их природном залегании, так и путём отбора образцов, подвергаемых затем лабораторному исследованию.
Обязательным элементом полевых работ геолога является геологическая съёмка, сопровождаемая составлением геологической карты и геологических профилей. На карте изображается распространение горных пород, указывается их генезис и возраст, а по мере надобности также состав пород и характер их залегания. Геологические профили отражают взаимное расположение слоев горных пород по вертикали на мысленно проведённых разрезах. Геологические карты и профили служат одним из основных документов, на основании которых делаются эмпирические обобщения и выводы, обосновываются поиски и разведка полезных ископаемых, оцениваются условия при возведении инженерных сооружений.
Методы непосредственного изучения недр не дают возможности познать строение Земли глубже, чем на несколько км (иногда до 20) от её поверхности. Поэтому даже для изучения земной коры, а тем более нижележащих геосфер, геология не обходится без помощи косвенных методов, разработанных другими науками, особенно без геохимических и геофизических методов. Очень часто применяется комплекс геологических, геофизических и геохимических методов.
