Geologia - podstawowe pojęcia i definicje, rys historyczny
Geologia to nauka o budowie i dziejach Ziemi, a zwłaszcza skorupy ziemskiej oraz o procesach geologicznych, dzięki którym ulega ona przeobrażeniom. Wyodrębnia się zazwyczaj dwa podstawowe działy geologii:
· podstawową
· stosowaną.
W skład GEOLOGII PODSTAWOWEJ wchodzą: geologia dynamiczna, geologia historyczna oraz geologia regionalna.
Geologia DYNAMICZNA - bada procesy zachodzące w skorupie ziemskiej i na jej powierzchni; jej celem jest poznanie przyczyny pewnego procesu, jego przebiegu oraz jego konsekwencji; są to zarówno procesy endogeniczne (mające źródło we wnętrzu Ziemi), jak i procesy egzogeniczne (działające na skorupę ziemską z zewnątrz); przedmiotem jej są zjawiska diastrofizmu, procesy plutonizmu, wulkanizmu i metamorfizmu – zjawiska te zostaną omówione później; odrębny dział geologii dynamicznej stanowi tektonika, która bada sposób ułożenia warstw skalnych w skorupie ziemskiej, ich deformacje i ruchy, a także zajmuje się zagadnieniem powstawania kontynentów, oceanów oraz łańcuchów górskich. Spośród czynników egzogennych, które interesują geologię dynamiczną, należy wymienić: wietrzenie, erozję, powierzchniowe ruchy masowe (denudacja) oraz sedymentację (tworzenie się osadów w zbiornikach wodnych i na lądach).
Geologia dynamiczna związana jest z fizyką skorupy ziemskiej i wnętrza Ziemi.
Geologia HISTORYCZNA - opisuje historię skorupy ziemskiej i Ziemi jako całości; podstawowym jej działem jest stratygrafia, która ustala następstwo warstw skalnych i określa ich wiek względny; osobne miejsce zajmuje paleografia, odtwarzająca zarysy dawnych lądów i mórz, przebieg łańcuchów górskich i rzek, oraz paleoklimatologia, systematyzująca usytuowanie poszczególnych stref klimatycznych w różnych okresach geologicznych.
Geologia REGIONALNA - koncentruje się na powyższych zagadnieniach w węższym, regionalnym aspekcie, wykorzystując wyniki badań w zakresie geologii historycznej i tektoniki.
GEOLOGIA STOSOWANA - przekłada wyniki badań geologii podstawowej na język praktyki: jej główne działy to hydrogeologia, geologia surowcowa (złożowa) oraz
Geologia INŻYNIERSKA, której celem jest zastosowanie geologii do potrzeb techniki, a szczególnie wydobycia kopalin użytecznych i budownictwa. W starożytności rozmaicie opisywano genezę skał tworzących powierzchnię Ziemi: jedni wyprowadzali je z wody (neptunizm), inni z ognia (plutonizm); interesowano się także minerałami (głównie ze względów praktycznych), trafnie wyjaśniając wiele zjawisk geologicznych (np. pochodzenie skamieniałości organicznych). Po okresie upadku geologii w średniowieczu nowe impulsy jej rozwojowi dał renesans (L. da Vinci, G. Agricola). W XVIII w. opracowano systematykę skał i minerałów; jednocześnie geologia (zwana geognozją) stała się przedmiotem regularnych studiów naukowych (A. Werner wprowadził stałe wykłady z dziedziny geologii na Akademii Górniczej we Freibergu); jest to okres ścierania się neptunizmu (A. Werner) i plutonizmu (J. Hutton, L. von Buch, a zwłaszcza A. von Humboldt), dzięki któremu dostrzeżono rolę działalności wulkanicznej i magmy w kształtowaniu struktury skalnej skorupy ziemskiej. Na przełlomie XVIII i XIX w. za sprawą W. Smitha rozwinęła się stratygrafia oraz metoda ustalania wieku poszczególnych warstw skorupy ziemskiej na podstawie zachowanych w nich skamieniałości; umożliwiło to rozwój paleontologii, którą rozwinął G. Cuvier; uczony ten stał na gruncie niezmienności gatunków, różnice zaś w składzie fauny kopalnej tłumaczył wielkimi kataklizmami; teoria ta była alternatywą dla koncepcji ewolucjonistycznych, reprezentowanych przez J.B. Lamarcka i Ch. Lyella, zwolennika tzw. aktualizmu geologicznego. Poglądy Lyella umożliwiły empiryczne potwierdzenie teorii ewolucjonistycznych, rozwiniętych przez K. Darwina. W pierwszej połowie XIX w. dokonano także podziału osadów paleozoicznych, mezozoicznych i kenozoicznych (m.in. G. Deshayes, R. Murchison, F. Roemer), wyróżniono utwory prekambryjskie, opracowano pierwszy zarys chronologii względnej dziejów Ziemi. W okresie tym rozwija się także tektonika (L. Beaumont, J. Dana, E. Suess, A. Heim) (zajmuje się deformacjami i mechanizmami ich powstawania); na przełomie XIX i XX w. wiele uwagi poświęcano górom fałdowym; badania Alp doprowadziły do sformułowania tzw. teorii płaszczowinowej (M. Bertrand i później M. Lugeon). Odkrycie promieniotwórczości miało w geologii dwa aspekty: z jednej strony wysunięto hipotezę, że źródłem procesów tektonicznych jest energia cieplna wyzwalana w wyniku rozpadu pierwiastków promieniotwórczych w płaszczu i skorupie ziemskiej (m.in. J. Joly, W.W. Biełousow); powoduje ona prądy w podłożu skorupy ziemskiej (A. Ampferer, R. Staub, F.A. Venning Meinesz, D. Griggs); /płaszcz i skorupa ziemska - patrz przekrój Ziemi/ .
Z drugiej strony zastosowanie matematycznego modelu opisującego procesy rozpadu pierwiastków promieniotwórczych umożliwiło ustalanie bezwzględnego wieku skał (czyli także epok i okresów geologicznych). Praktyczne zastosowanie geologii spowodowało powstawanie służb geologicznych, których celem było poszukiwanie kopalin użytecznych (1807 - w Londynie), rozpoczęto także edycję specjalistycznych periodyków; niektóre z nich ukazują się do dziś (np. "Bulletin de la Société Géologique de France" z 1830); od 1878 odbywają się międzynarodowe Kongresy Geologiczne, od 1960 koordynowane przez Międzynarodową Unię Nauk Geologicznych. Autorem pierwszego polskiego podręcznika geologicznego był ks. K. Kluk (1781-82); za ojca polskiej geologii uważa się jednak Stanisława Staszica (fundamentalna praca O ziemiorództwie Karpatów...), który założył w Kielcach Główną Szkołę Akademiczno-Górniczą; w okresie rozbiorowym wielu geologów pracowało za granicą, odnosząc przy tym wielkie sukcesy badawcze (I. Domeyko, A. Czekanowski, J. Czerski, P.E. Strzelecki); w Galicji działali m.in.: F. Kreutz, W. Szajnocha, S. Zaręczny (Kraków), R. Zuber, J. Niedźwiecki (Lwów); wielkim sukcesem było także podjęcie przez PAU wydawania Atlasu geologicznego Galicji (1885-1914) (... ciekawostka -Polska Akademia Umiejętności w 1990 r. wznowiła działalność; składa się z 6 wydziałów: Filologicznego, Historyczno-Filozoficznego, Matematyczno-Fizyczno-Chemicznego, Przyrodniczego, Lekarskiego i Twórczości Artystycznej, członkami honorowymi są Papież Jan Paweł II i J. Nowak-Jeziorański). Rozwój polskiej geologii nastąpił po 1918 roku: w 1919 utworzono państwowy Instytut Geologiczny, w 1921 - Polskie Towarzystwo Geologiczne, w 1931 - Muzeum Ziemi; badania koncentrowały się głownie na obszarze Karpat fliszowych, Tatr, Pienin, Gór Świętokrzyskich, Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Po 1945 geologia znalazła się w programach badawczych i dydaktycznych licznych szkół wyższych (głównie w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie); powołano także specjalistyczne placówki naukowe; w skład Państwowej Służby Geologicznej wchodzą Centralny Urząd Geologii i Instytut Geologiczny; prace poszukiwawcze są prowadzone na terenie całego kraju, jednak koncentrują się one głównie na obszarze Polski Płd. oraz na tzw. Niżu Polskim; ich celem jest identyfikacja i zarejestrowanie istniejących złóż kopalin użytecznych, a także złóż geotermalnych; osobne piony badawcze tworzą PAN i PAU; publikowane są także czasopisma i biuletyny geologiczne; w ostatnich latach wzrosło zainteresowanie zagranicznych inwestorów polskimi złożami kopalin i minerałów, co z jednej strony zmusza do inwentaryzacji tych złóż - z drugiej natomiast wymaga ustanowienia odpowiednich przepisów prawnych, chroniących je przed rabunkową eksploatacją.
Planeta Ziemia
Opis budowy wnętrza Ziemi
Ziemia powstawała z fragmentów materii obłoku gazowo-pyłowego, z którego około 5 miliardów lat temu rodziło się Słońce i cały Układ Słoneczny. Fragmenty te łączyły się w coraz większe kawałki, tworząc stopniowo planety. Mimo, że planety uformowały się przeszło 4,5 miliarda lat temu, do dziś spadają na Ziemię fragmenty pierwotnej materii w postaci meteorytów, zwanych chondrytycznymi. O ich pierwotności wnioskujemy zarówno z wieku ich powstawania, określonego metodami radiologicznymi, jak i z charakterystycznego, kulistego kształtu (chondrul), w którym krystalizowały. Ich głównymi składnikami są żelazo i nikiel, w postaci i proporcjach nie spotykanych w ziemskich złożach tych minerałów, dzięki czemu łatwo zidentyfikować ich pozaziemskie pochodzenie. Skoro Ziemia powstawała z takich kawałków, musi zawierać ogromne ilości tych pierwiastków. Jeśli nie ma ich dużo na powierzchni, więc jest ich dużo w głębi.
Ziemia jest najlepiej poznaną planetą Układu Słonecznego, posiada jednego naturalnego satelitę - Księżyc, który ze względu na swoje stosunkowo duże rozmiary ma istotny wpływ na panujące na Ziemi warunki (np. przypływy mórz, stabilizacja nachylenia osi ziemskiej).
Od niedawna Ziemia posiada także kilkanaście tysięcy satelitów sztucznych (pierwszy w 1957 roku).
Jest wyjątkowym ciałem niebieskim ponieważ, występująca na niej woda ma trzy stany skupienia (stały, ciekły i gazowy). Właśnie dzięki wodzie w stanie ciekłym mogło na Ziemi rozwijać się życie.
Ziemia nie jest kulą, ale jest geoidą (spłaszczoną kulą).
Średnica równikowa wynosi 12756 kilometrów, a południkowa 12714 kilometrów.
Wybrzuszenie spowodowane jest rotacją planety trwającą 23,94 godziny.
Na początku Ziemia kręciła się pięć razy szybciej niż teraz. Rotację spowalnia Księżyc, który dąży do wyrównania czasu obiegu satelity z czasem obrotu planety. Stało to się już na Plutonie.
Południowa półkula jest nieznacznie bardziej wybrzuszona niż północna. Wykryć to mogą tylko bardzo dokładne instrumenty pomiarowe. Ziemia jest największa i najbardziej masywna z wewnętrznych planet. Jakkolwiek, w porównaniu z gazowymi olbrzymami jest bardzo mała. Obwód planety wynosi 40.070 km. Gdyby można było objechać planetę dookoła samochodem, z średnią prędkością 88 km/h bez przerwy to podróż zajęła by 19 dni.
Informacje o budowie Ziemi uzyskuje się przede wszystkim pośrednio. Obserwacjom bezpośrednim dostępna jest bowiem tylko warstwa zewnętrzna. Najwięcej danych o budowie Ziemi dostarczają badania rozchodzenia się w jej wnętrzu fal sejsmicznych, a także badania ziemskiego pola magnetycznego i pola grawitacyjnego. Ponieważ prędkość fal sejsmicznych jest funkcją takich parametrów, jak gęstość, ściśliwość i sztywność ośrodka, znajomość rozkładu prędkości fal sejsmicznych we wnętrzu Ziemi umożliwia określenie zmian tych parametrów wraz ze zmianą głębokości, co z kolei pozwala na wysuwanie hipotez dotyczących budowy Ziemi. Ziemia jak już wspomniano wcześniej ma jednego naturalnego satelitę - Księżyc. Od 1957 Ziemię obiegają satelity sztuczne. Dokładne wyznaczenie masy Ziemi stanowi podstawę oceny mas ciał niebieskich, ponieważ metody astronomii pozwalają jedynie na wyznaczenie stosunków mas tych ciał do masy Ziemi. Okres obrotu Ziemi do niedawna stanowił wzorzec jednostki czasu (doba), okres ten wynosi obecnie 23 h 56 min 4,09 s i prawdopodobnie ulega wydłużeniu o ok. 1/1000 s na stulecie. Obrót Ziemi powoduje powtarzające się cykliczne zjawisko dnia i nocy, a obieg Ziemi wokół Słońca w powiązaniu z nachyleniem osi Ziemi w stosunku do ekliptyki (koło wielkie leżące na przecięciu sfery niebieskiej-pozorna sfera o nieskończonym promieniu, na której obserwator dostrzega ciała niebieskie-położenie ciał na s.n. określa się przez podanie kierunku-płaszczyzna horyzontu dzieli s.n. na połowy: górną-widoczną oraz dolną-niewidoczną a najwyższym punktem s.n. jest zenit z płaszczyzną orbity Ziemi) warunkuje występowanie pór roku. O rozkładzie na Ziemi stref klimatycznych decyduje w dużej mierze kąt nachylenia osi Ziemi do płaszczyzny ekliptyki. Budowa wnętrza Ziemi i jej atmosfery oraz zjawiska fizyczne w nich zachodzące są przedmiotem badań geofizycznych, a powłokę Ziemi i jej przestrzenne zróżnicowanie pod względem przyrody bada geografia. Inne ważniejsze nauki o Ziemi to: geodezja oraz oczywiście geologia. Zróżnicowanie temperatury na Ziemi zależy od odległości od morza i prądów morskich, ukształtowania terenu, szerokości geograficznej, prądów atmosferycznych i działalności człowieka. Najniższe temperatury notuje się na Antarktydzie, Arktyce i Syberii. Najwyższe na pustyni Sahara i w Dolinie Śmierci. Wahanie między najniższą temperaturą, a najwyższą wynoszą od -88 do 58°C. Nie jest równomiernie rozprowadzana przez wiatry tak jak na Wenus.
Wnętrze Ziemi składa się z kilku, odmiennych pod względem fizycznym i chemicznym warstw.
Litosfera jest najbardziej zewnętrzną, względnie sztywną i kruchą powłoką złożoną ze skał zbliżonych do znanych nam z powierzchni Ziemi, nawet częściowo niestopionych. Obejmuje ona skorupę oraz zewnętrzną część górnego płaszcza (tzw. warstwę perydotytową). Ulega deformacjom tektonicznym (uskoki, fałdy). Zależnie od typu skorupy rozróżniamy litosferę kontynentalną (grubszą i sztywniejszą) i oceaniczną (cieńszą, bardziej plastyczną).
Astenosfera odznacza się znacznie większą plastycznością, która zapewne jest wynikiem częściowego stopienia skał w jej obrębie. Charakteryzuje się na ogół spadkiem prędkości fal sejsmicznych. Jej górna granica występuje na różnych głębokościach (od 10 do ponad 100 km) i jest obecnie wiązana zwykle z przebiegiem izotermy 1300°C. Głębiej, czyli w wyższych temperaturach, w perydotytach pojawia się faza ciekła, dzięki czemu astenosfera osiąga plastyczność. Dolna jej granica przebiega średnio na głębokości 350 km.
Skorupa ziemska jest zewnętrzną powłoką Ziemi. Rozciąga się od nieciągłości Mohorovičicia do powierzchni Ziemi. Powierzchnia Moho znajduje się na głębokości około 50-60 km, a została odkryta przez chorwackiego geofizyka Andriję Mohorovičicia w 1910 roku. Pomiędzy powierzchnią Ziemi a powierzchnią Moho znajduje się jeszcze jedna powierzchnia nieciągłości, zwana powierzchnią Conrada. Została ona odkryta w 1925 roku. Według najnowszych badań powierzchnia ta w wielu rejonach świata nie występuje lub jest bardzo niewyraźna. Skorupa ziemska składa się z kilkunastu wielkich płyt kontynentalnych, przesuwających się powoli względem siebie, a przyczyny tych ruchów wyjaśniane są różnymi teoriami. Najpopularniejsza z nich, zwana hipotezą pasa transmisyjnego, zakłada, że przyczyną ruchu jest nacisk rodzący się w strefie tzw. szwów oceanicznych. Są to strefy graniczne pomiędzy płytami - to tutaj rodzi się nowe dno oceaniczne. Skorupa ziemska jest tam bardzo cienka i miejscami nieciągła. Przez te nieciągłości pod ogromnym ciśnieniem wydostaje się z głębi ziemi lawa bazaltowa, która krzepnąc między płytami, rozpycha je. Rozsuwające się płyty napierają na swoje sąsiadki. Tworzy się strefa kolizyjna - napierająca płyta "wpełza" pod sztywną zawalidrogę. Resztę zadania przejmuje grawitacja - płyta tonie, mięknie i w końcu roztapia się w głębszych warstwach płaszcza. Ten schemat przypomina trochę pas transmisyjny - stąd nazwa teorii.
Płaszcz ziemski sięga do głębokości 2890 km. Ciśnienie u podstawy płaszcza wynosi ok. 140 GPa. Płaszcz, w którym rozróżnia się dwie warstwy, składa się głównie z substancji bogatych w żelazo i magnez.
Płaszcz dolny, zwany też wewnętrznym zbudowany jest głównie z niklu, żelaza, krzemu i magnezu (tzw. nifesima). Średnia gęstość płaszcza wewnętrznego waha się w granicach 5,0 - 6,6 g/cm³. W płaszczu Ziemi zachodzą prawdopodobnie zjawiska związane z powolnym przemieszczaniem się w górę plastycznych mas materii pod wpływem ciepła (ruchy konwekcyjne). Płaszcz dolny jest wydzielany na podstawie wyraźnego spadku tempa wzrostu prędkości fal sejsmicznych wraz z głębokością. W jego dolnych częściach gęstość osiąga ok. 6,0 g/cm3, a temperatura 3000 C.
Płaszcz górny, zwany zewnętrznym zbudowany jest ze związków: chromu, żelaza, krzemu i magnezu (tzw. crofesima). Średnia gęstość tej sfery wynosi 4,0 g/cm³. Górna część zewnętrznego płaszcza ma od 80 do 150 km głębokości. Płaszcz ten jest warstwą o cechach plastycznych, stanowi podściółkę zapewniającą skorupie ziemskiej ruchliwość. Zachodzą w niej wszystkie procesy tektoniczne. Punkt topnienia substancji zależy od ciśnienia, jakiemu jest poddawana. Im głębiej, tym ciśnienie większe, zatem uważa się, że płaszcz dolny jest stanu stałego, a górny - stanu plastycznego (półpłynnego). Lepkość płaszcza górnego waha się między 1021, a 1024 Pa·s, w zależności od głębokości. Wobec tego płaszcz górny może pływać bardzo powoli. Płaszcz górny charakteryzuje się szybkim przyrostem prędkości fal sejsmicznych, ma gęstość 3,2-3,4 g/cm3 i jest najprawdopodobniej zbudowany z perydotytów.
Jądro składa się z bardziej gęstych substancji. W dawniejszych epokach, ok. 4,5 mld (4,5×109) lat temu, podczas formowania się planety, Ziemia stanowiła półpłynną stopioną masę. Cięższe substancje opadały w kierunku środka, podczas gdy lżejsze materiały odpływały ku powierzchni. W efekcie jądro składa się głównie z żelaza (80 %), niklu i krzemu. Inne cięższe pierwiastki, jak ołów i uran, występują zbyt rzadko, żeby przewidzieć ich dokładne rozmieszczenie oraz mają tendencję do tworzenia wiązań z lżejszymi pierwiastkami, zatem pozostają w płaszczu. Jądro podzielone jest zasadniczo na dwie części, stałe jądro wewnętrzne o promieniu ok. 1250 km i płynne jądro zewnętrzne wokół niego sięgające promienia ok. 3500 km. Przyjmuje się, że wewnętrzne jądro jest w stanie stałym i składa się głównie z żelaza z domieszką niklu. Niektórzy uważają, że jądro wewnętrzne może tworzyć żelazny monokryształ. Jądro zewnętrzne otacza jądro wewnętrzne i składa się przypuszczalnie z ciekłego żelaza zmieszanego z ciekłym niklem i śladowymi ilościami pierwiastków lekkich. Ogólnie uważa się, że konwekcja jądra zewnętrznego połączona z ruchem rotacyjnym Ziemi, wytwarza pole magnetyczne Ziemi przez proces znany jako efekt dynama. Stałe jądro wewnętrzne jest zbyt gorące aby utrzymać stałe pole magnetyczne ale prawdopodobnie działa stabilizująco na pole magnetyczne wytwarzane przez ciekłe jądro zewnętrzne.
Klasyfikacja procesów geotektonicznych
Procesy tektoniczne to procesy związane z najbliższą nam częścią Ziemi, skorupą. Spójrzmy na mapę Ziemi:
Już w XIX wieku Wegener zwrócił uwagę, że wschodnie linie brzegowe obu Ameryk niemal doskonale pasują do zachodnich wybrzeży Europy i Afryki. Jest to najbardziej rzucające się w oczy podobieństwo, zauważono ich więcej na mapie świata, co legło u podstaw domysłów, że kontynenty "podróżują". Tezę, iż Europa, Afryka i Ameryki były w przeszłości połączone i stanowiły jeden kontynent stopniowo wzmacniały kolejne dowody: Po obu stronach Atlantyku znajdowano na wybrzeżach podobny zapis geologiczny, w szczególności odnajdywano skamieniałości organizmów, które występowały wyłącznie na niewielkich, odpowiadających dopasowaniu obszarach Ameryki i Afryki bądź Europy (tzw. endemity). Nie znano jednakże mechanizmów i zjawisk odpowiedzialnych za rozdzielanie się i przemieszczania kontynentów.
Na początku XX wieku intensywnie rozwijała się sejsmologia, czyli nauka o rozchodzeniu się wstrząsów w Ziemi. Sejsmolodzy potrafią lokalizować większe wstrząsy, nawet bardzo odległe od stacji pomiarowych. Dzięki temu udało się stworzyć mapę podobną do tej, jaką pokazujemy niżej (stworzoną na podstawie ostatnich trzęsień ziemi):
Skala po prawej strony mapy określa głębokość zarejestrowanego trzęsienia.
Najgłębsze trzęsienia ziemi zdarzają się na głębokościach nawet do 900 km. Należy zwrócić uwagę, że poza silnie uprzemysłowionymi obszarami Europy i Ameryki Północnej, gdzie często zdarzają się wstrząsy związane z działalnością górniczą, kolorowe punkty na mapie rozciągają się wzdłuż linii, przy czym głębokie trzęsienia występują niemal wyłącznie wokół Pacyfiku. Te linie pozwoliły ustalić granicę płyt litosferycznych, tworzących skorupę ziemską. Pod nimi, w najwyższej warstwie górnego płaszcza, znajduje się warstwa o zwiększonej elastyczności, zwana astenosferą. Płyty unoszą się na niej niczym kry lodu na wodzie. Narastają w strefie ryftingu i zapadają się w astenosferę w strefie subdukcji.
Podział trzęsień ziemi
polhawk