Geologia -Geology

Mapa geologiczna Europy z 1875 roku, opracowana przez belgijskiego geologa André Dumonta . (Kolory wskazują na rozmieszczenie skał w różnym wieku i rodzaju na całym kontynencie, jak je wtedy nazywano).

Geologia (od starożytnej greki γῆ ( ge )  'ziemia' i -λoγία ( -logía )  'studium dyskursu') jest gałęzią nauki o Ziemi , dotyczącą zarówno ciekłej, jak i stałej Ziemi , skał , z których jest zbudowana, oraz procesy, dzięki którym zmieniają się w czasie. Geologia może również obejmować badanie stałych cech dowolnej ziemskiej planety lub naturalnego satelity , takiego jak Mars czy Księżyc . Współczesna geologia w znacznym stopniu pokrywa się ze wszystkimi innymi naukami o Ziemi, w tym hydrologią i naukami o atmosferze , i dlatego jest traktowana jako jeden z głównych aspektów zintegrowanej nauki o Ziemi i planetologii .

Widok z lotu ptaka na Grand Prismatic Spring ; Gorące źródła, Midway i Lower Geyser Basin, Park Narodowy Yellowstone

Geologia opisuje strukturę Ziemi na i pod jej powierzchnią oraz procesy, które ukształtowały tę strukturę. Dostarcza również narzędzi do określania względnego i bezwzględnego wieku skał znalezionych w danym miejscu, a także do opisu historii tych skał. Łącząc te narzędzia, geolodzy są w stanie opisać historię geologiczną Ziemi jako całości, a także zademonstrować wiek Ziemi . Geologia dostarcza podstawowych dowodów na istnienie tektoniki płyt , ewolucyjnej historii życia i przeszłych klimatów Ziemi .

Geolodzy stosują szeroką gamę metod, aby zrozumieć strukturę i ewolucję Ziemi, w tym prace terenowe , opis skał , techniki geofizyczne , analizę chemiczną , eksperymenty fizyczne i modelowanie numeryczne . W praktyce geologia jest ważna dla poszukiwania i eksploatacji minerałów i węglowodorów , oceny zasobów wodnych , zrozumienia zagrożeń naturalnych , rozwiązywania problemów środowiskowych oraz zapewniania wglądu w przeszłe zmiany klimatyczne . Geologia jest główną dyscypliną akademicką , ma kluczowe znaczenie dla inżynierii geologicznej i odgrywa ważną rolę w inżynierii geotechnicznej .

Materiały geologiczne

Większość danych geologicznych pochodzi z badań materiałów ziemskich. Meteoryty i inne pozaziemskie materiały naturalne są również badane metodami geologicznymi.

Minerały

Minerały to naturalnie występujące pierwiastki i związki o określonym jednorodnym składzie chemicznym i uporządkowanym składzie atomowym.

Każdy minerał ma inne właściwości fizyczne i istnieje wiele testów pozwalających określić każdy z nich. Próbki można badać pod kątem:

  • Połysk: Jakość światła odbitego od powierzchni minerału. Przykładami są metaliczne, perłowe, woskowe, matowe.
  • Kolor: Minerały są pogrupowane według koloru. Głównie diagnostyczne, ale zanieczyszczenia mogą zmienić kolor minerału.
  • Smuga: Wykonywana przez drapanie próbki na porcelanowej płytce. Kolor smugi może pomóc w nazwaniu minerału.
  • Twardość: Odporność minerału na zarysowania.
  • Wzór pękania: Minerał może wykazywać pęknięcie lub pęknięcie, przy czym pierwsza z nich to pęknięcie nierównych powierzchni, a drugie pęknięcie wzdłuż blisko rozmieszczonych równoległych płaszczyzn.
  • Ciężar właściwy: ciężar określonej objętości minerału.
  • Musowanie: polega na kapaniu kwasu solnego na minerał w celu sprawdzenia musowania.
  • Magnetyzm: Polega na użyciu magnesu do testowania magnetyzmu .
  • Smak: Minerały mogą mieć charakterystyczny smak, taki jak halit (który smakuje jak sól kuchenna ).

Skały

Cykl skalny pokazuje związek między skałami magmowymi , osadowymi i metamorficznymi .

Skała to dowolna naturalnie występująca stała masa lub kruszywo minerałów lub mineraloidów . Większość badań w geologii wiąże się z badaniem skał, ponieważ stanowią one podstawowy zapis większości historii geologicznej Ziemi. Istnieją trzy główne rodzaje skał: magmowe , osadowe i metamorficzne . Cykl skalny ilustruje relacje między nimi (patrz diagram).

Kiedy skała zestala się lub krystalizuje z topienia ( magma lub lawa ), jest to skała magmowa. Skała ta może ulegać wietrzeniu i erozji , a następnie ponownie osadzać się i litować w skałę osadową. Pod wpływem ciepła i ciśnienia, które zmieniają zawartość minerałów w skałę metamorficzną , powstaje charakterystyczna tkanina . Wszystkie trzy typy mogą ponownie się stopić, a kiedy to się stanie, powstaje nowa magma, z której skała magmowa może ponownie zestalić się. Materia organiczna, taka jak węgiel, bitum, ropa i gaz ziemny, jest powiązana głównie ze skałami osadowymi bogatymi w substancje organiczne.

Kwarc z Tybetu . Kwarc stanowi ponad 10% masy skorupy ziemskiej.

Aby zbadać wszystkie trzy rodzaje skał, geolodzy oceniają minerały, z których się składają, oraz ich inne właściwości fizyczne, takie jak tekstura i tkanina .

Materiał niezlityfikowany

Geolodzy badają również niezlityfikowane materiały (nazywane osadami powierzchniowymi ), które leżą nad podłożem skalnym . Badanie to jest często znane jako geologia czwartorzędu , po okresie historii geologicznej czwartorzędu, który jest najnowszym okresem geologicznym.

Magma

Magma jest pierwotnym niezlityfikowanym źródłem wszystkich skał magmowych . Aktywny przepływ stopionej skały jest dokładnie badany w wulkanologii , a petrologia magmowa ma na celu określenie historii skał magmowych od ich pierwotnego stopionego źródła do ich ostatecznej krystalizacji.

Struktura całej Ziemi

Płyty tektoniczne

Konwergencja oceaniczno-kontynentalna prowadząca do subdukcji i łuków wulkanicznych ilustruje jeden z efektów tektoniki płyt .
Główne płyty tektoniczne Ziemi

W latach sześćdziesiątych odkryto, że litosfera Ziemi , która obejmuje skorupę i sztywną, najwyższą część górnego płaszcza , jest podzielona na płyty tektoniczne, które poruszają się po plastycznie odkształcającym się, stałym górnym płaszczu, zwanym astenosferą . Teoria ta jest poparta kilkoma rodzajami obserwacji, w tym rozprzestrzenianiem się dna morskiego oraz globalnym rozkładem terenu górskiego i sejsmicznością.

Istnieje ścisłe sprzężenie między ruchem płyt na powierzchni a konwekcją płaszcza (to znaczy przenoszeniem ciepła powodowanym przez powolny ruch ciągliwej skały płaszcza). Tak więc płyty oceaniczne i przyległe prądy konwekcyjne w płaszczu zawsze poruszają się w tym samym kierunku – ponieważ litosfera oceaniczna jest w rzeczywistości sztywną górną termiczną warstwą graniczną płaszcza konwekcyjnego. To sprzężenie sztywnych płyt poruszających się po powierzchni Ziemi z płaszczem konwekcyjnym nazywa się tektoniką płyt.

Na tym schemacie opartym na tomografii sejsmicznej płyty subdukujące są oznaczone na niebiesko i brzegach kontynentalnych, a kilka granic płyt jest oznaczonych na czerwono. Niebieska plama w przekroju to płyta Farallon , która znajduje się pod Ameryką Północną. Pozostałościami tej płyty na powierzchni Ziemi są Płyta Juana de Fuca i Płyta Odkrywcy , zarówno w północno-zachodnich Stanach Zjednoczonych, jak i południowo-zachodniej Kanadzie oraz Płyta Kokosowa na zachodnim wybrzeżu Meksyku.

Rozwój tektoniki płyt dostarczył fizycznych podstaw dla wielu obserwacji stałej Ziemi. Długie liniowe regiony cech geologicznych są wyjaśnione jako granice płyt.

Na przykład:

Granice transformacji , takie jak system uskoków San Andreas , spowodowały rozległe potężne trzęsienia ziemi. Tektonika płyt dostarczyła również mechanizmu teorii dryfu kontynentów Alfreda Wegenera , zgodnie z którą kontynenty poruszają się po powierzchni Ziemi w czasie geologicznym. Stanowiły również siłę napędową deformacji skorupy ziemskiej i stanowiły nowe miejsce do obserwacji geologii strukturalnej. Siła teorii tektoniki płyt polega na zdolności połączenia wszystkich tych obserwacji w jedną teorię poruszania się litosfery nad płaszczem konwekcyjnym.

Struktura ziemi

Warstwowa struktura Ziemi . (1) rdzeń wewnętrzny; (2) rdzeń zewnętrzny; (3) dolny płaszcz; (4) górny płaszcz; (5) litosfera; (6) skorupa (część litosfery)
Struktura warstw ziemi. Typowe ścieżki fal z trzęsień ziemi, takie jak te, dały wczesnym sejsmologom wgląd w warstwową strukturę Ziemi

Postępy w sejsmologii , modelowaniu komputerowym oraz mineralogii i krystalografii w wysokich temperaturach i ciśnieniach dają wgląd w wewnętrzny skład i strukturę Ziemi.

Sejsmolodzy mogą wykorzystać czasy nadejścia fal sejsmicznych do zobrazowania wnętrza Ziemi. Wczesne postępy w tej dziedzinie wykazały istnienie płynnego jądra zewnętrznego (w którym fale poprzeczne nie mogły się rozchodzić) i gęstego stałego jądra wewnętrznego . Postępy te doprowadziły do ​​opracowania warstwowego modelu Ziemi, ze skorupą i litosferą na górze, płaszczem poniżej (oddzielonym nieciągłościami sejsmicznymi na 410 i 660 kilometrach) oraz zewnętrznym jądrem i wewnętrznym jądrem poniżej. Niedawno sejsmolodzy byli w stanie stworzyć szczegółowe obrazy prędkości fal wewnątrz Ziemi w taki sam sposób, w jaki lekarz obrazuje ciało w tomografii komputerowej. Obrazy te doprowadziły do ​​znacznie bardziej szczegółowego widoku wnętrza Ziemi i zastąpiły uproszczony model warstwowy modelem znacznie bardziej dynamicznym.

Mineralogowie byli w stanie wykorzystać dane dotyczące ciśnienia i temperatury z badań sejsmicznych i modelowania wraz z wiedzą na temat składu pierwiastkowego Ziemi, aby odtworzyć te warunki w warunkach eksperymentalnych i zmierzyć zmiany w strukturze krystalicznej. Badania te wyjaśniają zmiany chemiczne związane z głównymi nieciągłościami sejsmicznymi w płaszczu i pokazują struktury krystalograficzne oczekiwane w wewnętrznym jądrze Ziemi.

Czas geologiczny

Geologiczna skala czasu obejmuje historię Ziemi. Najwcześniej jest on ujęty w nawias dat pierwszego materiału Układu Słonecznego przy 4,567 Ga (lub 4,567 miliarda lat temu) oraz uformowania Ziemi przy 4,54 Ga (4,54 miliarda lat), co jest początkiem nieformalnie uznanego eonu hadejskiego .  – podział czasu geologicznego. Na dalszym końcu skali wyznacza ją współczesność (w epoce holocenu ).

Skala czasu Ziemi

Poniższe pięć osi czasu pokazuje geologiczną skalę czasu w skali. Pierwszy pokazuje cały czas od powstania Ziemi do chwili obecnej, ale to daje niewiele miejsca na ostatni eon. Druga oś czasu pokazuje rozszerzony widok ostatniego eonu. W podobny sposób najnowsza epoka zostaje rozszerzona na trzeciej linii czasu, ostatni okres na czwartej linii czasu, a najnowsza epoka na piątej linii czasu.

Siderian Rhyacian Orosirian Statherian Calymmian Ectasian Stenian Tonian Cryogenian Ediacaran Eoarchean Paleoarchean Mesoarchean Neoarchean Paleoproterozoic Mesoproterozoic Neoproterozoic Paleozoic Mesozoic Cenozoic Hadean Archean Proterozoic Phanerozoic Precambrian
Cambrian Ordovician Silurian Devonian Carboniferous Permian Triassic Jurassic Cretaceous Paleogene Neogene Quaternary Paleozoic Mesozoic Cenozoic Phanerozoic
Paleocene Eocene Oligocene Miocene Pliocene Pleistocene Holocene Paleogene Neogene Quaternary Cenozoic
Gelasian Calabrian (stage) Chibanian Pleistocene Pleistocene Holocene Quaternary
Greenlandian Northgrippian Meghalayan Holocene
Miliony lat (1., 2., 3. i 4.)
Tysiące lat (5.)

Ważne kamienie milowe na Ziemi

Czas geologiczny na wykresie zwanym zegarem geologicznym , pokazującym względne długości eonów i epok historii Ziemi

Skala czasu Księżyca

Early Imbrian Late Imbrian Pre-Nectarian Nectarian Eratosthenian Copernican period
Miliony lat przed teraźniejszością


Skala czasu Marsa

Noachian Noachian Hesperian Amazonian (Mars)
Okresy marsjańskie (miliony lat temu)

Metody randkowe

Randki względne

Relacje przekrojowe można wykorzystać do określenia względnego wieku warstw skalnych i innych struktur geologicznych. Objaśnienia: A – pofałdowane warstwy skalne przecięte uskokiem naporu ; B – duże wtargnięcie (przecięcie A); C – erozyjna niezgodność kątowa (odcięcie A i B), na której zalegały warstwy skalne; D – grobla wulkaniczna (przecinająca A, B i C); E – jeszcze młodsze warstwy skalne (nakładające się na C i D); F – usterka normalna (przecięcie A, B, C i E).

Metody datowania względnego zostały opracowane, gdy geologia pojawiła się po raz pierwszy jako nauka przyrodnicza . Geolodzy nadal stosują następujące zasady jako środek do dostarczania informacji o historii geologicznej i czasie zdarzeń geologicznych.

Zasada uniformitaryzmu głosi, że obserwowane w czasie działania procesy geologiczne, które modyfikują obecnie skorupę ziemską, działały w czasie geologicznym w podobny sposób. Fundamentalną zasadą geologii głoszoną przez XVIII-wiecznego szkockiego lekarza i geologa Jamesa Huttona jest to, że „teraźniejszość jest kluczem do przeszłości”. Mówiąc słowami Huttona: „przeszłość naszego globu musi być wyjaśniona przez to, co można zobaczyć, co dzieje się teraz”.

Zasada relacji natrętnych dotyczy przekrojowych włamań. W geologii, gdy intruzja magmowa przecina formację skał osadowych , można określić, że intruzja magmowa jest młodsza niż skała osadowa. Różne rodzaje włamań obejmują dyby, laccolity , batolit , progi i groble .

Zasada relacji przekrojowych dotyczy powstawania uskoków i wieku sekwencji, przez które się przecinają. Uskoki są młodsze niż skały, które ścinają; w związku z tym, jeśli zostanie znaleziony uskok, który penetruje niektóre formacje, ale nie górne, to formacje, które zostały przecięte, są starsze od uskoku, a te, które nie zostały przecięte, muszą być młodsze od uskoku. Znalezienie kluczowego łożyska w takich sytuacjach może pomóc w ustaleniu, czy usterka jest usterką normalną , czy usterką ciągu .

Zasada inkluzji i składników mówi, że w przypadku skał osadowych, jeśli w formacji znajdują się inkluzje (lub klasty ), to muszą one być starsze niż formacja, która je zawiera. Na przykład w skałach osadowych żwir ze starszej formacji jest często rozrywany i umieszczany w nowszej warstwie. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku skał magmowych, gdy znajdują się ksenolit . Te ciała obce są zbierane w postaci przepływającej magmy lub lawy i są włączane, aby później schłodzić się w matrycy. W rezultacie ksenolity są starsze niż skała, która je zawiera.

Stratygrafia permska i jurajska obszaru płaskowyżu Kolorado w południowo -wschodnim stanie Utah jest przykładem zarówno oryginalnej horyzontalności, jak i prawa superpozycji. Warstwy te składają się na wiele słynnych formacji skalnych na rozległych obszarach chronionych, takich jak Park Narodowy Capitol Reef i Park Narodowy Canyonlands . Od góry do dołu: zaokrąglone brązowe kopuły piaskowca Navajo , warstwowa czerwona formacja Kayenta , formująca klif, pionowo spojona, czerwony piaskowiec Wingate , tworząca zbocza, fioletowa formacja Chinle , warstwowa, jaśniej-czerwona formacja Moenkopi , i biały, warstwowy Cutler Piaskowiec formacyjny . Zdjęcie z Narodowego Obszaru Rekreacji Glen Canyon w stanie Utah.

Zasada pierwotnej horyzontalności głosi, że osadzanie się osadów zachodzi jako zasadniczo poziome pokłady. Obserwacja współczesnych osadów morskich i niemorskich w wielu różnych środowiskach potwierdza to uogólnienie (chociaż osady krzyżowe są nachylone, ogólna orientacja jednostek z warstwami krzyżowymi jest pozioma).

Zasada superpozycji mówi, że warstwa skał osadowych w niezakłóconej tektonicznie sekwencji jest młodsza niż ta pod nią i starsza niż ta nad nią. Logicznie rzecz biorąc, młodsza warstwa nie może ześlizgnąć się pod wcześniej nałożoną warstwę. Ta zasada pozwala postrzegać warstwy osadowe jako formę pionowej osi czasu, częściowego lub pełnego zapisu czasu, jaki upłynął od osadzania najniższej warstwy do osadzania najwyższego złoża.

Zasada sukcesji fauny opiera się na pojawieniu się skamieniałości w skałach osadowych. Ponieważ organizmy istnieją w tym samym okresie na całym świecie, ich obecność lub (czasami) brak określa względny wiek formacji, w których się pojawiają. Opierając się na zasadach, które William Smith przedstawił prawie sto lat przed opublikowaniem teorii ewolucji Karola Darwina , zasady sukcesji rozwinęły się niezależnie od myśli ewolucyjnej. Zasada staje się jednak dość złożona, biorąc pod uwagę niepewność skamieniałości, lokalizacji typów skamielin z powodu bocznych zmian w siedlisku ( zmiana facji w warstwach osadowych) i że nie wszystkie skamieniałości powstały globalnie w tym samym czasie.

Randki bezwzględne

Cyrkon mineralny jest często używany w datowaniu radiometrycznym .

Geolodzy posługują się również metodami określania bezwzględnego wieku próbek skał i zdarzeń geologicznych. Daty te są przydatne same w sobie i mogą być również używane w połączeniu z metodami datowania względnego lub do kalibracji metod względnych.

Na początku XX wieku postęp w naukach geologicznych był ułatwiony dzięki możliwości uzyskiwania dokładnych dat bezwzględnych zdarzeń geologicznych za pomocą izotopów promieniotwórczych i innych metod. Zmieniło to rozumienie czasu geologicznego. Wcześniej geolodzy mogli używać tylko skamielin i korelacji stratygraficznej do datowania odcinków skał względem siebie. Dzięki datom izotopowym stało się możliwe przypisanie wieku bezwzględnego jednostkom skalnym, a te daty bezwzględne można było zastosować do sekwencji skamielin, w których znajdował się materiał dający się datować, przekształcając stare względne epoki w nowe bezwzględne epoki.

W wielu zastosowaniach geologicznych proporcje izotopów pierwiastków promieniotwórczych są mierzone w minerałach, które określają czas, jaki upłynął od przejścia skały przez jej określoną temperaturę zamknięcia , czyli punkt, w którym różne izotopy radiometryczne przestają dyfundować do i z sieci krystalicznej . Są one wykorzystywane w badaniach geochronologicznych i termochronologicznych . Popularne metody obejmują datowanie uranowo-ołowiowe , potasowo-argonowe , argonowo-argonowe i uranowo-torowe . Te metody są używane do różnych zastosowań. Datowanie warstw lawy i popiołu wulkanicznego znalezionych w sekwencji stratygraficznej może dostarczyć bezwzględnych danych dotyczących wieku dla jednostek skał osadowych, które nie zawierają izotopów promieniotwórczych, i skalibrować techniki datowania względnego. Metody te można również wykorzystać do określenia wieku rozmieszczenia plutonów. Techniki termochemiczne można wykorzystać do określenia profili temperatur w skorupie, wypiętrzenia łańcuchów górskich i paleotopografii.

Frakcjonowanie pierwiastków serii lantanowców służy do obliczania wieku od momentu usunięcia skał z płaszcza.

Inne metody są stosowane w przypadku nowszych wydarzeń. Do datowania powierzchni i/lub szybkości erozji stosuje się optycznie stymulowaną luminescencję i datowanie radionuklidami kosmogenicznymi . Dendrochronologię można również wykorzystać do datowania krajobrazów. Datowanie radiowęglowe stosuje się do geologicznie młodych materiałów zawierających węgiel organiczny .

Zagospodarowanie geologiczne obszaru

Pierwotnie pozioma sekwencja skał osadowych (w odcieniach brązu) jest pod wpływem działania magmowego . Głęboko pod powierzchnią znajduje się komora magmowa i powiązane z nią duże ciała magmowe. Komora magmowa zasila wulkan i wysyła odgałęzienia magmy , które później skrystalizują się w groble i progi. Magma rozwija się również w górę, tworząc natrętne ciała magmowe . Diagram ilustruje zarówno wulkan żużlowy , który uwalnia popiół, jak i wulkan złożony , który uwalnia zarówno lawę, jak i popiół.
Ilustracja trzech rodzajów usterek.
A. Błędy ślizgowe występują, gdy jednostki skalne przesuwają się obok siebie.
B. Normalne uskoki występują, gdy skały ulegają poziomej rozbudowie.
C. Uskoki odwrócone (lub naporowe) występują, gdy skały ulegają poziomemu skracaniu.

Geologia obszaru zmienia się w czasie, gdy jednostki skalne są odkładane i wstawiane, a procesy deformacyjne zmieniają swój kształt i położenie.

Jednostki skalne są najpierw umieszczane albo przez osadzanie się na powierzchni, albo wnikanie w leżącą na nich skałę . Osadzanie może mieć miejsce, gdy osady osiadają na powierzchni Ziemi, a później zestalają się w skały osadowe, lub gdy jako materiał wulkaniczny, taki jak popiół wulkaniczny lub strumienie lawy , pokrywają powierzchnię. Intruzje magmowe , takie jak batolit , laccoliths , wały i progi , pchają się w górę do leżącej na nich skały i krystalizują podczas wchodzenia.

Po osadzeniu początkowej sekwencji skał, jednostki skalne mogą ulec deformacji i/lub metamorfozie . Odkształcenie zwykle występuje w wyniku skrócenia w poziomie, wydłużenia w poziomie lub ruchu bocznego ( uderzenie-poślizg ). Te reżimy strukturalne ogólnie odnoszą się odpowiednio do granic zbieżnych , granic rozbieżnych i granic transformacji między płytami tektonicznymi.

Gdy jednostki skalne są poddawane kompresji poziomej , skracają się i stają się grubsze. Ponieważ jednostki skalne, inne niż muły, nie zmieniają znacząco objętości , odbywa się to na dwa podstawowe sposoby: poprzez uskoki i fałdowanie . W płytkiej skorupie, gdzie mogą wystąpić kruche odkształcenia , tworzą się uskoki naporu, które powodują przesuwanie się głębszej skały na płytszej skale. Ponieważ głębsze skały są często starsze, jak zauważa zasada superpozycji , może to spowodować, że starsze skały będą przesuwać się na młodszych. Ruch wzdłuż uskoków może skutkować fałdowaniem, ponieważ uskoki nie są płaskie lub ponieważ warstwy skalne są przeciągane wzdłuż uskoku, tworząc fałdy przeciągane w miarę poślizgu wzdłuż uskoku. Głębiej w Ziemi skały zachowują się plastycznie i fałdują się zamiast uskoków. Mogą to być fałdy, w których materiał w środku fałdy wygina się w górę, tworząc „ antyformy ”, lub w których wygina się w dół, tworząc „ synformy ”. Jeśli wierzchołki jednostek skalnych w fałdach pozostają skierowane do góry, nazywane są odpowiednio antyklinami i synklinami . Jeśli niektóre jednostki w fałdzie są skierowane w dół, struktura nazywana jest odwróconą antykliną lub synkliną, a jeśli wszystkie jednostki skalne są odwrócone lub nie jest znany właściwy kierunek w górę, nazywa się je po prostu najogólniejszymi terminami: antyformy i synformy.

Schemat fałd, wskazujący antyklinę i synklinę

Nawet wyższe ciśnienia i temperatury podczas skracania poziomego mogą powodować zarówno fałdowanie, jak i metamorfizm skał. Ten metamorfizm powoduje zmiany w składzie mineralnym skał; tworzy foliację lub płaską powierzchnię, która jest związana ze wzrostem minerałów pod wpływem stresu. Może to usunąć ślady oryginalnej tekstury skał, takie jak podłoże w skałach osadowych, cechy przepływu lawy i wzory kryształów w skałach krystalicznych .

Rozszerzenie powoduje, że jednostki skalne jako całość stają się dłuższe i cieńsze. Odbywa się to głównie poprzez normalne uskoki oraz poprzez rozciąganie i przerzedzanie ciągliwe. Zwykłe uskoki wyrzucają jednostki skalne, które są wyższe niż te, które są niższe. Zwykle powoduje to, że młodsze jednostki kończą poniżej starszych jednostek. Rozciąganie jednostek może spowodować ich przerzedzenie. W rzeczywistości, w jednym miejscu w pasie maryjnym i pasie oporowym , cała sekwencja osadowa Wielkiego Kanionu pojawia się na długości mniejszej niż metr. Skały na głębokości, która ma być rozciągana podatnie, często również ulegają metamorfozom. Te rozciągnięte skały mogą również przywierać do soczewek, znanych jako boudin , od francuskiego słowa oznaczającego „kiełbasę” ze względu na ich wizualne podobieństwo.

Tam, gdzie jednostki skalne przesuwają się obok siebie, uskoki przeciwpoślizgowe rozwijają się w płytkich rejonach i stają się strefami ścinania na głębszych głębokościach, gdzie skały odkształcają się plastycznie.

Przekrój geologiczny góry Kittatinny . Ten przekrój pokazuje skały metamorficzne, na które nałożone są młodsze osady powstałe po zdarzeniu metamorficznym. Te jednostki skalne zostały później złożone i uskoki podczas wypiętrzania się góry.

Dodawanie nowych jednostek skalnych, zarówno w sposób depozycyjny, jak i inwazyjny, często ma miejsce podczas deformacji. Uskoki i inne procesy deformacyjne powodują powstawanie gradientów topograficznych, powodując erozję materiału na jednostce skalnej, która rośnie w górę, przez skarpy i kanały. Osady te osadzają się na opadającej jednostce skalnej. Ciągły ruch wzdłuż uskoku utrzymuje gradient topograficzny pomimo ruchu osadów i nadal tworzy przestrzeń akomodacyjną dla osadzania się materiału. Zdarzenia deformacyjne są często związane również z wulkanizmem i działalnością magmową. Popioły wulkaniczne i lawy gromadzą się na powierzchni, a od dołu wdzierają się intruzje magmowe. Wały , długie, płaskie wgniecenia magmowe, wchodzą wzdłuż pęknięć i dlatego często tworzą się w dużych ilościach na obszarach, które są aktywnie odkształcane. Może to skutkować rozmieszczeniem rojów wałów, takich jak te, które można zaobserwować na kanadyjskiej tarczy, lub pierścieni wałów wokół rury lawy wulkanu.

Wszystkie te procesy niekoniecznie zachodzą w jednym środowisku i nie muszą zachodzić w jednej kolejności. Na przykład Wyspy Hawajskie składają się prawie w całości z warstwowych bazaltowych strumieni lawy. Sekwencje osadowe środkowego kontynentu Stanów Zjednoczonych i Wielkiego Kanionu w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych zawierają prawie niezdeformowane stosy skał osadowych, które pozostały na miejscu od czasów kambryjskich . Inne obszary są znacznie bardziej złożone geologicznie. W południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych skały osadowe, wulkaniczne i natrętne zostały przeobrażone, uskokowe, ulistnione i pofałdowane. Nawet starsze skały, takie jak gnejs acasta z kratonu niewolników w północno -zachodniej Kanadzie , najstarsza znana skała na świecie , przeszły metamorfozę do tego stopnia, że ​​ich pochodzenie jest nie do poznania bez analizy laboratoryjnej. Ponadto procesy te mogą przebiegać etapami. W wielu miejscach, w Wielkim Kanionie w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych, który jest bardzo widocznym przykładem, dolne jednostki skalne uległy metamorfozie i deformacji, a następnie deformacja się skończyła i osiadły górne, niezdeformowane jednostki. Chociaż może wystąpić dowolna ilość zalegania skał i deformacji skał, i mogą one wystąpić dowolną liczbę razy, koncepcje te stanowią przewodnik do zrozumienia historii geologicznej danego obszaru.

Metody geologii

Standardowy tranzyt kieszonkowy Brunton , powszechnie używany przez geologów do mapowania i geodezji

Geolodzy korzystają z wielu dziedzin, metod laboratoryjnych i modelowania numerycznego, aby rozszyfrować historię Ziemi i zrozumieć procesy zachodzące na Ziemi i wewnątrz niej. W typowych badaniach geologicznych geolodzy wykorzystują podstawowe informacje związane z petrologią (badanie skał), stratygrafią (badanie warstw osadowych) i geologią strukturalną (badanie pozycji jednostek skalnych i ich deformacji). W wielu przypadkach geolodzy badają również współczesne gleby, rzeki , krajobrazy i lodowce ; zbadaj przeszłe i obecne życie oraz szlaki biogeochemiczne i wykorzystaj metody geofizyczne do zbadania podpowierzchni. Podspecjalizacje geologii mogą rozróżniać geologię endogeniczną i egzogeniczną .

Metody terenowe

Typowy terenowy obóz mapowania USGS w latach 50.
Obecnie komputery podręczne z oprogramowaniem GPS i systemów informacji geograficznej są często wykorzystywane w geologicznych pracach terenowych ( cyfrowe mapowanie geologiczne ).
Skamieniała kłoda w Parku Narodowym Skamieniałego Lasu , Arizona , USA

Prace geologiczne w terenie różnią się w zależności od wykonywanego zadania. Typowe prace terenowe mogą składać się z:

Mikroskop petrograficzny .
Zeskanowany obraz cienkiego przekroju w krzyżowo spolaryzowanym świetle.
W mineralogii optycznej do badania skał używa się cienkich przekrojów. Metoda opiera się na różnych współczynnikach załamania światła różnych minerałów.

Petrologia

Oprócz identyfikacji skał w terenie ( litologia ), petrolodzy identyfikują próbki skał w laboratorium. Dwie z podstawowych metod identyfikacji skał w laboratorium to mikroskopia optyczna i mikrosonda elektronowa . W optycznej analizie mineralogii petrolodzy analizują cienkie odcinki próbek skał za pomocą mikroskopu petrograficznego , w którym minerały mogą być identyfikowane poprzez ich różne właściwości w świetle spolaryzowanym płasko i krzyżowo, w tym ich dwójłomność , pleochroizm , bliźniactwo i właściwości interferencyjne z soczewka konoskopowa . W mikrosondzie elektronowej poszczególne lokalizacje są analizowane pod kątem ich dokładnego składu chemicznego i zmienności składu w poszczególnych kryształach. Badania izotopów stabilnych i radioaktywnych zapewniają wgląd w geochemiczną ewolucję jednostek skalnych.

Petrolodzy mogą również wykorzystywać dane dotyczące inkluzji płynów i przeprowadzać eksperymenty fizyczne w wysokich temperaturach i ciśnieniu, aby zrozumieć temperatury i ciśnienia, w których pojawiają się różne fazy mineralne oraz jak zmieniają się one w wyniku procesów magmowych i metamorficznych. Badania te można ekstrapolować w terenie, aby zrozumieć procesy metamorficzne i warunki krystalizacji skał magmowych. Ta praca może również pomóc w wyjaśnieniu procesów zachodzących na Ziemi, takich jak subdukcja i ewolucja komory magmowej .

Składane warstwy skalne

Geologia strukturalna

Schemat klina orogenicznego. Klin wyrasta poprzez uskoki we wnętrzu i wzdłuż głównego uskoku podstawy, zwanego dekoltem . Buduje swój kształt w krytyczny stożek , w którym kąty w klinie pozostają takie same, jak uszkodzenia wewnątrz uszkodzeń równowagi materiałowej wzdłuż dekoltu. Jest to analogiczne do spychacza pchającego stos ziemi, gdzie buldożer jest nadrzędną płytą.

Geolodzy strukturalni wykorzystują analizę mikroskopową zorientowanych cienkich odcinków próbek geologicznych do obserwacji tkaniny w skałach, która dostarcza informacji o odkształceniach w strukturze krystalicznej skał. Wykreślają również i łączą pomiary struktur geologicznych, aby lepiej zrozumieć orientację uskoków i fałd, aby zrekonstruować historię deformacji skał na tym obszarze. Ponadto wykonują eksperymenty analogowe i numeryczne deformacji skał w dużych i małych warunkach.

Analiza struktur jest często realizowana poprzez wykreślenie orientacji różnych cech na stereosieci . Stereonet to stereograficzna projekcja kuli na płaszczyznę, w której płaszczyzny są rzutowane jako linie, a linie są rzutowane jako punkty. Można je wykorzystać do znalezienia lokalizacji osi fałd, relacji między uskokami i relacji między innymi strukturami geologicznymi.

Do najbardziej znanych eksperymentów w geologii strukturalnej należą te, w których wykorzystuje się kliny orogeniczne , czyli strefy, w których góry zbudowane są wzdłuż zbieżnych granic płyt tektonicznych. W analogowych wersjach tych eksperymentów poziome warstwy piasku są wciągane wzdłuż dolnej powierzchni do tylnego ogranicznika, co skutkuje realistycznie wyglądającymi wzorami uskoków i wzrostem krytycznie zwężającego się (wszystkie kąty pozostają takie same) klina orogenicznego. Modele numeryczne działają w taki sam sposób, jak te modele analogowe, chociaż często są bardziej wyrafinowane i mogą obejmować wzorce erozji i wypiętrzenia w pasie górskim. Pomaga to pokazać związek między erozją a ukształtowaniem pasma górskiego. Badania te mogą również dostarczyć przydatnych informacji na temat ścieżek metamorfizmu poprzez ciśnienie, temperaturę, przestrzeń i czas.

Stratygrafia

Różne kolory przedstawiają różne minerały tworzące górę Ritagli di Lecca widzianą z Fondachelli-Fantina na Sycylii

W laboratorium stratygrafowie analizują próbki przekrojów stratygraficznych, które można zwrócić z terenu, np. z rdzeni wiertniczych . Stratygrafowie analizują również dane z badań geofizycznych, które pokazują położenie jednostek stratygraficznych w podpowierzchni. Dane geofizyczne i rejestry odwiertów można łączyć, aby uzyskać lepszy widok podpowierzchni, a stratygrafowie często używają do tego programów komputerowych w trzech wymiarach. Stratygrafowie mogą następnie wykorzystać te dane do zrekonstruowania dawnych procesów zachodzących na powierzchni Ziemi, zinterpretowania środowisk z przeszłości i zlokalizowania obszarów wydobycia wody, węgla i węglowodorów.

W laboratorium biostratygrafowie analizują próbki skał z wychodni i wiercą rdzenie pod kątem znalezionych w nich skamieniałości. Te skamieliny pomagają naukowcom datować jądro i zrozumieć środowisko depozycji, w którym formowały się jednostki skalne. Geochronolodzy precyzyjnie datują skały w sekcji stratygraficznej, aby zapewnić lepsze bezwzględne granice czasu i tempa osadzania. Stratygrafowie magnetyczni szukają oznak odwróceń magnetycznych w jednostkach skał magmowych w rdzeniach wiertniczych. Inni naukowcy przeprowadzają badania stabilnych izotopów na skałach, aby uzyskać informacje o przeszłym klimacie.

Geologia planetarna

Powierzchnia Marsa sfotografowana przez lądownik Viking 2 9 grudnia 1977 r.

Wraz z nadejściem eksploracji kosmosu w XX wieku geolodzy zaczęli przyglądać się innym ciałom planetarnym w taki sam sposób, jaki opracowano do badania Ziemi . Ta nowa dziedzina badań nazywana jest geologią planetarną (czasami nazywaną astrogeologią) i opiera się na znanych zasadach geologicznych do badania innych ciał Układu Słonecznego.

Chociaż grecki przedrostek geo odnosi się do Ziemi, „geologia” jest często używana w połączeniu z nazwami innych ciał planetarnych przy opisywaniu ich składu i procesów wewnętrznych: przykładami są „ geologia Marsa ” i „ geologia Księżyca ”. W użyciu są również terminy specjalistyczne, takie jak selenologia (badania Księżyca), areologia (Marsjanie) itp.

Chociaż geolodzy planetarni są zainteresowani badaniem wszystkich aspektów innych planet, ważnym celem jest poszukiwanie dowodów na przeszłe lub obecne życie na innych światach. Doprowadziło to do wielu misji, których głównym lub pomocniczym celem jest badanie ciał planetarnych pod kątem dowodów życia. Jednym z nich jest lądownik Phoenix , który analizował marsjańską glebę polarną pod kątem składników wodnych, chemicznych i mineralogicznych związanych z procesami biologicznymi.

Geologia stosowana

Człowiek płukający złoto na Mokelumne . Harper's Weekly : Jak zdobyliśmy złoto w Kalifornii. 1860

Geologia gospodarcza

Geologia ekonomiczna to dział geologii, który zajmuje się aspektami minerałów gospodarczych, które ludzkość wykorzystuje do zaspokojenia różnych potrzeb. Minerały gospodarcze to te wydobywane z zyskiem do różnych zastosowań praktycznych. Geolodzy ekonomiczni pomagają lokalizować i zarządzać zasobami naturalnymi Ziemi , takimi jak ropa naftowa i węgiel, a także zasobami mineralnymi, w tym metalami, takimi jak żelazo, miedź i uran.

geologia górnicza

Geologia górnicza polega na wydobywaniu surowców mineralnych z Ziemi. Niektóre zasoby o znaczeniu gospodarczym obejmują kamienie szlachetne , metale takie jak złoto i miedź oraz wiele minerałów , takich jak azbest , perlit , mika , fosforany , zeolity , glina , pumeks , kwarc i krzemionka , a także pierwiastki takie jak siarka , chlor i hel .

Geologia ropy naftowej

Proces logowania błota, powszechny sposób badania litologii podczas wiercenia szybów naftowych

Geolodzy naftowi badają lokalizacje podpowierzchni Ziemi, które mogą zawierać możliwe do wydobycia węglowodory, zwłaszcza ropę naftową i gaz ziemny . Ponieważ wiele z tych zbiorników znajduje się w basenach sedymentacyjnych , badają one powstawanie tych basenów, a także ich ewolucję sedymentacyjną i tektoniczną oraz dzisiejsze położenie jednostek skalnych.

Geologia inżynierska

Geologia inżynierska to zastosowanie zasad geologicznych do praktyki inżynierskiej w celu zapewnienia, że ​​czynniki geologiczne wpływające na lokalizację, projektowanie, budowę, eksploatację i konserwację prac inżynierskich są odpowiednio uwzględniane. Geologia inżynierska różni się od inżynierii geologicznej , szczególnie w Ameryce Północnej.

Dziecko pije wodę ze studni wybudowanej w ramach hydrogeologicznego projektu humanitarnego w Kenii

W dziedzinie inżynierii lądowej stosuje się zasady i analizy geologiczne w celu ustalenia zasad mechanicznych materiału, na którym budowane są konstrukcje. Pozwala to na budowanie tuneli bez zawalania się, budowanie mostów i drapaczy chmur z solidnymi fundamentami oraz budowanie budynków, które nie osadzają się w glinie i błocie.

Hydrologia

Geologia i zasady geologiczne mogą być stosowane do różnych problemów środowiskowych, takich jak odbudowa cieków wodnych, odbudowa terenów poprzemysłowych oraz zrozumienie interakcji między naturalnym środowiskiem a środowiskiem geologicznym. Hydrologię wód gruntowych lub hydrogeologię stosuje się do lokalizowania wód gruntowych, które często mogą zapewnić gotowe źródło nieskażonej wody i jest szczególnie ważne w regionach suchych, oraz do monitorowania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w studniach wód gruntowych.

Paleoklimatologia

Geolodzy uzyskują również dane za pomocą stratygrafii, otworów wiertniczych , próbek rdzeniowych i rdzeni lodowych . Rdzenie lodowe i rdzenie osadowe są wykorzystywane do rekonstrukcji paleoklimatycznych, które informują geologów o przeszłej i obecnej temperaturze, opadach i poziomie morza na całym świecie. Te zbiory danych są naszym głównym źródłem informacji o globalnych zmianach klimatu poza danymi instrumentalnymi.

Zagrożenia naturalne

Skalny wodospad w Wielkim Kanionie

Geolodzy i geofizycy badają zagrożenia naturalne w celu wprowadzenia bezpiecznych kodeksów budowlanych i systemów ostrzegawczych, które są stosowane w celu zapobiegania utracie mienia i życia. Przykłady ważnych zagrożeń naturalnych, które są istotne dla geologii (w przeciwieństwie do tych, które dotyczą głównie lub tylko meteorologii) to:

Historia

Geologiczna mapa Anglii , Walii i południowej Szkocji Williama Smitha . Ukończona w 1815 r. była to druga mapa geologiczna w skali kraju i zdecydowanie najdokładniejsza w tamtych czasach.

Badania nad fizycznym materiałem Ziemi sięgają co najmniej starożytnej Grecji , kiedy Teofrast (372–287 p.n.e.) napisał dzieło Peri Lithon ( O kamieniach ). W okresie rzymskim Pliniusz Starszy szczegółowo pisał o wielu minerałach i metalach, później w praktyce – nawet trafnie odnotowując pochodzenie bursztynu . Ponadto w IV wieku p.n.e. Arystoteles dokonał krytycznych obserwacji powolnego tempa zmian geologicznych. Obserwował skład lądu i sformułował teorię, w której Ziemia zmienia się powoli i że zmian tych nie można zaobserwować w ciągu życia jednej osoby. Arystoteles opracował jedną z pierwszych koncepcji opartych na dowodach związanych ze sferą geologiczną dotyczącą tempa fizycznych zmian na Ziemi.

Abu al-Rayhan al-Biruni (973–1048 n.e.) był jednym z najwcześniejszych geologów perskich , którego prace obejmowały najwcześniejsze pisma dotyczące geologii Indii , wysunięte hipotezę, że subkontynent indyjski był kiedyś morzem. Czerpiąc z greckiej i indyjskiej literatury naukowej, która nie została zniszczona przez podboje muzułmańskie , perski uczony Ibn Sina (Avicenna, 981–1037) zaproponował szczegółowe wyjaśnienia dotyczące formowania się gór, pochodzenia trzęsień ziemi i innych tematów kluczowych dla współczesnej geologii. co stanowiło istotny fundament dla późniejszego rozwoju nauki. W Chinach erudyta Shen Kuo (1031–1095) sformułował hipotezę dotyczącą procesu formowania się lądu: na podstawie obserwacji skamieniałych muszli zwierzęcych w warstwie geologicznej w górach setki mil od oceanu wywnioskował, że ląd był utworzone przez erozję gór i osadzanie mułu .

Nicolasowi Steno (1638–1686) przypisuje się prawo superpozycji , zasadę pierwotnej horyzontalności oraz zasadę ciągłości bocznej : trzy definiujące zasady stratygrafii .

Słowo geologia zostało po raz pierwszy użyte przez Ulisse Aldrovandi w 1603, a następnie przez Jean-André Deluc w 1778 i wprowadzone jako termin stały przez Horace-Bénédict de Saussure w 1779. Słowo to pochodzi od greckiego γῆ, , co oznacza „ziemia”. i λόγος , logos , co oznacza „mowa”. Ale według innego źródła słowo „geologia” pochodzi od Norwega Mikkela Pedersøna Escholta (1600–1699), który był księdzem i uczonym. Escholt po raz pierwszy użył tej definicji w swojej książce zatytułowanej Geologia Norvegica (1657).

William Smith (1769–1839) sporządził kilka pierwszych map geologicznych i rozpoczął proces porządkowania warstw skalnych (warstw) od zbadania zawartych w nich skamieniałości.

W 1763 r. Michaił Łomonosow opublikował swój traktat O warstwach Ziemi . Jego praca była pierwszą narracją współczesnej geologii, opartą na jedności procesów w czasie i wyjaśnianiu przeszłości Ziemi od teraźniejszości.

James Hutton (1726-1797) jest często postrzegany jako pierwszy współczesny geolog. W 1785 przedstawił Royal Society of Edinburgh referat zatytułowany Teoria Ziemi . W swoim artykule wyjaśnił swoją teorię, że Ziemia musi być znacznie starsza niż wcześniej sądzono, aby dać wystarczająco dużo czasu na erozję gór i na tworzenie się przez osady nowych skał na dnie morza, które z kolei zostały podniesione do stać się suchym lądem. Hutton opublikował dwutomową wersję swoich pomysłów w 1795 roku.

Zwolennicy Huttona byli znani jako plutoniści , ponieważ wierzyli, że niektóre skały powstały w wyniku wulkanizmu , czyli osadzania się lawy z wulkanów, w przeciwieństwie do Neptunistów , którym przewodził Abraham Werner , którzy wierzyli, że wszystkie skały osiedliły się w dużym oceanie którego poziom stopniowo spadał w czasie.

Pierwsza mapa geologiczna USA została stworzona w 1809 roku przez Williama Maclure'a . W 1807 Maclure rozpoczął samo narzucone zadanie przeprowadzenia badań geologicznych Stanów Zjednoczonych. Prawie każdy stan w Unii był przez niego przemierzany i mapowany, a Góry Allegheny były przekraczane i przekraczane około 50 razy. Wyniki jego samodzielnej pracy zostały przekazane Amerykańskiemu Towarzystwu Filozoficznemu w pamiętniku zatytułowanym Observations on the Geology of the United States explanatory of a Geological Map , i opublikowane w Society's Transactions , wraz z pierwszą mapą geologiczną kraju. To wyprzedza geologiczną mapę Anglii Williama Smitha o sześć lat, chociaż została skonstruowana przy użyciu innej klasyfikacji skał.

Sir Charles Lyell (1797-1875) po raz pierwszy opublikował swoją słynną książkę Zasady geologii w 1830 roku. Książka ta, która wpłynęła na myśl Karola Darwina , z powodzeniem promowała doktrynę uniformitaryzmu . Teoria ta stwierdza, że ​​powolne procesy geologiczne zachodziły w całej historii Ziemi i nadal zachodzą. W przeciwieństwie do tego, katastrofizm jest teorią, że cechy Ziemi uformowały się w pojedynczych katastrofalnych wydarzeniach, a następnie pozostały niezmienione. Chociaż Hutton wierzył w uniformitaryzm, idea ta nie była wówczas powszechnie akceptowana.

Duża część XIX-wiecznej geologii obracała się wokół kwestii dokładnego wieku Ziemi . Szacunki wahały się od kilkuset tysięcy do miliardów lat. Na początku XX wieku datowanie radiometryczne pozwoliło oszacować wiek Ziemi na dwa miliardy lat. Świadomość tej ogromnej ilości czasu otworzyła drzwi nowym teoriom na temat procesów, które ukształtowały planetę.

Niektóre z najbardziej znaczących osiągnięć XX-wiecznej geologii to rozwój teorii tektoniki płyt w latach 60. i udoskonalenie szacunków wieku planety. Teoria płyt tektoniki powstała na podstawie dwóch oddzielnych obserwacji geologicznych: rozprzestrzeniania się dna morskiego i dryfu kontynentów . Teoria zrewolucjonizowała nauki o Ziemi . Dziś wiadomo, że Ziemia ma około 4,5 miliarda lat.

Dziedziny lub dyscypliny pokrewne

Zobacz też

Ziemia widziana z Apollo 17 z przezroczystym tłem.png Portal nauk o Ziemi

Bibliografia

Zewnętrzne linki