Международное сотрудничество геологов

В последней четверти 19 в. горная промышленность развитых стран мира вывела геологию в разряд при­оритетных научных дисциплин. Во всех таких странах были созда­ны геологические службы. Открывались специальные учебные заведения или факультеты, занимающиеся подготовкой геологов. Под эгидой национальных геологических служб и геологических обществ проводились ши­рокие геологосъемочные работы. Надежной основой поиска полезных ископаемых стали геологические работы. Большой фак­тический материал, расширение географии региональных иссле­дований ставили перед геологами задачи, решение которых было возможно только в процессе координации усилий геологов раз­личных стран, особенно в условиях Европы, поделенной на мно­жество государств. Надо было договориться об об­щих принципах составления геологических карт, унифицировать системы условных обозначений и индексов картируемых комплексов, согласовать стратиграфические шкалы, создать условия для сопоставимости и увязки геологических карт различных территорий.

Началом международного сотрудничества ученых-геологов надо считать Всемирную выставку в Филадельфии в 1876 г., когда сравнение выставленных на ней геологических карт разных стран Европы и Северной Америки наглядно показало необходи­мость согласования принципов их составления и условных обо­значений на основе международной стратиграфической шкалы. С этой целью в 1878 г. в Париже была созвана 1-я сессия МГК. Начатая работа была продолжена на следующей сессии в Болонье в 1881 г. при активном участии русских ученых. С того времени сессии конгресса стали созываться регулярно, раз в 4 года, за ис­ключением перерывов, связанных с мировыми войнами.

На 2-й сессии МГК, состоявшейся в 1881 г. в Болонье, были одобрены унифицированные термины и условные обозначения для геологических карт, предложенные А.П. Карпинским, и принято решение о составлении по согласованной легенде Меж­дународной геологической карты Европы в масштабе 1:2 500 000. Со 2-й сессии в работе конгресса принимала участие официальная делегация России.

На 3-й сессии конгресса в 1885 г. в Берлине уже демонстри­ровались первые готовые листы этой карты; окончательный ва­риант карты был опубликован в 1913 г. в трудах 13-й сессии конгресса, состоявшейся в Торонто (Канада). В связи с возросшим количеством участников и докладов, разнообразием их тематики, начиная с 6-й сессии, собравшейся в Цюрихе в 1894 г., в дополнение к Комиссии по геологической карте Европы были впервые выделены 4 секции: общей геологии, стратиграфии и палеонтологии, минералогии и петрографии, прикладной геологии.

7-я сессия МГК проходила в Санкт-Петербурге в 1897 г.; председателем ее оргкомитета и президентом конгресса был А.П. Карпинский. На сессии обсуждались принципы и правила стратиграфической номенклатуры, принципы классификации и номенклатуры эффузивных пород. Состоялись 4 секционных заседания, посвященных обсуждению проблем общей геологии (орогенез, эволюция климата и др.), петрографии и минералогии, стратиграфии и палеонтологии, прикладной геологии и геофизики. Сессия конгресса сопровождалась геологическими экскурсиями по Европейской России, Уралу, Кавказу, Крыму; каждый маршрут обеспечивался путеводителем, к которому были приложены новейшие геологические карты и разрезы. 34 путеводителя геологических экскурсий конгресса объемом 700 страниц являлись в то время лучшим и наиболее полным руководством по геологии России.

Традиционно одной из главных задач конгресса является орга­низация работы по созданию геологических карт, для чего была сформирована Комиссия по геологической карте Европы, затем мира. Этой комиссией было предпринято полистное издание карты Европы в масштабе 1:500 000, выпущен Геологический атлас мира в масштабе 1:10 000 000, настенная Геологическая карта мира того же масштаба. В 1956 г. была образована подкомиссия по тектоническим кар­там, работающая в Москве. Ею опубликованы два издания Меж­дународной тектонической карты Европы в масштабе 1:2 500 000 и 3-е издание в масштабе 1:5 000 000, Международная тектони­ческая карта мира в масштабе 1:15 000 000. Вышли в свет подобные карты Се­в. и Юж. Америки, Африки, Австралии. Успешно рабо­тают при конгрессе комиссии по отдельным стратиграфическим системам, занятые определением их границ и ярусного деления, по структурной геологии и др.

Однако периодическое проведение сессий МГК не полностью обеспечивало постоянство контактов между геологами разных стран и специальностей. С этой целью в 1960 г. был создан Международ­ный союз геологических наук. Аналогичный союз ученых в области геофизики и геоде­зии был образован в 1965 г. Международный геофизический год дал старт серии крупных международных научных проектов, разрабатываемых совместны­ми усилиями обоих научных союзов, работающих в области наук о Земле. Первым таким проектом явился Проект верхней ман­тии. Этот проект разрабатывался в 1960-е гг.; ему на смену пришел Геодинамический проект, разработка кото­рого заняла следующее десятилетие. С начала 80-х гг. исследова­ния проводятся по международной программе «Литосфера», вклю­чающей несколько научных направлений. Более определенную геологическую направленность имеют исследования по Международной программе геологической кор­реляции (МПГК), начатые в 1972 г. Необходимость прогнозирования изменений климата и оценки их возможного влияния на человечество недавно вызвала к жизни еще одну научную программу - «Глобальные изменения». В рамках программы «Литосфера» осуществляется программа «Европроба», предусматривающая комплексное изучение глубин­ного строения Европы. Три мощных объединения специалистов в области наук о Зем­ле действуют в Сев. Америке — в США, Канаде и Мексике. Это Американское геологическое общество, Американский геофизический союз и Американская ассоциация гео­логов-нефтяников. Своеобразным международным полигоном стала Антаркти­да, в геолого-геофизическом исследовании которой интенсивно участвуют Россия, США, Великобритания, Япония, Австралия.

В последние десятилетия успешно функционируют региональные объединения ученых – европейские и североамериканские. Все более широкое распространение получает практика 2-х- и трехсторонних совместных геолого-геофизических проектов.

Таким образом, нарастающее международное сотрудничество ученых-геологов в огромной степени способствует прогрессу наук о Земле.

 

51. Геохронологическая (стратиграфическая) шкала – история становления.

Теоретическую основу стратиграфии составляют два принципа: закон напластования Стенона и закон соответствия флоры и фауны Гексли. Согласно закону напластования, введенному в науку Н. Стеноном в 17 веке, выше лежащие пласты горных пород, как правило, являются более молодыми, чем залегающие глубже. Согласно принципу Гексли слои, в которых содержатся ископаемые остатки одинаковых видов живых организмов, имеют одинаковый возраст.

Основателем научной стратиграфии считают английского геолога-самоучку Уильяма Смита. Он составил первую геологическую карту Англии и использовал ископаемые остатки как маркеры для установления соответствия слоев разных разрезов. Смит подметил, что смежные слои содержат сходные, ископаемые и, наоборот, дале­ко отстоящие друг от друга в разрезах слои характеризуются резко отличными окаменелостями. Своими исследованиями Смит доказал закономерное распределение ископаемых остатков организмов в слоях земной коры и тем самым выявил возможность их распознавания палеонтологическим (биостратиграфическим) методом. На основании этого метода он установил стратиграфическую последовательность слоев Англии и Уэльса и составил первые настоящие геологические карты, на которых осадочные отложения были расчленены не только по составу, но и по относительному возрасту. После его работ геологическое картирование становится основным методом геологических исследований. Одновременно работами Смита была заложена основа создания стратиграфи­ческой (геохронологической) шкалы.

Исследования Смита, Кювье, Броньяра оказали решающее влияние на дальнейшее развитие геологии. Геология обрела достаточно мощный метод исследования, появилась логическая основа для региональных исследований. Сопоставление разрезов Англии и Центральной Европы позволило бельгийскому геологу О. д'Аллуа выступить в 1831 г. с общими синтетическими схемами осадочных образований, кото­рые являются прототипами расчленения верхнепалеозойских и мезозойских отложений в современной геохронологической шка­ле.

Дальнейшее развитие стратиграфии шло стремительно, и уже к 40-м гг. 19 в. стратиграфическая шкала с выделением систем была разработана практически для всего фанерозоя. Меловая система была выделена д'Аллуа в 1822 г.; каменноугольная - Конибиром и Филлипсом в 1822 г.; юрская - Броньяром в 1829 г.; триасовая - Альберти в 1834 г.; кембрийская - Седжвиком в 1835 г.; силурийская - Мерчисоном в 1839 г.; девонская - Седжвиком и Мерчисоном также в 1839 г.; пермская - Мерчисоном в России в 1841 г.

Во 2-ой половине 19 в. были выделены недостаю­щие компоненты стратиграфической шкалы: неогеновая система в 1853 г. Хорнсом, палеогеновая - в 1866 г. Науманом; архей - в 1872 г. Дэной; ордовикская система — в 1879 г. Лапвортом, протерозой - в 1887 г. Эммонсом.

Серьёзное изучение стратиграфии началось во второй половине 19 века. Тогда на II—VIII сессиях Международного геологического конгресса в 1881—1900 гг. были приняты иерархия и номенклатура большинства современных стратиграфических подразделений. В последующем Международная геохронологическая (стратиграфическая) шкала постоянно уточнялась.

Конкретные названия системам (периодам) давали по разным признакам. Чаще всего использовали географические названия. Так, название кембрийской системы происходит от лат. Cambria — названия Уэльса, когда он был в составе Римской империи, девонской — от графства Девоншир в Англии, пермской — от г. Перми, юрской — от гор Юра в Европе. В честь древних племен названы вендская (славянское племя веенды), ордовикская и силурийская (племена кельтов ордовики и силоры) системы. Реже использовались названия, связанные с составом пород. Каменноугольная система названа из-за большого количества угольных пластов, а меловая — из-за широкого распространения писчего мела.

В России высшим органом, организующим и координирующим стратиграфическую службу, является Межведомственный стратиграфический комитет России.

 

История кристаллографии.

Истоки кристаллографии можно усмотреть еще в античности, когда греки предприняли первые попытки описания кристаллов. При этом большое значение придавалось их форме. Греками же была создана геометрия, выведены пять платоновых тел и сконструировано множество многогранников, позволяющих описывать форму кристаллов.

1611 год — трактат «О шестиугольных снежинках» немецкого астронома и математика И. Кеплера. Кеплера иногда называют ранним предшественником структурной кристаллографии.

Как самостоятельная дисциплина кристаллография была изложена французским минералогом Жаном Батистом Луи Роме-де-Лилем в 1772 году в сочинении «Опыт кристаллографии». Позднее он, переработав и расширив это сочинение, опубликовал его в 1783 году под названием «Кристаллография, или описание форм, присущих всем телам минерального царства».

Заметной вехой в истории кристаллографии явилась книга, написанная в 1784 французским аббатом Р. Гаюи. Он выдвинул предположение, что кристаллы возникают в результате правильной укладки крохотных одинаковых частиц, которые он назвал "молекулярными блоками". Гаюи показал, каким образом можно получить гладкие плоские грани кальцита, укладывая такие "кирпичики". Различия в форме разных веществ он объяснил разницей как в форме "кирпичиков", так и в способе их укладки. Со времен Гаюи было принято как гипотеза, что в правильной форме кристалла находит отражение упорядоченное внутреннее расположение частиц, но это было подтверждено лишь в 1912, когда М. фон Лауэ в Мюнхене установил, что рентгеновские лучи дифрагируют на атомных плоскостях внутри кристалла. Ренэ-Жюст Гаюи нашёл весьма важный закон о рациональности разрезов по осям, который имеет значение для всего строения кристалла. Независимо друг от друга он и шведский химик Торберн Бергман выяснили, что из всех кристаллов известковых шпатов можно вырубить кристалл основной формы, тем самым открыли существование плоскостей спайности.

В 1830-е гг. Иоганн Гессель и независимо в 1869 г. Аксель Гадолин доказали, что в кристаллографии возможны лишь 32 вида симметрии, подразделённые в 6 сингонний.

Основываясь на учении о симметрии, теории решетчатых си­стем и кристаллографических построениях Браве, кристалло­графы 2-ой половины 19 в. направили свои усилия на создание теории кристаллической структуры вещества. Основные достижения кристаллографии на рубеже 19 и 20 вв. связываются с именами Грота, Федорова и Гольдшмидта. Грот был организатором первого Ин­ститута минералогии в Германии, создателем международного «Жур­нала кристаллографии и минералогии», являлся автором обоб­щающих трудов по физической и химической кристаллографии. Он сформулировал закон о соотношении между составом и симметрией крис­таллов. Федоров высказал новые оригинальные идеи и создал стро­гую математическую основу со­временной кристаллографии. Раз­работанная им новая методика изучения кристаллов и минера­лов («федоровский столик») спо­собствовала быстрому развитию минералогических и петрографи­ческих исследований. В 1890 г. он математически обосновал 230 способов раз­мещения материальных частиц в кристаллах — 230 пространственных групп симметрии. Гольдшмидт создал фундаментальные труды по кристаллографии. Им были составле­ны крупные сводные справочники.

В начале 20 в. Лауэ открыл явление дифрак­ции рентгеновских лучей на кристаллах и доказал решетчатую геометрию кристаллических структур. Эти законы легли в основу современного кристаллохимического этапа исследования вещества, когда изучается связь между расположением атомов в структурах кристаллов и их хим. составом, характером химической связи и свойствами.

 

История минералогии.

Кремневые отщепы с острыми краями применялись первобытным человеком в качестве орудий труда уже в палеолите. В древности человеку были известны и другие минералы. Некоторые из них, например гематит, гетит и оксиды марганца, применялись в качестве красок, а другие, например янтарь, нефрит, самородное золото, – для изготовления ритуальных предметов, украшений и амулетов. В Египте (5000–3000 до н.э.) самородная медь, золото и серебро использовались для украшений. Несколько позже из меди и ее сплава – бронзы стали изготавливать орудия труда и оружие. В настоящее время минералы служат источником получения металлов, строительных материалов (цемент, штукатурка, стекло и проч.), сырья для химической промышленности и др.

В первом известном трактате по минералогии «О камнях» ученика Аристотеля грека Теофраста (ок. 372–287 до н.э.) минералы делились на металлы, земли и камни. Примерно через 400 лет Плиний Старший (23–79 н.э.) в пяти последних книгах Естественной истории обобщил все имевшиеся на тот момент сведения по минералогии.

В раннем Средневековье среднеазиатский ученый-энциклопедист Бируни (973 – ок. 1050) составил описания драгоценных камней, содержащие сведения по определению, обработке и при­менению около 100 минералов и горных пород. Автор использо­вал в качестве одного из диагностических признаков не только цвет и прозрачность, но и удельный вес минералов, впервые раз­работав способ его определения. Другой выдающийся ученый Ибн Сина (Авиценна) (ок. 980–1037) в трактате «О камнях» дал классификацию всех известных минералов, разделив их на четыре класса: камни и земли, горючие ископаемые, соли, металлы.

16 в. - в труде «О камнях» Палис­си описывает кристаллическую форму минералов, обращая внимание на ее специ­фичность, а также высказывает идею об образовании кристаллов из солевых растворов, отмечая отличие этого процесса от превращения воды в лед.

Агриколе принадлежало разделе­ние минеральных тел на 2 главные группы: однородных тел, или минералов, и сложных минеральных тел, или ГП. Тем самым именно с Агриколы начали различать соб­ственно минералогию и петро­графию. Первым сводом фактических сведений по практической минералогии, горному делу и металлургии стал труд Г.Агриколы «О металлах». Благодаря этому трактату и более раннему труду «О природе ископаемых», в котором содержится классификация минералов на основе их физических свойств, Агрикола прослыл отцом минералогии.

В 1669 г. Н. Стенон, обобщив свои наблюдения над сотнями кристаллов кварца, установил закон постоянства углов между гранями кристаллов. Столетием позже (1772) Роме де Лиль подтвердил выводы Стенона. В 1784 аббат Р. Гаюи заложил основы современных представлений о кристаллической структуре. Ломоносов также сделал ряд важных наблюдений в области минералогии. Он дал свою классификацию горных пород: метал­лы, полуметаллы, жирные (горючие) минералы, соли, камни и земли, руды. В этой классификации кроме химического и минерального состава он использовал структуру и текстуру по­род, а также учитывал их генезис. Измеряя грани углов алмаза и других кристаллов, он, независимо от Стенона, вывел закон о постоянстве углов кристаллов.

А. Кронстедт предложил первую классификацию минералов по химическому составу. Вернер разрабо­тал критерии, позволяющие навести определенный порядок в классификации минералов, сгруппировать разрозненные сведения о них в единую систему.

В первые десятилетия 19 в. успехи физики и химии дали возможность выйти на новый уровень исследования вещества земной коры, и крупнейшие химики стали ведущими минералогами того время. В результате их деятельности был определен точный состав порядка 450 минералов. Берцелиус в 1815 г. предложил первую химическую классификацию минералов с учетом атомной массы и с применением буквенных символов элементов и формул химических соединений. В 1818-1821 гг. Митчерлих объяснил явление изоморфизма и полиморфизма. В 1849 г. Брейтгаупт ввел понятие парагенезис минералов.

В 1809 У.Волластон изобрел отражательный гониометр, что позволило проводить более точные измерения углов между гранями кристаллов, а в 1812 г. выдвинул концепцию пространственной решетки как закона внутреннего строения кристаллов. В 1815 П. Кордье предложил изучать оптические свойства обломков раздробленных минералов под микроскопом. Дальнейшее развитие микроскопических исследований связано с изобретением в 1828 г. У. Николем устройства для получения поляризованного света (призмы Николя). Поляризационный микроскоп был усовершенствован в 1849 Г. Сорби, который применил его к изучению прозрачных шлифов горных пород.

В минералогии во 2-ой половине 19 в. основные достижения были обусловлены более тщательным изу­чением химического состава минералов, их детальным описани­ем и определением регионального распространения. Увеличилось общее количество изученных минералов. Успехи химии и физики позволили минералогам сосредоточить внимание на проблемах изоморфизма, хим. состава и структуры основных породообразующих минералов. Глав­ными объектами исследования стали минералы класса силикатов. В начале 20 в. произошла революцияв связи с открытием рентгеновских лучей (1895) и явления их дифракции в кристаллах (1912), предсказанного ранее Лауэ. Разработали метод рентгеноструктурного анализа, позволившего увидеть внутреннюю структу­ру кристаллов, расположение атомов в кристаллической решет­ке и измерить расстояния между ними. Начал­ся период кристаллохимии минера­лов. Применение рентгеноструктурного анализа подтвердило ре­альность теоретически выведенных ранее Федоровым и Шенфлисом 230 пространственных групп симметрии. Гольдшмидт (1937) сформулировал основной закон кристаллохимии: «Кристалли­ческая структура какого-либо вещества обусловливается чис­лом, величиной и поляризационными свойствами его струк­турных единиц, каковыми являются атомы, ионы или группы атомов». Данные рентгеноструктурного анализа привели к коренному пересмотру принятых ранее на смешанной химико-кристаллографической основе классификаций минералов; теперь во главу угла были поставлены общие особенности их внутренней структуры.

В конце 19 – начале 20 в. развитию минералогии во многом способствовали работы выдающихся российских ученых Н.И.Кокшарова, В.И.Вернадского, Е.С.Федорова, А.Е.Ферсмана, А.К.Болдырева и др. Во второй половине 20 в. минералогия взяла на вооружение новые исследовательские методы физики твердого тела, в частности, инфракрасную спектроскопию, целую серию резонансных методов (электронный парамагнитный резонанс, ядерный гамма-резонанс и др.), люминесцентную спектроскопию и т.д., а также новейшие аналитические методы, включая электронный микрозондовый анализ, электронную микроскопию в сочетании с электронографией и проч. Применение этих методов дает возможность определять химический состав минералов «в точке», т.е. по отдельным зернам минералов, изучать тонкие особенности их кристаллической структуры, содержание и распределение элементов-примесей, природу окраски и люминесценции. Внедрение точных физических методов исследования произвело в минералогии подлинную революцию. С этим этапом развития минералогии связаны имена таких российских ученых, как Н.В.Белов, Д.С.Коржинский, Д.П.Григорьев, И.И.Шафрановский и др.