Состав и петрология мантии и ядра Земли

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого
Уральского отделения Российской академии наук
(ИГГ УрО РАН)
УТВЕРЖДАЮ
Директор Института
академик____________ С.Л. Вотяков
«_____»_____________2015 г.
М.П.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ Б1.В.ОД.2.4/4
Состав и петрология мантии и ядра Земли
основной образовательной программы подготовки
научно-педагогических кадров в аспирантуре
по направлению 05.06.01 Науки о Земле
(направленность 25.00.04 - Петрология и вулканология)
Екатеринбург
2015
Рабочая программа составлена на основании требований Федерального
государственного образовательного стандарта высшего образования «Направление
подготовки 05.06.01 Науки о Земле» к структуре основной образовательной программы
подготовки научно-педагогических кадров высшей квалификации (аспирантура),
утвержденного приказом Минобрнауки РФ от 30.07.2014 г. № 870; паспорта специальностей
научных работников, учебного плана подготовки аспирантов ИГГ УрО РАН по основной
образовательной программе направления 05.06.01 – Науки о Земле, программы-минимум
кандидатского экзамена, утвержденного приказом Минобрнауки РФ от 08.10.2007 г. № 274.
Составитель рабочей программы
Ведущий научный сотрудник,
кандидат геолого-минералогических наук ___________________________ Г.Ю. Шардакова
Рабочая программа утверждена на заседании Ученого Совета
«_____» _____________ 20____ г.,
протокол № ______
Председатель Ученого Совета, академик _____________________________ С.Л. Вотяков
2
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины являются: а) формирование у аспирантов углубленных
профессиональных знаний о физико-химических свойствах вещества в условиях давлений и
температур, характерных для мантии и ядра Земли, получение общих представлений об идущих
там физико-химических процессах и возможных геодинамических следствиях; б) систематика
знаний о внутреннем строении, эволюции и динамике Земли и планет на основании новейших
научных представлений.
2. Место дисциплины в структуре основной профессиональной образовательной
программы послевузовского профессионального образования (аспирантура)
Данная дисциплина относится к группе обязательных дисциплин вариативной части
образовательной программы в соответствии с ФГОС ВО по направлению подготовки
05.06.01 Науки о Земле (уровень подготовки кадров высшей квалификации), направленности
25.00.04 - Петрология и вулканология.
Содержание дисциплины базируется на знаниях, приобретенных в курсах
геодинамики, минералогии и петрографии изверженных и метаморфических пород,
геохимии, кристаллографии и кристаллохимии. В рамках дисциплины углубляются
представления по петрологии магматических пород глубинного происхождения, дается
представление о связи между физическими свойствами минералов и горных пород с их
составом и геохимическими характеристиками, а также о термодинамических и квантовомеханических основах поведения вещества в условиях сверхвысоких давлений и температур.
3. Требования к уровню подготовки аспиранта, завершившего изучение данной
дисциплины
Аспиранты, завершившие изучение данной дисциплины, должны обладать рядом
универсальных компетенций:
− способностью к критическому анализу и оценке современных научных достижений,
генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в
том числе в междисциплинарных областях (УК-1);
− способностью проектировать и осуществлять комплексные исследования, в том числе
междисциплинарные, на основе целостного системного научного мировоззрения с
использованием знаний в области истории и философии науки (УК-2);
− готовностью участвовать в работе российских и международных исследовательских
коллективов по решению научных и научно-образовательных задач (УК-3);
− готовностью использовать современные методы и технологии научной коммуникации
на государственном и иностранном языках (УК-4);
− способностью планировать и решать задачи собственного профессионального и
личностного развития (УК-5).
Выпускник, освоивший программу аспирантуры, должен обладать следующими
общепрофессиональными компетенциями:
− способностью самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в
области геолого-минералогических наук с использованием современных методов
исследования и информационно-коммуникационных технологий (ОПК-1);
− готовностью к преподавательской деятельности (ОПК-2);
Аспиранты, завершившие изучение данной дисциплины, должны обладать рядом
профессиональных компетенций, обусловливаемыми направлением подготовки 05.06.01
Науки о Земле и направленностью программы аспирантуры 25.00.04 «Петрология,
вулканология», в том числе:
3
−
−
−
−
−
−
способностью формировать диагностические решения профессиональных задач путем
интеграции фундаментальных разделов геологических наук и специализированных
знаний, полученных при освоении программы аспирантуры (ПК-1);
способностью самостоятельно проводить научные эксперименты и исследования в
области петрологии, обобщать и анализировать экспериментальную информацию,
делать выводы, формулировать заключения и рекомендации (ПК-2);
способностью создавать и исследовать модели изучаемых объектов на основе
использования углубленных теоретических и практических знаний в области геологии
(ПК-3).
Аспиранты, завершившие изучение данной дисциплины, должны:
иметь представление: о формировании, составе и строении Земли и тел Солнечной
Системы; ранней эволюции и дифференциации Земли, образовании ядра и
магматического океана; минералогии мантии, составе современной верхней и нижней
мантии и ядра, глубинных ксенолитах и сверхглубинных включениях; о мантийной
конвекции, мантийных плюмах, особенностях разных геодинамических режимах;
методах интерпретации геофизических, геохимических и петрологических данных о
внутреннем строении и составе Земли и возможных ограничениях для их применения;
знать и применять: методы экспериментального и теоретического моделирования
вещества при высоких давлениях и температурах, современные аналитические
методики, применяемые для исследования природных и экспериментальных образцов;
уметь: производить базовые расчеты термодинамических и геохимических параметров
исходных веществ и продуктов при твердофазных реакциях и плавлении модельного
вещества мантии Земли, строить и интерпретировать двойные и тройные диаграммы
составов и РТ-диаграммы основных минеральных ассоциаций при высоких давлениях и
температурах. Излагать в устной и письменной форме результаты своего исследования
и аргументировано отстаивать свою точку зрения в дискуссии.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачётных единицы (72 часа).
Вид учебной работы
Объём
Зач.ед.
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего)
Ак.час.
18
в том числе:
Лекции
0,5
16
1,5
54
Семинары
Практические занятия
Самостоятельная работа аспиранта (всего)
Контроль
2
Вид контроля по дисциплине: аттестация, кандидатский
экзамен
4
5. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
1
2
3
4
Название раздела
дисциплины
Происхождение и строение
Земли и планет земной
группы. Состав хондритов.
Эволюция вещества в
геологической истории
Земли. Геохронология.
Гравитационное поле и
изостазия. Тепловое поле
Земли. Магнитное поле
Земли. Общие сведения о
свойствах, составе и
реологии различных слоев
Земли.
Мантия Земли. Ее глубинная
динамика. Ядро Земли.
Взаимодействие на границе
ядро-мантия и процессы в
слое “D”.
Виды источников энергии в
истории развития Земли.
Изменения энергетического
баланса Земли в ходе
геологической истории. Роль
мантийных плюмов и
проблемы в плюм-тектонике.
Аттестация
ВСЕГО
всего
ауд.
часов
лекции
Объём часов
из них
практич.
семинары
занятия
самостоят.
работа
16
4
12
16
4
12
16
4
12
22
4
18
2
72
16
54
72
6. Содержание дисциплины:
1.
2.
3.
Происхождение элементов, распространенность элементов в солнечной системе.
Классификация метеоритов. Образование планет. Характеристика состава планет
Солнечной Системы и их спутников. Кометы, межзвездная пыль. Космическая
изотопия и геохронология. Образование и эволюция Земли. Аккреция Земли и
первичная дифференциация. Состав и дифференциация Земли до и после образования
Луны во время «гигантского взрыва». Образование ядра. Магматический океан.
Гипотезы происхождения воды и образования океанов.
Получение представления о полях Земли. Гравитационное поле и изостазия.
Гляциоизостазия, геологические примеры. Тепловое поле Земли. Магнитное поле
Земли.
Общие сведения о составе и строении мантии и ядра Земли. История открытия и
попытки интерпретации фазовых границ при высоких давлениях в 50-70-х годах
XX века. Физико-химические свойства вещества при высоких давлениях. Сейсмические
свойства минералов и структура Земли. Термодинамика, уравнение состояния, упругие
5
4.
5.
6.
7.
характеристики, фазовые переходы при высоких РТ параметрах. Методы исследования
вещества при высоком давлении. Косвенные изотопно-геохимические методы
исследования вещества при высоких давлениях.
Состав и строение мантии Земли. Космохимические оценки состава мантии Земли.
Сейсмологические оценки состава мантии Земли. Минералогия Земли – фазовые
переходы и состав нижней мантии. Минералогия мантии. Летучие компоненты и
микроэлементы. Мантийные неоднородности по данным изучения океанических
базальтов. Мантийные породы на поверхности Земли. Перидотитовые массивы,
офиолиты и перидотиты океанического дна. Мантийные ксенолиты, алмазы и
включения в них. Благородные газы и их изотопия. Распределение летучих
компонентов в мантии Земли. Экстракция расплава и неоднородность литосферы.
Распеределение редких элементов при высоких давлениях и температурах. Глубинная
динамика мантии Земли. Физические основы мантийной конвекции. Лабораторные и
численные методы моделирования мантийной конвекции. Температура, тепловой поток
и энергетика мантии Земли. Субдукция и ее роль в изменении состава верхней и
нижней мантии. Конвективное перемешивание мантии. Эволюция состава мантии
Земли во времени. Плитная тектоника во времени и механизмы образования
континентальной коры. Термическая эволюция мантии и Земли. Мантийные плюмы.
Горячие точки и аномалии плавления мантии. Химическая геодинамика.
Ядро Земли. Общие представления о составе и строении ядра. История открытия
внешнего и внутреннего ядра. Образование металлического ядра по геохимическим
данным. Методы исследования ядра Земли (геофизические, экспериментальные,
теоретические). Дефицит плотности и легкие элементы в составе ядра. Фазовая
диаграмма железа и его соединений с легкими элементами. Температура на границах
раздела. Увеличение размера внутреннего ядра. Анизотропия внутреннего ядра.
Модели магнитного поля и геодинамо. Энергетика и тепловая эволюция ядра. Потоки
вещества в ядре, тепловая и химическая конвекция вещества. Смена полярности
магнитного поля. Динамика внутреннего ядра.
Взаимодействие на границе ядро-мантия и процессы в слое “D”. Постперовскитовая
фаза. Модели взаимодействия силикатов с расплавленным и твердым железом.
Возможность субдукции до границы ядро-мантия.
Виды источников энергии в истории развития Земли. Изменения энергетического
баланса Земли в ходе геологической истории и геодинамические следствия. Мантийные
плюмы: модели генерации, РТ ограничения, признаки, геологические примеры. Роль
плюмов в земной энергетике. Месторождения, связанные с плюмами. Проблемы в
плюм-тектонике.
7. Самостоятельная работа аспирантов
Подготовка обзоров литературы по актуальным проблемам петрологии мантии и ядра
Земли с использованием новейших отечественных и зарубежных публикаций. Изучение
коллекций, имеющихся в ИГГ УрО РАН (образцов, шлифов, аналитических материалов)
пород, образованных при высоком давлении.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
8.1. Основная и дополнительная литература
а) основная литература
1. Добрецов Н.Л. Основы тектоники и геодинамики. Новосибирск: НГУ, 2011. – 492 с.
2. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г., Кирдяшкин А.А. Глубинная геодинамика.
Новосибирск: Гео, 2001. – 409 с.
6
3. Пущаровский Ю.М. Тектоника Земли. Этюды. Избранные труды. Т. 1, 2. М.: Наука,
2005. – 348 с.
4. Пущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю. Геология мантии Земли. М.: Геос, 2010. –
138 с.
5. Рингвуд А.Е. Состав и петрология мантии Земли. М.: Недра, 1981.
6. Розен О.М. Геодинамика ранней Земли: эволюция и устойчивость геологических
процессов (офиолиты, островные дуги, кратоны, осадочные бассейны). М.: Научный
мир, 2008. – 184 с.
б) дополнительная литература
1. Богатиков О.А., Коваленко В.И., Шарков Е.В. Магматизм, тектоника, геодинамика
Земли. Связь во времени и в пространстве Труды Института геологии рудных
месторождений, петрографии, минералогии и геохимии. Выпуск 3. М.: Наука, 2010. –
608 с.
2. Жариков В.А. Основы физической геохимии. М.: МГУ, 2005. – 654 с.
3. Anderson, D.L. New Theory of the Earth. Cambridge University Press. (2007).
4. Foulger, G.R. Plates vs. Plumes: A Geological Controversy. Wiley-Blackwell. (2010).
5. Nixon, P.H. Mantle xenoliths: J. Wiley & Sons, (1987). – 844 p.
6. Stacey, F.D., Davis, P.M., Physics of the Earth, 4th edition. Cambridge University Press,
Cambridge, UK, 2008. – 532 p.
1.
2.
3.
4.
5.
в) программное обеспечение и интернет-ресурсы
Геотектоника с основами геодинамики. http://padaread.com/?book=64703&pg=4
Гончаров М.А., Талицкий В.Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику.
http://www.twirpx.com/file/1321112/
Когда, как и почему образовались геосферы Земли. Пущаровский Ю.М., Пущаровский
Д.Ю. http://popovgeo.sfedu.ru/sites/default/files/library
Пущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю. Геология мантии Земли. М: Геос, 2010. 138 с.
http://www.twirpx.com/file/1071239/
Сейсмическое изображение мантийных плюмов.
http://www.olegyakupov.com/Translations/Seismic_Imaging_Mantle_Plumes.htm
8.2. Вопросы к кандидатскому экзамену
1. Распространенность элементов в солнечной системе. Характеристика состава планет
Солнечной системы. Образование и эволюция Земли. Состав и дифференциация Земли.
2. Метеориты: хондриты, железные метеориты, палласиты, мезосидериты и ахондриты.
Астероиды. Представления о происхождении метеоритов и астероидов. Горные породы
Луны и сопоставление их с земными породами и ахондритами.
3. Характеристика физических полей Земли: гравитационное поле и изостазия, тепловое
поле, магнитное поле. Инверсии магнитного поля.
4. Общие сведения о составе и строении мантии и ядра Земли. Физико-химические
свойства вещества при высоких давлениях. Термодинамика, уравнение состояния,
упругие характеристики, фазовые переходы при высоких РТ параметрах. Методы
исследования вещества при высоком давлении.
5. Состав и строение мантии Земли. Модели ее минерального и химического состава.
6. Сейсмологические оценки состава и строения мантии Земли. Фазовые переходы в
мантии.
7. Мантийные неоднородности по данным изучения океанических базальтов. Мантийные
породы на поверхности Земли. Перидотитовые массивы, офиолиты и перидотиты
океанического дна. Мантийные ксенолиты, алмазы и включения в них.
7
8. Геофизические неоднородности мантии. Сейсмотомография как инструмент познания
глубинного строения.
9. Распределение летучих компонентов в мантии Земли. Экстракция расплава и
неоднородность литосферы. Распределение редких элементов при высоких давлениях и
температурах.
10. Модели мантийной конвекции. Температура, тепловой поток и энергетика мантии
Земли. Изменение теплового режима Земли в ходе геологической истории.
11. Субдукция и ее роль в изменении состава верхней и нижней мантии. Конвективное
перемешивание мантии. Эволюция состава мантии Земли во времени.
12. Формирование континентальной коры. Внутриплитовая субдукция и коллизия.
Аккреция.
13. Эволюция составов магматического источника от субдукции к коллизии. Зональность
магматизма.
14. Мантийные плюмы: модели генерации, РТ ограничения, признаки, геологические
примеры. Роль плюмов в земной энергетике. Месторождения, связанные с плюмами.
«Горячие» и «мокрые» пятна. Проблемы в плюм-тектонике.
15. Общие представления о составе и строении ядра Земли. Образование металлического
ядра по геохимическим данным. Методы исследования ядра Земли (геофизические,
экспериментальные, теоретические). Температурный режим на границах раздела.
Возможность субдукции до границы ядро-мантия.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
ИГГ УрО РАН располагает необходимыми помещениями для проведения лекционных,
семинарских и практических занятий. Имеются библиотечные и Интернет-ресурсы для
самостоятельной работы.
В ИГГ УрО РАН имеются образцы типовых ассоциаций пород, коллекции шлифов,
аналитические материалы для построения диаграмм.
Приборная база для возможных аналитических исследований петрографических
образцов укомплектована современными приборами.
8
ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ В РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ
за _________/_________ учебный год
В рабочую программу __________________________________________________________
(наименование дисциплины)
Для специальности(тей) ________________________________________________________
(номер специальности)
Вносятся следующие дополнения и изменения:
Дополнения и изменения внес ___________________________________________________
(должность, ФИО, подпись)
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании Ученого совета
«___» _______________ 20___ г.
Председатель Ученого совета ___________________
(подпись)
_____________________
(ФИО)
9