Файл: Образовательная автономная некоммерческая организация высшего образования Московский открытый институт.pdf
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 795
Скачиваний: 7
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Образовательная автономная некоммерческая
организация высшего образования
«Московский открытый институт»
Мунхоев Л.И.
Интернет-курс
по дисциплине
«Инженерная геология»
Москва
2021
2
Содержание
Аннотация к дисциплине .................................................................................................... 4
Теория происхождения Солнечной системы и Земли ..................................................... 5
Введение ............................................................................................................................... 5
Вопрос 1. Теория происхождения Солнечной системы и Земли. ............................... 9
Вопрос 2. Образование Вселенной. ............................................................................... 9
Вопрос 3. Солнечная система. ...................................................................................... 11
Тема 1. Основные данные о Земле и земной коре .......................................................... 18
Вопрос 1. Основные данные о Земле и земной коре. ................................................. 18
Вопрос 2. Форма и размеры Земли. ............................................................................. 18
Вопрос 3. Внутреннее строение Земли. ....................................................................... 20
Вопрос 4. Термодинамические условия ...................................................................... 23
Тема 2. Строение земной коры ......................................................................................... 27
Вопрос 1. Строение земной коры. ................................................................................ 27
Тема 3. Вещественный состав земной коры ................................................................... 30
Вопрос 1. Вещественный состав земной коры. .......................................................... 30
Вопрос 2. Химический состав земной коры................................................................ 30
Вопрос 3. Минералы. ..................................................................................................... 31
Вопрос 4. Горные породы. ............................................................................................ 47
Тема 4. Геологические процессы ..................................................................................... 65
Вопрос 1. Геологические процессы. ............................................................................ 65
Вопрос 2. Экзогенные процессы. ................................................................................. 65
Вопрос 3. Эндогенные процессы................................................................................ 106
Тема 5. Основы исторической геологии ....................................................................... 145
Вопрос 1. Основы исторической геологии. ............................................................... 145
Вопрос 2. Относительная и абсолютная геохронология и методы реконструкции геологического прошлого. .......................................................................................... 145
Тема 6. Подземные воды ................................................................................................. 153
Вопрос 1. Виды воды в горных породах. .................................................................. 153
Вопрос 2. Происхождение подземных вод................................................................ 158
Вопрос 3. Классификация подземных вод. ............................................................... 159
Вопрос 4. Грунтовые воды и их режим. .................................................................... 160
Вопрос 5. Напорные подземные воды. ...................................................................... 165
Вопрос 6. Общая минерализация и химический состав подземных вод. ............... 169
Вопрос 7. Минеральные воды. ................................................................................... 172
Тема 7. Динамика подземных вод .................................................................................. 174
Вопрос 1. Динамика подземных вод. ......................................................................... 174
Вопрос 2. Движение воды в зоне аэрации. ................................................................ 174
Вопрос 3. Движение воды в зоне насыщения. .......................................................... 177
3
Тема 8. Грунтоведение .................................................................................................... 179
Вопрос 1. Состав и строение грунта. Виды грунтов. ............................................... 179
Вопрос 2. Основные виды грунтов. ........................................................................... 188
Вопрос 3. Классификация грунтов. ............................................................................ 189
Тема 9. Назначения и условия проведения исследований .......................................... 192
Вопрос 1. Цель исследований. .................................................................................... 192
Вопрос 2. Задачи исследований. ................................................................................ 192
Вопрос 3. Объем исследований. ................................................................................. 194
Тема 10. Виды инженерно-геологических исследований и их содержание .............. 197
Вопрос 1. Виды инженерно-геологических исследований и их содержание. ....... 197
Вопрос 2. Гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка. .................... 197
Вопрос 3. Разведочные работы. .................................................................................. 198
Вопрос 4. Геофизические методы исследований. .................................................... 200
Вопрос 5. Опытные полевые работы. ........................................................................ 201
Вопрос 6. Стационарные наблюдения. ...................................................................... 203
Вопрос 7. Лабораторные работы. ............................................................................... 204
Вопрос 8. Камеральные работы. ................................................................................. 205
Заключение ....................................................................................................................... 207
Литература ....................................................................................................................... 208
4
Аннотация к дисциплине
Дисциплина «Инженерная геология» является частью общей инженерной подготовки. Учебный курс способствует формированию профессиональных и общих компетенций по всем видам деятельности. В результате изучения студенты должны понимать геологические процессы, их классификацию в инженерной геологии, иметь представление о видах инженерно-геологических исследований и их содержании, гидрогеологической и инженерно-геологической съемке, разведочных работах, геофизических методах исследований, опытных полевых работах, стационарных наблюдениях.
Рекомендации студентам по организации самостоятельной
работы.
В современных условиях обучения продуктивность усвоения учебного материала по любой дисциплине во многом определяется интенсивностью и качеством самостоятельной работы студента.
Цель дисциплины: освоение студентом знаний о геологической среде, протекающих в ней процессах и ее влияние на работу зданий и сооружений; знаний в области инженерных изысканий, принципов проектирования зданий, сооружений, инженерных систем и оборудования, планировки и застройки населенных мест.
Задачи дисциплины:
изучение строения, состава, состояния и основных инженерно- геологических свойств грунтов;
изучение видов подземных вод и основные закономерности их динамики;
изучение природы инженерно-геологических процессов и явлений и способов борьбы с ними;
изучение особенностей работы фундаментов и оснований в различных инженерно-геологических условиях;
изучение методов проведения инженерно-геологических изысканий в строительстве.
5
Теория происхождения Солнечной системы и Земли
Введение
Геология (греч. «гео» – Земля, «логос» – учение) – одна из важнейших наук о Земле. Она занимается изучением состава, строения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук – математики, физики, химии, биологии, географии. Значительный прогресс в указанных областях наук и геологии ознаменовался появлением и развитием важных пограничных наук о
Земле – геофизики, геохимии, биогеохимии, кристаллохимии, палеогеографии, позволяющих получить данные о составе, состоянии и свойствах вещества глубоких частей земной коры и оболочек Земли, расположенных ниже. Особо следует отметить многостороннюю связь геологии с географией
(ландшафтоведением, климатологией, гидрологией, гляциологией, океанографией) в познании различных геологических процессов, совершающихся на поверхности Земли.
Взаимосвязь геологии и географии особенно проявляется в изучении рельефа земной поверхности и закономерностей его развития. Геология при изучении рельефа использует данные географии, так же как и география опирается на историю геологического развития и взаимодействия различных геологических процессов. Вследствие этого наука о рельефе – геоморфология – фактически является также пограничной наукой.
По геофизическим данным в строении Земли выделяется несколько оболочек: земная кора, мантия и ядро Земли. Предметом непосредственного изучения геологии являются земная кора и подстилающий твердый слой верхней мантии – литосфера (греч. «литос»
– камень). Сложность изучаемого объекта вызвала значительную дифференциацию геологических наук, комплекс которых совместно с пограничными науками (геофизикой, геохимией и др.) позволяет получить освещение различных сторон его строения, сущность совершающихся процессов, историю развития и др.
Одним из нескольких основных направлений в геологии является изучение вещественного состава литосферы: горных пород, минералов, химических элементов. Одни горные породы образуются из магматического силикатного расплава и называются магматическими, или изверженными, другие – путем осаждения и накопления в морских и континентальных условиях и называются осадочными; третьи – за счет изменения различных горных пород под влиянием температуры и давления, жидких и газовых флюидов и называются метаморфическими.
6
Изучением вещественного состава литосферы занимается комплекс геологических наук, объединяющихся часто под названием геохимического цикла. К ним относятся: петрография (греч. «петрос» – камень, скала, «графо» – пишу, описываю), или петрология – наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их состав, структуру, условия образования, степень изменения под влиянием различных факторов и закономерность распределения в земной коре.
Литология (греч. «литос» – камень) – наука, изучающая осадочные горные породы. Минералогия – наука, изучающая минералы – природные химические соединения или отдельные химические элементы, слагающие горные породы. Кристаллография и кристаллохимия занимаются изучением кристаллов и кристаллического состояния минералов.
Геохимия – обобщающая синтезирующая наука о вещественном составе литосферы, опирающаяся на достижения указанных выше наук и изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на ее поверхности. С рождением изотопной геохимии в геологии открылась новая страница в восстановлении истории геологического развития Земли.
Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы – непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме – лавовых потоках.
Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150 – 200 км. Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы, физические и химические исследования – рентгеноструктурные, спектрографические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.
7
Следующим направлением геологической науки является динамическая геология, изучающая разнообразные геологические процессы, формы рельефа земной поверхности, взаимоотношения различных по генезису горных пород, характер их залегания и деформации. Известно, что в ходе геологического развития происходили многократные изменения состава, состояния вещества, облика поверхности Земли и строения земной коры. Эти преобразования связаны с различными геологическими процессами и их взаимодействием. Среди них выделяются две группы:
1) Эндогенные (греч. «эндос» – внутри), или внутренние, связанные с тепловым воздействием
Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, с гравитационной энергией и ее неравномерным распределением.
2) Экзогенные (греч. «экзос» – снаружи, внешний), или внешние, вызывающие существенные изменения в поверхностной и приповерхностной частях земной коры. Эти изменения связаны с лучистой энергией Солнца, силой тяжести, непрерывным перемещением водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной коры, с жизнедеятельностью организмов и другими факторами.
Все экзогенные процессы тесно связаны с эндогенными, что отражает сложность и единство сил, действующих внутри Земли и на ее поверхности.
В область динамической геологии входит геотектоника (греч.
«тектос» – строитель, структура, строение) – наука, изучающая структуру земной коры и литосферы и их эволюцию во времени и пространстве.
Частные ветви геотектоники составляют: структурная геология, занимающаяся формами залегания горных пород; тектонофизика, изучающая физические основы деформации горных пород; региональная геотектоника, предметом изучения которой служит структура и ее развитие в пределах отдельных крупных регионов земной коры.
Важными разделами динамической геологии являются сейсмология
(греч. «сейсмос» – сотрясение) – наука о землетрясениях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами.
История геологического развития земной коры и Земли в целом является предметом изучения исторической геологии, в состав которой входит стратиграфия (греч. «стратум» – слой), занимающаяся последовательностью формирования толщ горных пород и расчленением их на различные подразделения, а также палеогеография (греч. «паляйос»
– древний), изучающая физико-географические обстановки на поверхности Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры.
Расчленение толщ горных пород и установление относительного геологического возраста слоев невозможны без изучения ископаемых органических остатков, которым занимается палеонтология, тесно
8 связанная как с биологией, так и с геологией. Следует подчеркнуть, что важной геологической задачей является изучение геологического строения и развития определенных участков земной коры, именуемых регионами и обладающих какими-то общими чертами структуры и эволюции. Этим занимается обычно региональная геология, которая практически использует все перечисленные ветви геологической науки, а последние, взаимодействуя между собой, дополняют друг друга, что демонстрирует их тесную связь и неразрывность. При региональных исследованиях широко используются дистанционные методы, когда наблюдения осуществляются с вертолетов, самолетов и с искусственных спутников Земли.
Косвенные методы познания, в основном глубинного строения земной коры и Земли в целом, широко используются геофизикой – наукой, основанной на физических методах исследования. Благодаря различным физическим полям, применяемым в подобных исследованиях, выделяются магнитометрические, гравиметрические, электрометрические, сейсмометрические и ряд других методов изучения геологической структуры. Геофизика тесно связана с физикой, математикой и геологией.
Одна из важнейших задач геологии – прогнозирование залежей минерального сырья, составляющего основу экономической мощи государства. Этим занимается наука о месторождениях полезных ископаемых, в сферу которой входят как рудные и нерудные ископаемые, так и горючие – нефть, газ, уголь, горючие сланцы. Не менее важным полезным ископаемым в наши дни является вода, особенно подземная, происхождением, условиями залегания, составом и закономерностями движений которой занимается наука гидрогеология (греч. «гидер» – вода), связанная как с химией, так и с физикой и, конечно, с геологией.
Важное значение имеет инженерная геология – наука, исследующая земную кору в качестве среды жизни и разнообразной деятельности человека. Возникнув как прикладная ветвь геологии, занимающаяся изучением геологических условий строительства инженерных сооружений, эта наука в наши дни решает важные проблемы, связанные с воздействием человека на литосферу и окружающую среду.
Инженерная геология взаимодействует с физикой, химией, математикой и механикой, с одной стороны, и с различными дисциплинами геологии – с другой, с горным делом и строительством – с третьей. За последнее время оформилась как самостоятельная наука геокриология (греч.
«криос» – холод, лед), изучающая процессы в областях развития многолетнемерзлых горных пород «вечной мерзлоты», занимающих почти 50% территории России. Геокриология тесно связана с инженерной геологией.
9
С начала освоения космического пространства возникла космическая геология, или геология планет. Освоение океанских и морских глубин привело к появлению морской геологии, значение которой быстро возрастает в связи с тем, что уже сейчас почти треть добываемой в мире нефти приходится на дно акваторий морей и океанов.
Разработка теоретических проблем геологии сочетается с решением ряда народнохозяйственных задач:
поиск и открытия новых месторождений различных полезных ископаемых, являющихся основной базой промышленности и сельского хозяйства;
изучение и определение ресурсов подземных вод, необходимых для питьевого и промышленного водоснабжения, а также мелиорации земель;
инженерно-геологическое обоснование проектов возводимых крупных сооружений и научный прогноз изменения условий после окончания их строительства;
охрана и рациональное использование недр Земли.
Познание всех закономерностей эволюции
Земли, ее происхождения и развития исключительно важно в контексте общего материалистического понимания природы, в тех философских построениях, которые отражают единство мира. В этом заключается общенаучное значение геологии.
Вопрос 1. Теория происхождения Солнечной системы и Земли.
Наша Земля – одна из девяти планет Солнечной системы, а Солнце
– это рядовая звезда – желтый карлик, находящаяся в галактике Млечного
Пути, одной из сотен миллионов галактик в наблюдаемой части
Вселенной. Несмотря на то, что непосредственным объектом изучения геологии является планета Земля, нам необходимы знания и о других планетах, звездах, галактиках, т. к. все они находятся в определенном взаимодействии, начиная с момента их появления во Вселенной. Поэтому наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства, и будет уместно сказать несколько слов о том, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная.
Вопрос 2. Образование Вселенной.
Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 вещества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса
Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 8/9 массы ее вещества. В наблюдаемой форме Вселенная возникла около 18 – 20 млрд лет назад. До этого времени все ее вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не в
10 состоянии описать.
Такое состояние вещества называется
«сингулярным». Теория расширяющейся Вселенной, или «Большого
Взрыва» (Big Bang, англ.), впервые была создана А. А. Фридманом в
России в 1922 г. Талантливый ученый А. А. Фридман скончался в 1925 г. в возрасте 37 лет, но выдающаяся теория при его жизни по достоинству оценена не была. С какого-то момента, отстоящего от нас на 20 млрд лет, вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которые в самых общих чертах можно уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному. Вечно возникающий вопрос «А что же было до Большого Взрыва», по мнению известного английского физика С. Хогинса, носит метафизический характер, т. к. это состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.
С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется, и все объекты в ней и галактики и звезды равноудаляются друг от друга. Это расширение «всех от всех» в настоящее время хорошо подтверждается рядом экспериментальных фактов.
1. «Разбегание» галактик и скоплений галактик». Доказательство этого явления связано с эффектом Доплера, заключающимся в том, что спектральные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объекта всегда смещаются в красную сторону, а приближающегося
– в голубую. Во всех случаях наблюдения спектральных линий поглощения от галактик и далеких звезд смещение происходит в красную сторону, причем, чем дальше отстоит от нас объект наблюдения, тем смещение больше (рис. 1).
2. «Реликтовое излучении». В 1964 г. американские астрономы
Арно Пензиас и Роберт Вилсон с помощью рупорной антенны фирмы
«Белл телефон» в штате Нью Джерси, обнаружили фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного тела с
Т ≈ 2,75 К. За это выдающееся открытие ХХ века авторы в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии. Еще до обнаружения фонового микроволнового излучения оно было предсказано физиками- теоретиками.
11
Рис. 1. Эффект Доплера. При удалении объекта от наблюдателя
спектральные линии смещаются в сторону красного цвета («красные
смещения»)
Излучение с такой низкой температурой представляет собой реликт равновесного электромагнитного излучения с очень высокой первоначальной температурой, существовавшего на самых ранних стадиях образования Вселенной, сразу же после начала «Большого
Взрыва». С тех пор эффективная температура от многих миллионов упала до трех градусов Кельвина.
3. Наблюдаемый химический состав Вселенной составляет по массе
3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. В такой пропорции 3:1 Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а, кроме того, и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.
Спустя примерно 1 млрд лет после начала Большого Взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов, стали формироваться звезды и галактики, скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведет к очень высоким температурам, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т. е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.
Вопрос 3. Солнечная система.
В центре нашей планетной системы находится звезда – Солнце, в котором сосредоточено 99,866% всей массы системы. На все 8 планет и десятки их спутников приходится только 0,134% вещества системы. В то же время 98% момента количества движения, т. е. произведения массы на скорость и радиус вращения, сосредоточено в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 000 астероидов или
12 малых планет и около 10 11
комет, а также огромное количество мелких обломков – метеоритов.
Солнце и его параметры.
Солнце – это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в Галактике Млечного Пути. Солнце имеет диаметр
1,4 млн км (1 391 980 км), массу, равную 1,98·10 33
кг, и плотность 1,4 г/см
3
, хотя в центре она может достигать 160 г/см
3
В структуре Солнца различают внутреннюю часть, или гелиевое ядро, с Т15 млн К (0
о
С = 273 К), далее располагается зона лучистого равновесия – фотосфера, мощностью до 1 тыс. км и с Т от 800 К на глубине 300 км и до 4000 К в верхних слоях, а самую внешнюю часть
Солнечного диска составляет хромосфера, мощностью 10 – 15 тыс км с
Т20 000 К (рис. 2).
Рис. 2. Внутренняя структура Солнца
Гранулярная структура фотосферы обусловлена всплыванием более высокотемпературных потоков газа и погружением относительно более холодных. Говоря о хромосфере и фотосфере, нельзя не сказать о явлениях солнечной активности, оказывающих влияние на нашу планету.
Локальные, очень сильные магнитные поля, возникающие во внешних оболочках Солнца, препятствуют ионизованной плазме – хорошему проводнику – перемещаться поперек линий магнитной индукции. В
13 подобных участках и возникает темное пятно, т. к. процесс перемешивания плазмы замедляется. Солнечные протуберанцы – это грандиозные выбросы хромосферного вещества, поддерживаемые сильными магнитными полями активных областей
Солнца.
Хромосферные вспышки, факелы, протуберанцы демонстрируют непрерывную активность Солнца.
Выше хромосферы и фотосферы располагается Солнечная корона мощностью 12 – 13 млн км и с Т 1,5 млн К, хорошо наблюдаемая во время полных солнечных затмений. Вещество, располагающееся внутри
Солнца, под давлением внешних слоев, сжимается и чем глубже, тем сильнее. В этом же направлении увеличивается и температура, и когда она достигает 15 млн К – происходит термоядерная реакция. В ядре сосредоточено более 50% массы Солнца, хотя радиус ядра всего 25% от радиуса Солнца. Энергия из ядра переносится к внешним сферам Солнца за счет лучистого и конвективного переноса.
В составе Солнца господствует водород, составляющий 73% по массе и гелий – 25%. На остальные 2% приходятся более тяжелые элементы, такие как Fe, O, C, Ne, N, Si, Mg и S, всего 67 химических элементов. Источник энергии Солнца – ядерный синтез, слияние четырех ядер Н-протонов образует одно ядро гелия с выделением огромного количества энергии. 1 грамм водорода, принимающий участие в термоядерной реакции, выделяет 6·10 11
Дж энергии. Такого количества тепла хватит для нагревания 1000 м
3 воды от 0° до точки кипения. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется, т. к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним циклом нарастания и убывания солнечной активности, когда формируются солнечные пятна с диаметром в среднем
66 000 км. Солнечный ветер, исходящий во все стороны от Солнца, представляет собой поток плазмы – протоны и электроны, с альфа- частицами и ионизированными атомами С, О и других более тяжелых элементов. Скорость солнечного ветра вблизи Земли достигает 400 – 500 и даже 1000 км/с.
Солнечный ветер распространяется дальше орбиты Сатурна, образуя так называемую гелиосферу, контактирующую уже с межзвездным газом. Выделение энергии Солнцем, как и температура, остается практически неизмененным на протяжении 5,0 млрд лет, т. е. с момента образования Солнца. Атомного горючего – водорода на Солнце должно хватить по расчетам еще на 5 млрд лет. Когда запасы водорода истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои расширяться, и Солнце сначала превратится в «красный гигант», а затем – в «белый карлик».
14
Тепло и свет Солнца оказывают большое влияние на земные процессы: климат, гидрологический цикл, выветривание, эрозия, существование жизни.
Строение Солнечной системы.
Вокруг Солнца вращаются 8 планет. Меркурий, Венера, Земля и
Марс, ближайшие к Солнцу планеты, относятся к внутренним, или планетам земной группы. Далее, за поясом астероидов, располагаются планеты внешней группы – гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и маленький Плутон
1
, открытый лишь 1930 г. Расстояние от Солнца до
Плутона равняется 40 астрономическим единицам (1 А.Е. = 150 млн км, расстояние от Земли до Солнца). За Плутоном находится «щель» – кольцо с радиусом 2×10 3
А.Е., где практически нет вещества (рис. 3). Далее, в интервале 2×10 3
– 2×10 4
А.Е. располагается кольцо с огромным количеством материи в виде ядер комет с массой, равной 10 4
масс Солнца, и угловым моментом, в 100 раз превышающим современный угловой момент всей Солнечной системы. Это так называемое внутреннее облако
Оорта.
1
Со дня своего открытия в 1930 и до 2006 года Плутон считался девятой планетой Солнечной системы.
Однако в конце XX и начале XXI века во внешней части Солнечной системы было открыто множество объектов. Среди них примечательны Квавар, Седна и особенно Эрида, которая на 27 % массивнее
Плутона. 24 августа 2006 года МАС впервые дал определение термину «планета». Плутон не попадал под это определение, и МАС причислил его к новой категории карликовых планет вместе с Эридой и
Церерой. После переклассификации Плутон был добавлен к списку малых планет и получил номер
134340 по каталогу Центра малых планет. Некоторые учёные продолжают считать, что Плутон должен быть переклассифицирован обратно в планету
(см. https://ru.wikipedia.org
).
15
Рис. 3. Строение Солнечной системы. А.Е. – одна астрономическая
единица (150 млн км). Внутреннее и внешнее облака Оорта содержат
огромное количество ядер комет
Еще дальше, в интервале 2·10 4
– 5·10 4
А.Е., располагается собственно облако Оорта, состоящее также из ядер комет с общей массой
100 масс Солнца и угловым моментом в 10 раз выше, чем у планетной системы. По существу, радиус в 5·10 4
А.Е. и определяет современную границу Солнечной системы в широком смысле этого понятия. Знание о строение планет, особенно земной группы, представляет большой интерес для геологов, т. к. их внутренняя структура довольно близка к нашей планете.
Происхождение Солнечной системы.
Образование Солнца и планет является одним из фундаментальных вопросов естествознания. Джордано Бруно в ХVI веке был первым, высказавшим мысль о том, что многие звезды, как и Солнце, окружены планетами, и эти системы то возникают, то умирают. Только в ХVIII веке благодаря трудам выдающихся ученых Иммануила Канта и Пьера
Лапласа сформировалась наука о происхождении всех небесных тел – космогония. Они показали, что т. к. движение всех планет подчинено одному закону, то и образование их должно также происходить по единому закону. Именно они высказали идею о газопылевой туманности, первоначально вращавшейся вокруг Солнца, из которой впоследствии и сформировались планеты. С тех пор планетная космогония ушла далеко вперед, и современные представления о формировании Солнечной системы выглядят следующим образом (рис. 4).
16
Рис. 4. Формирование Солнечной системы:
1) взрыв сверхновой звезды порождает ударные волны, воздействующие
на газопылевое облако (ГПО); 2) ГПО начинает фрагментироваться и
сплющиваться, закручиваясь при этом;3) первичная Солнечная небула;
4) образование Солнца и гигантских, богатых газом планет – Юпитера
и Сатурна; 5) ионизированный газ – солнечный ветер сдувает газ из
внутренней зоны системы и с мелких планетезималей; 6) образование
внутренних планет из планетезималей в течение 100 млн лет и
формирование «облаков» Оорта, состоящих из комет
Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос о формировании Земли и планет земной группы. Мы знаем, что в настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого – внешнего и твердой мантии с тонкой оболочкой – твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация?
На этот счет существуют две наиболее распространенные точки зрения. Ранняя из них полагала, что первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железо-никелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции.
Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля, и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км.
17
Какой была первичная, только что родившаяся Земля? Была она горячей или холодной? Для геологов решение этого вопроса имеет принципиальное значение. Даже в начале ХХ века ученые говорили о первичной «огненно-жидкой» Земле. Однако этот взгляд полностью противоречил современной геологической жизни планеты. Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету. Следовательно, предпочтение нужно отдать юной, не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле.
Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планете зималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1 – 2 тыс. км. Если же, все-таки, температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация – более тяжелые элементы, например, железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали. Но главный вклад в увеличение тепла должен был давать распад радиоактивных элементов – плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла – это твердые приливы, связанные с близким расположением спутника Земли – Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки плавления пород, например, в мантии она могла достигнуть +1500 о
С. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю, продолжается он и сейчас.
Однако уже 3,5 – 3,7 млрд лет назад, при возрасте Земли в 4,6 млрд лет, у
Земли было твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее и твердая мантия, т. е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердого внешнего.
Процесс расслоения, дифференциации недр происходил на всех планетах, но на Земле он происходит и сейчас, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии.
Атмосфера и гидросфера Земли возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты.
18
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 15
Образовательная автономная некоммерческая
организация высшего образования
«Московский открытый институт»
Мунхоев Л.И.
Интернет-курс
по дисциплине
«Инженерная геология»
Москва
2021
2
Содержание
Аннотация к дисциплине .................................................................................................... 4
Теория происхождения Солнечной системы и Земли ..................................................... 5
Введение ............................................................................................................................... 5
Вопрос 1. Теория происхождения Солнечной системы и Земли. ............................... 9
Вопрос 2. Образование Вселенной. ............................................................................... 9
Вопрос 3. Солнечная система. ...................................................................................... 11
Тема 1. Основные данные о Земле и земной коре .......................................................... 18
Вопрос 1. Основные данные о Земле и земной коре. ................................................. 18
Вопрос 2. Форма и размеры Земли. ............................................................................. 18
Вопрос 3. Внутреннее строение Земли. ....................................................................... 20
Вопрос 4. Термодинамические условия ...................................................................... 23
Тема 2. Строение земной коры ......................................................................................... 27
Вопрос 1. Строение земной коры. ................................................................................ 27
Тема 3. Вещественный состав земной коры ................................................................... 30
Вопрос 1. Вещественный состав земной коры. .......................................................... 30
Вопрос 2. Химический состав земной коры................................................................ 30
Вопрос 3. Минералы. ..................................................................................................... 31
Вопрос 4. Горные породы. ............................................................................................ 47
Тема 4. Геологические процессы ..................................................................................... 65
Вопрос 1. Геологические процессы. ............................................................................ 65
Вопрос 2. Экзогенные процессы. ................................................................................. 65
Вопрос 3. Эндогенные процессы................................................................................ 106
Тема 5. Основы исторической геологии ....................................................................... 145
Вопрос 1. Основы исторической геологии. ............................................................... 145
Вопрос 2. Относительная и абсолютная геохронология и методы реконструкции геологического прошлого. .......................................................................................... 145
Тема 6. Подземные воды ................................................................................................. 153
Вопрос 1. Виды воды в горных породах. .................................................................. 153
Вопрос 2. Происхождение подземных вод................................................................ 158
Вопрос 3. Классификация подземных вод. ............................................................... 159
Вопрос 4. Грунтовые воды и их режим. .................................................................... 160
Вопрос 5. Напорные подземные воды. ...................................................................... 165
Вопрос 6. Общая минерализация и химический состав подземных вод. ............... 169
Вопрос 7. Минеральные воды. ................................................................................... 172
Тема 7. Динамика подземных вод .................................................................................. 174
Вопрос 1. Динамика подземных вод. ......................................................................... 174
Вопрос 2. Движение воды в зоне аэрации. ................................................................ 174
Вопрос 3. Движение воды в зоне насыщения. .......................................................... 177
3
Тема 8. Грунтоведение .................................................................................................... 179
Вопрос 1. Состав и строение грунта. Виды грунтов. ............................................... 179
Вопрос 2. Основные виды грунтов. ........................................................................... 188
Вопрос 3. Классификация грунтов. ............................................................................ 189
Тема 9. Назначения и условия проведения исследований .......................................... 192
Вопрос 1. Цель исследований. .................................................................................... 192
Вопрос 2. Задачи исследований. ................................................................................ 192
Вопрос 3. Объем исследований. ................................................................................. 194
Тема 10. Виды инженерно-геологических исследований и их содержание .............. 197
Вопрос 1. Виды инженерно-геологических исследований и их содержание. ....... 197
Вопрос 2. Гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка. .................... 197
Вопрос 3. Разведочные работы. .................................................................................. 198
Вопрос 4. Геофизические методы исследований. .................................................... 200
Вопрос 5. Опытные полевые работы. ........................................................................ 201
Вопрос 6. Стационарные наблюдения. ...................................................................... 203
Вопрос 7. Лабораторные работы. ............................................................................... 204
Вопрос 8. Камеральные работы. ................................................................................. 205
Заключение ....................................................................................................................... 207
Литература ....................................................................................................................... 208
4
Аннотация к дисциплине
Дисциплина «Инженерная геология» является частью общей инженерной подготовки. Учебный курс способствует формированию профессиональных и общих компетенций по всем видам деятельности. В результате изучения студенты должны понимать геологические процессы, их классификацию в инженерной геологии, иметь представление о видах инженерно-геологических исследований и их содержании, гидрогеологической и инженерно-геологической съемке, разведочных работах, геофизических методах исследований, опытных полевых работах, стационарных наблюдениях.
Рекомендации студентам по организации самостоятельной
работы.
В современных условиях обучения продуктивность усвоения учебного материала по любой дисциплине во многом определяется интенсивностью и качеством самостоятельной работы студента.
Цель дисциплины: освоение студентом знаний о геологической среде, протекающих в ней процессах и ее влияние на работу зданий и сооружений; знаний в области инженерных изысканий, принципов проектирования зданий, сооружений, инженерных систем и оборудования, планировки и застройки населенных мест.
Задачи дисциплины:
изучение строения, состава, состояния и основных инженерно- геологических свойств грунтов;
изучение видов подземных вод и основные закономерности их динамики;
изучение природы инженерно-геологических процессов и явлений и способов борьбы с ними;
изучение особенностей работы фундаментов и оснований в различных инженерно-геологических условиях;
изучение методов проведения инженерно-геологических изысканий в строительстве.
5
Теория происхождения Солнечной системы и Земли
Введение
Геология (греч. «гео» – Земля, «логос» – учение) – одна из важнейших наук о Земле. Она занимается изучением состава, строения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук – математики, физики, химии, биологии, географии. Значительный прогресс в указанных областях наук и геологии ознаменовался появлением и развитием важных пограничных наук о
Земле – геофизики, геохимии, биогеохимии, кристаллохимии, палеогеографии, позволяющих получить данные о составе, состоянии и свойствах вещества глубоких частей земной коры и оболочек Земли, расположенных ниже. Особо следует отметить многостороннюю связь геологии с географией
(ландшафтоведением, климатологией, гидрологией, гляциологией, океанографией) в познании различных геологических процессов, совершающихся на поверхности Земли.
Взаимосвязь геологии и географии особенно проявляется в изучении рельефа земной поверхности и закономерностей его развития. Геология при изучении рельефа использует данные географии, так же как и география опирается на историю геологического развития и взаимодействия различных геологических процессов. Вследствие этого наука о рельефе – геоморфология – фактически является также пограничной наукой.
По геофизическим данным в строении Земли выделяется несколько оболочек: земная кора, мантия и ядро Земли. Предметом непосредственного изучения геологии являются земная кора и подстилающий твердый слой верхней мантии – литосфера (греч. «литос»
– камень). Сложность изучаемого объекта вызвала значительную дифференциацию геологических наук, комплекс которых совместно с пограничными науками (геофизикой, геохимией и др.) позволяет получить освещение различных сторон его строения, сущность совершающихся процессов, историю развития и др.
Одним из нескольких основных направлений в геологии является изучение вещественного состава литосферы: горных пород, минералов, химических элементов. Одни горные породы образуются из магматического силикатного расплава и называются магматическими, или изверженными, другие – путем осаждения и накопления в морских и континентальных условиях и называются осадочными; третьи – за счет изменения различных горных пород под влиянием температуры и давления, жидких и газовых флюидов и называются метаморфическими.
6
Изучением вещественного состава литосферы занимается комплекс геологических наук, объединяющихся часто под названием геохимического цикла. К ним относятся: петрография (греч. «петрос» – камень, скала, «графо» – пишу, описываю), или петрология – наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их состав, структуру, условия образования, степень изменения под влиянием различных факторов и закономерность распределения в земной коре.
Литология (греч. «литос» – камень) – наука, изучающая осадочные горные породы. Минералогия – наука, изучающая минералы – природные химические соединения или отдельные химические элементы, слагающие горные породы. Кристаллография и кристаллохимия занимаются изучением кристаллов и кристаллического состояния минералов.
Геохимия – обобщающая синтезирующая наука о вещественном составе литосферы, опирающаяся на достижения указанных выше наук и изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на ее поверхности. С рождением изотопной геохимии в геологии открылась новая страница в восстановлении истории геологического развития Земли.
Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы – непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме – лавовых потоках.
Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150 – 200 км. Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы, физические и химические исследования – рентгеноструктурные, спектрографические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.
7
Следующим направлением геологической науки является динамическая геология, изучающая разнообразные геологические процессы, формы рельефа земной поверхности, взаимоотношения различных по генезису горных пород, характер их залегания и деформации. Известно, что в ходе геологического развития происходили многократные изменения состава, состояния вещества, облика поверхности Земли и строения земной коры. Эти преобразования связаны с различными геологическими процессами и их взаимодействием. Среди них выделяются две группы:
1) Эндогенные (греч. «эндос» – внутри), или внутренние, связанные с тепловым воздействием
Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, с гравитационной энергией и ее неравномерным распределением.
2) Экзогенные (греч. «экзос» – снаружи, внешний), или внешние, вызывающие существенные изменения в поверхностной и приповерхностной частях земной коры. Эти изменения связаны с лучистой энергией Солнца, силой тяжести, непрерывным перемещением водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной коры, с жизнедеятельностью организмов и другими факторами.
Все экзогенные процессы тесно связаны с эндогенными, что отражает сложность и единство сил, действующих внутри Земли и на ее поверхности.
В область динамической геологии входит геотектоника (греч.
«тектос» – строитель, структура, строение) – наука, изучающая структуру земной коры и литосферы и их эволюцию во времени и пространстве.
Частные ветви геотектоники составляют: структурная геология, занимающаяся формами залегания горных пород; тектонофизика, изучающая физические основы деформации горных пород; региональная геотектоника, предметом изучения которой служит структура и ее развитие в пределах отдельных крупных регионов земной коры.
Важными разделами динамической геологии являются сейсмология
(греч. «сейсмос» – сотрясение) – наука о землетрясениях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами.
История геологического развития земной коры и Земли в целом является предметом изучения исторической геологии, в состав которой входит стратиграфия (греч. «стратум» – слой), занимающаяся последовательностью формирования толщ горных пород и расчленением их на различные подразделения, а также палеогеография (греч. «паляйос»
– древний), изучающая физико-географические обстановки на поверхности Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры.
Расчленение толщ горных пород и установление относительного геологического возраста слоев невозможны без изучения ископаемых органических остатков, которым занимается палеонтология, тесно
8 связанная как с биологией, так и с геологией. Следует подчеркнуть, что важной геологической задачей является изучение геологического строения и развития определенных участков земной коры, именуемых регионами и обладающих какими-то общими чертами структуры и эволюции. Этим занимается обычно региональная геология, которая практически использует все перечисленные ветви геологической науки, а последние, взаимодействуя между собой, дополняют друг друга, что демонстрирует их тесную связь и неразрывность. При региональных исследованиях широко используются дистанционные методы, когда наблюдения осуществляются с вертолетов, самолетов и с искусственных спутников Земли.
Косвенные методы познания, в основном глубинного строения земной коры и Земли в целом, широко используются геофизикой – наукой, основанной на физических методах исследования. Благодаря различным физическим полям, применяемым в подобных исследованиях, выделяются магнитометрические, гравиметрические, электрометрические, сейсмометрические и ряд других методов изучения геологической структуры. Геофизика тесно связана с физикой, математикой и геологией.
Одна из важнейших задач геологии – прогнозирование залежей минерального сырья, составляющего основу экономической мощи государства. Этим занимается наука о месторождениях полезных ископаемых, в сферу которой входят как рудные и нерудные ископаемые, так и горючие – нефть, газ, уголь, горючие сланцы. Не менее важным полезным ископаемым в наши дни является вода, особенно подземная, происхождением, условиями залегания, составом и закономерностями движений которой занимается наука гидрогеология (греч. «гидер» – вода), связанная как с химией, так и с физикой и, конечно, с геологией.
Важное значение имеет инженерная геология – наука, исследующая земную кору в качестве среды жизни и разнообразной деятельности человека. Возникнув как прикладная ветвь геологии, занимающаяся изучением геологических условий строительства инженерных сооружений, эта наука в наши дни решает важные проблемы, связанные с воздействием человека на литосферу и окружающую среду.
Инженерная геология взаимодействует с физикой, химией, математикой и механикой, с одной стороны, и с различными дисциплинами геологии – с другой, с горным делом и строительством – с третьей. За последнее время оформилась как самостоятельная наука геокриология (греч.
«криос» – холод, лед), изучающая процессы в областях развития многолетнемерзлых горных пород «вечной мерзлоты», занимающих почти 50% территории России. Геокриология тесно связана с инженерной геологией.
9
С начала освоения космического пространства возникла космическая геология, или геология планет. Освоение океанских и морских глубин привело к появлению морской геологии, значение которой быстро возрастает в связи с тем, что уже сейчас почти треть добываемой в мире нефти приходится на дно акваторий морей и океанов.
Разработка теоретических проблем геологии сочетается с решением ряда народнохозяйственных задач:
поиск и открытия новых месторождений различных полезных ископаемых, являющихся основной базой промышленности и сельского хозяйства;
изучение и определение ресурсов подземных вод, необходимых для питьевого и промышленного водоснабжения, а также мелиорации земель;
инженерно-геологическое обоснование проектов возводимых крупных сооружений и научный прогноз изменения условий после окончания их строительства;
охрана и рациональное использование недр Земли.
Познание всех закономерностей эволюции
Земли, ее происхождения и развития исключительно важно в контексте общего материалистического понимания природы, в тех философских построениях, которые отражают единство мира. В этом заключается общенаучное значение геологии.
Вопрос 1. Теория происхождения Солнечной системы и Земли.
Наша Земля – одна из девяти планет Солнечной системы, а Солнце
– это рядовая звезда – желтый карлик, находящаяся в галактике Млечного
Пути, одной из сотен миллионов галактик в наблюдаемой части
Вселенной. Несмотря на то, что непосредственным объектом изучения геологии является планета Земля, нам необходимы знания и о других планетах, звездах, галактиках, т. к. все они находятся в определенном взаимодействии, начиная с момента их появления во Вселенной. Поэтому наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства, и будет уместно сказать несколько слов о том, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная.
Вопрос 2. Образование Вселенной.
Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 вещества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса
Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 8/9 массы ее вещества. В наблюдаемой форме Вселенная возникла около 18 – 20 млрд лет назад. До этого времени все ее вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не в
10 состоянии описать.
Такое состояние вещества называется
«сингулярным». Теория расширяющейся Вселенной, или «Большого
Взрыва» (Big Bang, англ.), впервые была создана А. А. Фридманом в
России в 1922 г. Талантливый ученый А. А. Фридман скончался в 1925 г. в возрасте 37 лет, но выдающаяся теория при его жизни по достоинству оценена не была. С какого-то момента, отстоящего от нас на 20 млрд лет, вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которые в самых общих чертах можно уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному. Вечно возникающий вопрос «А что же было до Большого Взрыва», по мнению известного английского физика С. Хогинса, носит метафизический характер, т. к. это состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.
С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется, и все объекты в ней и галактики и звезды равноудаляются друг от друга. Это расширение «всех от всех» в настоящее время хорошо подтверждается рядом экспериментальных фактов.
1. «Разбегание» галактик и скоплений галактик». Доказательство этого явления связано с эффектом Доплера, заключающимся в том, что спектральные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объекта всегда смещаются в красную сторону, а приближающегося
– в голубую. Во всех случаях наблюдения спектральных линий поглощения от галактик и далеких звезд смещение происходит в красную сторону, причем, чем дальше отстоит от нас объект наблюдения, тем смещение больше (рис. 1).
2. «Реликтовое излучении». В 1964 г. американские астрономы
Арно Пензиас и Роберт Вилсон с помощью рупорной антенны фирмы
«Белл телефон» в штате Нью Джерси, обнаружили фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного тела с
Т ≈ 2,75 К. За это выдающееся открытие ХХ века авторы в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии. Еще до обнаружения фонового микроволнового излучения оно было предсказано физиками- теоретиками.
11
Рис. 1. Эффект Доплера. При удалении объекта от наблюдателя
спектральные линии смещаются в сторону красного цвета («красные
смещения»)
Излучение с такой низкой температурой представляет собой реликт равновесного электромагнитного излучения с очень высокой первоначальной температурой, существовавшего на самых ранних стадиях образования Вселенной, сразу же после начала «Большого
Взрыва». С тех пор эффективная температура от многих миллионов упала до трех градусов Кельвина.
3. Наблюдаемый химический состав Вселенной составляет по массе
3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. В такой пропорции 3:1 Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а, кроме того, и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.
Спустя примерно 1 млрд лет после начала Большого Взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов, стали формироваться звезды и галактики, скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведет к очень высоким температурам, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т. е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.
Вопрос 3. Солнечная система.
В центре нашей планетной системы находится звезда – Солнце, в котором сосредоточено 99,866% всей массы системы. На все 8 планет и десятки их спутников приходится только 0,134% вещества системы. В то же время 98% момента количества движения, т. е. произведения массы на скорость и радиус вращения, сосредоточено в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 000 астероидов или
12 малых планет и около 10 11
комет, а также огромное количество мелких обломков – метеоритов.
Солнце и его параметры.
Солнце – это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в Галактике Млечного Пути. Солнце имеет диаметр
1,4 млн км (1 391 980 км), массу, равную 1,98·10 33
кг, и плотность 1,4 г/см
3
, хотя в центре она может достигать 160 г/см
3
В структуре Солнца различают внутреннюю часть, или гелиевое ядро, с Т15 млн К (0
о
С = 273 К), далее располагается зона лучистого равновесия – фотосфера, мощностью до 1 тыс. км и с Т от 800 К на глубине 300 км и до 4000 К в верхних слоях, а самую внешнюю часть
Солнечного диска составляет хромосфера, мощностью 10 – 15 тыс км с
Т20 000 К (рис. 2).
Рис. 2. Внутренняя структура Солнца
Гранулярная структура фотосферы обусловлена всплыванием более высокотемпературных потоков газа и погружением относительно более холодных. Говоря о хромосфере и фотосфере, нельзя не сказать о явлениях солнечной активности, оказывающих влияние на нашу планету.
Локальные, очень сильные магнитные поля, возникающие во внешних оболочках Солнца, препятствуют ионизованной плазме – хорошему проводнику – перемещаться поперек линий магнитной индукции. В
13 подобных участках и возникает темное пятно, т. к. процесс перемешивания плазмы замедляется. Солнечные протуберанцы – это грандиозные выбросы хромосферного вещества, поддерживаемые сильными магнитными полями активных областей
Солнца.
Хромосферные вспышки, факелы, протуберанцы демонстрируют непрерывную активность Солнца.
Выше хромосферы и фотосферы располагается Солнечная корона мощностью 12 – 13 млн км и с Т 1,5 млн К, хорошо наблюдаемая во время полных солнечных затмений. Вещество, располагающееся внутри
Солнца, под давлением внешних слоев, сжимается и чем глубже, тем сильнее. В этом же направлении увеличивается и температура, и когда она достигает 15 млн К – происходит термоядерная реакция. В ядре сосредоточено более 50% массы Солнца, хотя радиус ядра всего 25% от радиуса Солнца. Энергия из ядра переносится к внешним сферам Солнца за счет лучистого и конвективного переноса.
В составе Солнца господствует водород, составляющий 73% по массе и гелий – 25%. На остальные 2% приходятся более тяжелые элементы, такие как Fe, O, C, Ne, N, Si, Mg и S, всего 67 химических элементов. Источник энергии Солнца – ядерный синтез, слияние четырех ядер Н-протонов образует одно ядро гелия с выделением огромного количества энергии. 1 грамм водорода, принимающий участие в термоядерной реакции, выделяет 6·10 11
Дж энергии. Такого количества тепла хватит для нагревания 1000 м
3 воды от 0° до точки кипения. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется, т. к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним циклом нарастания и убывания солнечной активности, когда формируются солнечные пятна с диаметром в среднем
66 000 км. Солнечный ветер, исходящий во все стороны от Солнца, представляет собой поток плазмы – протоны и электроны, с альфа- частицами и ионизированными атомами С, О и других более тяжелых элементов. Скорость солнечного ветра вблизи Земли достигает 400 – 500 и даже 1000 км/с.
Солнечный ветер распространяется дальше орбиты Сатурна, образуя так называемую гелиосферу, контактирующую уже с межзвездным газом. Выделение энергии Солнцем, как и температура, остается практически неизмененным на протяжении 5,0 млрд лет, т. е. с момента образования Солнца. Атомного горючего – водорода на Солнце должно хватить по расчетам еще на 5 млрд лет. Когда запасы водорода истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои расширяться, и Солнце сначала превратится в «красный гигант», а затем – в «белый карлик».
14
Тепло и свет Солнца оказывают большое влияние на земные процессы: климат, гидрологический цикл, выветривание, эрозия, существование жизни.
Строение Солнечной системы.
Вокруг Солнца вращаются 8 планет. Меркурий, Венера, Земля и
Марс, ближайшие к Солнцу планеты, относятся к внутренним, или планетам земной группы. Далее, за поясом астероидов, располагаются планеты внешней группы – гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и маленький Плутон
1
, открытый лишь 1930 г. Расстояние от Солнца до
Плутона равняется 40 астрономическим единицам (1 А.Е. = 150 млн км, расстояние от Земли до Солнца). За Плутоном находится «щель» – кольцо с радиусом 2×10 3
А.Е., где практически нет вещества (рис. 3). Далее, в интервале 2×10 3
– 2×10 4
А.Е. располагается кольцо с огромным количеством материи в виде ядер комет с массой, равной 10 4
масс Солнца, и угловым моментом, в 100 раз превышающим современный угловой момент всей Солнечной системы. Это так называемое внутреннее облако
Оорта.
1
Со дня своего открытия в 1930 и до 2006 года Плутон считался девятой планетой Солнечной системы.
Однако в конце XX и начале XXI века во внешней части Солнечной системы было открыто множество объектов. Среди них примечательны Квавар, Седна и особенно Эрида, которая на 27 % массивнее
Плутона. 24 августа 2006 года МАС впервые дал определение термину «планета». Плутон не попадал под это определение, и МАС причислил его к новой категории карликовых планет вместе с Эридой и
Церерой. После переклассификации Плутон был добавлен к списку малых планет и получил номер
134340 по каталогу Центра малых планет. Некоторые учёные продолжают считать, что Плутон должен быть переклассифицирован обратно в планету
(см. https://ru.wikipedia.org
).
15
Рис. 3. Строение Солнечной системы. А.Е. – одна астрономическая
единица (150 млн км). Внутреннее и внешнее облака Оорта содержат
огромное количество ядер комет
Еще дальше, в интервале 2·10 4
– 5·10 4
А.Е., располагается собственно облако Оорта, состоящее также из ядер комет с общей массой
100 масс Солнца и угловым моментом в 10 раз выше, чем у планетной системы. По существу, радиус в 5·10 4
А.Е. и определяет современную границу Солнечной системы в широком смысле этого понятия. Знание о строение планет, особенно земной группы, представляет большой интерес для геологов, т. к. их внутренняя структура довольно близка к нашей планете.
Происхождение Солнечной системы.
Образование Солнца и планет является одним из фундаментальных вопросов естествознания. Джордано Бруно в ХVI веке был первым, высказавшим мысль о том, что многие звезды, как и Солнце, окружены планетами, и эти системы то возникают, то умирают. Только в ХVIII веке благодаря трудам выдающихся ученых Иммануила Канта и Пьера
Лапласа сформировалась наука о происхождении всех небесных тел – космогония. Они показали, что т. к. движение всех планет подчинено одному закону, то и образование их должно также происходить по единому закону. Именно они высказали идею о газопылевой туманности, первоначально вращавшейся вокруг Солнца, из которой впоследствии и сформировались планеты. С тех пор планетная космогония ушла далеко вперед, и современные представления о формировании Солнечной системы выглядят следующим образом (рис. 4).
16
Рис. 4. Формирование Солнечной системы:
1) взрыв сверхновой звезды порождает ударные волны, воздействующие
на газопылевое облако (ГПО); 2) ГПО начинает фрагментироваться и
сплющиваться, закручиваясь при этом;3) первичная Солнечная небула;
4) образование Солнца и гигантских, богатых газом планет – Юпитера
и Сатурна; 5) ионизированный газ – солнечный ветер сдувает газ из
внутренней зоны системы и с мелких планетезималей; 6) образование
внутренних планет из планетезималей в течение 100 млн лет и
формирование «облаков» Оорта, состоящих из комет
Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос о формировании Земли и планет земной группы. Мы знаем, что в настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого – внешнего и твердой мантии с тонкой оболочкой – твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация?
На этот счет существуют две наиболее распространенные точки зрения. Ранняя из них полагала, что первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железо-никелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции.
Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля, и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км.
17
Какой была первичная, только что родившаяся Земля? Была она горячей или холодной? Для геологов решение этого вопроса имеет принципиальное значение. Даже в начале ХХ века ученые говорили о первичной «огненно-жидкой» Земле. Однако этот взгляд полностью противоречил современной геологической жизни планеты. Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету. Следовательно, предпочтение нужно отдать юной, не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле.
Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планете зималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1 – 2 тыс. км. Если же, все-таки, температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация – более тяжелые элементы, например, железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали. Но главный вклад в увеличение тепла должен был давать распад радиоактивных элементов – плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла – это твердые приливы, связанные с близким расположением спутника Земли – Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки плавления пород, например, в мантии она могла достигнуть +1500 о
С. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю, продолжается он и сейчас.
Однако уже 3,5 – 3,7 млрд лет назад, при возрасте Земли в 4,6 млрд лет, у
Земли было твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее и твердая мантия, т. е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердого внешнего.
Процесс расслоения, дифференциации недр происходил на всех планетах, но на Земле он происходит и сейчас, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии.
Атмосфера и гидросфера Земли возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты.
18
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 15
Образовательная автономная некоммерческая
организация высшего образования
«Московский открытый институт»
Мунхоев Л.И.
Интернет-курс
по дисциплине
«Инженерная геология»
Москва
2021
2
Содержание
Аннотация к дисциплине .................................................................................................... 4
Теория происхождения Солнечной системы и Земли ..................................................... 5
Введение ............................................................................................................................... 5
Вопрос 1. Теория происхождения Солнечной системы и Земли. ............................... 9
Вопрос 2. Образование Вселенной. ............................................................................... 9
Вопрос 3. Солнечная система. ...................................................................................... 11
Тема 1. Основные данные о Земле и земной коре .......................................................... 18
Вопрос 1. Основные данные о Земле и земной коре. ................................................. 18
Вопрос 2. Форма и размеры Земли. ............................................................................. 18
Вопрос 3. Внутреннее строение Земли. ....................................................................... 20
Вопрос 4. Термодинамические условия ...................................................................... 23
Тема 2. Строение земной коры ......................................................................................... 27
Вопрос 1. Строение земной коры. ................................................................................ 27
Тема 3. Вещественный состав земной коры ................................................................... 30
Вопрос 1. Вещественный состав земной коры. .......................................................... 30
Вопрос 2. Химический состав земной коры................................................................ 30
Вопрос 3. Минералы. ..................................................................................................... 31
Вопрос 4. Горные породы. ............................................................................................ 47
Тема 4. Геологические процессы ..................................................................................... 65
Вопрос 1. Геологические процессы. ............................................................................ 65
Вопрос 2. Экзогенные процессы. ................................................................................. 65
Вопрос 3. Эндогенные процессы................................................................................ 106
Тема 5. Основы исторической геологии ....................................................................... 145
Вопрос 1. Основы исторической геологии. ............................................................... 145
Вопрос 2. Относительная и абсолютная геохронология и методы реконструкции геологического прошлого. .......................................................................................... 145
Тема 6. Подземные воды ................................................................................................. 153
Вопрос 1. Виды воды в горных породах. .................................................................. 153
Вопрос 2. Происхождение подземных вод................................................................ 158
Вопрос 3. Классификация подземных вод. ............................................................... 159
Вопрос 4. Грунтовые воды и их режим. .................................................................... 160
Вопрос 5. Напорные подземные воды. ...................................................................... 165
Вопрос 6. Общая минерализация и химический состав подземных вод. ............... 169
Вопрос 7. Минеральные воды. ................................................................................... 172
Тема 7. Динамика подземных вод .................................................................................. 174
Вопрос 1. Динамика подземных вод. ......................................................................... 174
Вопрос 2. Движение воды в зоне аэрации. ................................................................ 174
Вопрос 3. Движение воды в зоне насыщения. .......................................................... 177
3
Тема 8. Грунтоведение .................................................................................................... 179
Вопрос 1. Состав и строение грунта. Виды грунтов. ............................................... 179
Вопрос 2. Основные виды грунтов. ........................................................................... 188
Вопрос 3. Классификация грунтов. ............................................................................ 189
Тема 9. Назначения и условия проведения исследований .......................................... 192
Вопрос 1. Цель исследований. .................................................................................... 192
Вопрос 2. Задачи исследований. ................................................................................ 192
Вопрос 3. Объем исследований. ................................................................................. 194
Тема 10. Виды инженерно-геологических исследований и их содержание .............. 197
Вопрос 1. Виды инженерно-геологических исследований и их содержание. ....... 197
Вопрос 2. Гидрогеологическая и инженерно-геологическая съемка. .................... 197
Вопрос 3. Разведочные работы. .................................................................................. 198
Вопрос 4. Геофизические методы исследований. .................................................... 200
Вопрос 5. Опытные полевые работы. ........................................................................ 201
Вопрос 6. Стационарные наблюдения. ...................................................................... 203
Вопрос 7. Лабораторные работы. ............................................................................... 204
Вопрос 8. Камеральные работы. ................................................................................. 205
Заключение ....................................................................................................................... 207
Литература ....................................................................................................................... 208
4
Аннотация к дисциплине
Дисциплина «Инженерная геология» является частью общей инженерной подготовки. Учебный курс способствует формированию профессиональных и общих компетенций по всем видам деятельности. В результате изучения студенты должны понимать геологические процессы, их классификацию в инженерной геологии, иметь представление о видах инженерно-геологических исследований и их содержании, гидрогеологической и инженерно-геологической съемке, разведочных работах, геофизических методах исследований, опытных полевых работах, стационарных наблюдениях.
Рекомендации студентам по организации самостоятельной
работы.
В современных условиях обучения продуктивность усвоения учебного материала по любой дисциплине во многом определяется интенсивностью и качеством самостоятельной работы студента.
Цель дисциплины: освоение студентом знаний о геологической среде, протекающих в ней процессах и ее влияние на работу зданий и сооружений; знаний в области инженерных изысканий, принципов проектирования зданий, сооружений, инженерных систем и оборудования, планировки и застройки населенных мест.
Задачи дисциплины:
изучение строения, состава, состояния и основных инженерно- геологических свойств грунтов;
изучение видов подземных вод и основные закономерности их динамики;
изучение природы инженерно-геологических процессов и явлений и способов борьбы с ними;
изучение особенностей работы фундаментов и оснований в различных инженерно-геологических условиях;
изучение методов проведения инженерно-геологических изысканий в строительстве.
5
Теория происхождения Солнечной системы и Земли
Введение
Геология (греч. «гео» – Земля, «логос» – учение) – одна из важнейших наук о Земле. Она занимается изучением состава, строения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук – математики, физики, химии, биологии, географии. Значительный прогресс в указанных областях наук и геологии ознаменовался появлением и развитием важных пограничных наук о
Земле – геофизики, геохимии, биогеохимии, кристаллохимии, палеогеографии, позволяющих получить данные о составе, состоянии и свойствах вещества глубоких частей земной коры и оболочек Земли, расположенных ниже. Особо следует отметить многостороннюю связь геологии с географией
(ландшафтоведением, климатологией, гидрологией, гляциологией, океанографией) в познании различных геологических процессов, совершающихся на поверхности Земли.
Взаимосвязь геологии и географии особенно проявляется в изучении рельефа земной поверхности и закономерностей его развития. Геология при изучении рельефа использует данные географии, так же как и география опирается на историю геологического развития и взаимодействия различных геологических процессов. Вследствие этого наука о рельефе – геоморфология – фактически является также пограничной наукой.
По геофизическим данным в строении Земли выделяется несколько оболочек: земная кора, мантия и ядро Земли. Предметом непосредственного изучения геологии являются земная кора и подстилающий твердый слой верхней мантии – литосфера (греч. «литос»
– камень). Сложность изучаемого объекта вызвала значительную дифференциацию геологических наук, комплекс которых совместно с пограничными науками (геофизикой, геохимией и др.) позволяет получить освещение различных сторон его строения, сущность совершающихся процессов, историю развития и др.
Одним из нескольких основных направлений в геологии является изучение вещественного состава литосферы: горных пород, минералов, химических элементов. Одни горные породы образуются из магматического силикатного расплава и называются магматическими, или изверженными, другие – путем осаждения и накопления в морских и континентальных условиях и называются осадочными; третьи – за счет изменения различных горных пород под влиянием температуры и давления, жидких и газовых флюидов и называются метаморфическими.
6
Изучением вещественного состава литосферы занимается комплекс геологических наук, объединяющихся часто под названием геохимического цикла. К ним относятся: петрография (греч. «петрос» – камень, скала, «графо» – пишу, описываю), или петрология – наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их состав, структуру, условия образования, степень изменения под влиянием различных факторов и закономерность распределения в земной коре.
Литология (греч. «литос» – камень) – наука, изучающая осадочные горные породы. Минералогия – наука, изучающая минералы – природные химические соединения или отдельные химические элементы, слагающие горные породы. Кристаллография и кристаллохимия занимаются изучением кристаллов и кристаллического состояния минералов.
Геохимия – обобщающая синтезирующая наука о вещественном составе литосферы, опирающаяся на достижения указанных выше наук и изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на ее поверхности. С рождением изотопной геохимии в геологии открылась новая страница в восстановлении истории геологического развития Земли.
Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы – непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме – лавовых потоках.
Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150 – 200 км. Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы, физические и химические исследования – рентгеноструктурные, спектрографические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.
7
Следующим направлением геологической науки является динамическая геология, изучающая разнообразные геологические процессы, формы рельефа земной поверхности, взаимоотношения различных по генезису горных пород, характер их залегания и деформации. Известно, что в ходе геологического развития происходили многократные изменения состава, состояния вещества, облика поверхности Земли и строения земной коры. Эти преобразования связаны с различными геологическими процессами и их взаимодействием. Среди них выделяются две группы:
1) Эндогенные (греч. «эндос» – внутри), или внутренние, связанные с тепловым воздействием
Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, с гравитационной энергией и ее неравномерным распределением.
2) Экзогенные (греч. «экзос» – снаружи, внешний), или внешние, вызывающие существенные изменения в поверхностной и приповерхностной частях земной коры. Эти изменения связаны с лучистой энергией Солнца, силой тяжести, непрерывным перемещением водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной коры, с жизнедеятельностью организмов и другими факторами.
Все экзогенные процессы тесно связаны с эндогенными, что отражает сложность и единство сил, действующих внутри Земли и на ее поверхности.
В область динамической геологии входит геотектоника (греч.
«тектос» – строитель, структура, строение) – наука, изучающая структуру земной коры и литосферы и их эволюцию во времени и пространстве.
Частные ветви геотектоники составляют: структурная геология, занимающаяся формами залегания горных пород; тектонофизика, изучающая физические основы деформации горных пород; региональная геотектоника, предметом изучения которой служит структура и ее развитие в пределах отдельных крупных регионов земной коры.
Важными разделами динамической геологии являются сейсмология
(греч. «сейсмос» – сотрясение) – наука о землетрясениях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами.
История геологического развития земной коры и Земли в целом является предметом изучения исторической геологии, в состав которой входит стратиграфия (греч. «стратум» – слой), занимающаяся последовательностью формирования толщ горных пород и расчленением их на различные подразделения, а также палеогеография (греч. «паляйос»
– древний), изучающая физико-географические обстановки на поверхности Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры.
Расчленение толщ горных пород и установление относительного геологического возраста слоев невозможны без изучения ископаемых органических остатков, которым занимается палеонтология, тесно
8 связанная как с биологией, так и с геологией. Следует подчеркнуть, что важной геологической задачей является изучение геологического строения и развития определенных участков земной коры, именуемых регионами и обладающих какими-то общими чертами структуры и эволюции. Этим занимается обычно региональная геология, которая практически использует все перечисленные ветви геологической науки, а последние, взаимодействуя между собой, дополняют друг друга, что демонстрирует их тесную связь и неразрывность. При региональных исследованиях широко используются дистанционные методы, когда наблюдения осуществляются с вертолетов, самолетов и с искусственных спутников Земли.
Косвенные методы познания, в основном глубинного строения земной коры и Земли в целом, широко используются геофизикой – наукой, основанной на физических методах исследования. Благодаря различным физическим полям, применяемым в подобных исследованиях, выделяются магнитометрические, гравиметрические, электрометрические, сейсмометрические и ряд других методов изучения геологической структуры. Геофизика тесно связана с физикой, математикой и геологией.
Одна из важнейших задач геологии – прогнозирование залежей минерального сырья, составляющего основу экономической мощи государства. Этим занимается наука о месторождениях полезных ископаемых, в сферу которой входят как рудные и нерудные ископаемые, так и горючие – нефть, газ, уголь, горючие сланцы. Не менее важным полезным ископаемым в наши дни является вода, особенно подземная, происхождением, условиями залегания, составом и закономерностями движений которой занимается наука гидрогеология (греч. «гидер» – вода), связанная как с химией, так и с физикой и, конечно, с геологией.
Важное значение имеет инженерная геология – наука, исследующая земную кору в качестве среды жизни и разнообразной деятельности человека. Возникнув как прикладная ветвь геологии, занимающаяся изучением геологических условий строительства инженерных сооружений, эта наука в наши дни решает важные проблемы, связанные с воздействием человека на литосферу и окружающую среду.
Инженерная геология взаимодействует с физикой, химией, математикой и механикой, с одной стороны, и с различными дисциплинами геологии – с другой, с горным делом и строительством – с третьей. За последнее время оформилась как самостоятельная наука геокриология (греч.
«криос» – холод, лед), изучающая процессы в областях развития многолетнемерзлых горных пород «вечной мерзлоты», занимающих почти 50% территории России. Геокриология тесно связана с инженерной геологией.
9
С начала освоения космического пространства возникла космическая геология, или геология планет. Освоение океанских и морских глубин привело к появлению морской геологии, значение которой быстро возрастает в связи с тем, что уже сейчас почти треть добываемой в мире нефти приходится на дно акваторий морей и океанов.
Разработка теоретических проблем геологии сочетается с решением ряда народнохозяйственных задач:
поиск и открытия новых месторождений различных полезных ископаемых, являющихся основной базой промышленности и сельского хозяйства;
изучение и определение ресурсов подземных вод, необходимых для питьевого и промышленного водоснабжения, а также мелиорации земель;
инженерно-геологическое обоснование проектов возводимых крупных сооружений и научный прогноз изменения условий после окончания их строительства;
охрана и рациональное использование недр Земли.
Познание всех закономерностей эволюции
Земли, ее происхождения и развития исключительно важно в контексте общего материалистического понимания природы, в тех философских построениях, которые отражают единство мира. В этом заключается общенаучное значение геологии.
Вопрос 1. Теория происхождения Солнечной системы и Земли.
Наша Земля – одна из девяти планет Солнечной системы, а Солнце
– это рядовая звезда – желтый карлик, находящаяся в галактике Млечного
Пути, одной из сотен миллионов галактик в наблюдаемой части
Вселенной. Несмотря на то, что непосредственным объектом изучения геологии является планета Земля, нам необходимы знания и о других планетах, звездах, галактиках, т. к. все они находятся в определенном взаимодействии, начиная с момента их появления во Вселенной. Поэтому наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства, и будет уместно сказать несколько слов о том, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная.
Вопрос 2. Образование Вселенной.
Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 вещества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса
Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 8/9 массы ее вещества. В наблюдаемой форме Вселенная возникла около 18 – 20 млрд лет назад. До этого времени все ее вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не в
10 состоянии описать.
Такое состояние вещества называется
«сингулярным». Теория расширяющейся Вселенной, или «Большого
Взрыва» (Big Bang, англ.), впервые была создана А. А. Фридманом в
России в 1922 г. Талантливый ученый А. А. Фридман скончался в 1925 г. в возрасте 37 лет, но выдающаяся теория при его жизни по достоинству оценена не была. С какого-то момента, отстоящего от нас на 20 млрд лет, вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которые в самых общих чертах можно уподобить взрыву, хотя и весьма своеобразному. Вечно возникающий вопрос «А что же было до Большого Взрыва», по мнению известного английского физика С. Хогинса, носит метафизический характер, т. к. это состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.
С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется, и все объекты в ней и галактики и звезды равноудаляются друг от друга. Это расширение «всех от всех» в настоящее время хорошо подтверждается рядом экспериментальных фактов.
1. «Разбегание» галактик и скоплений галактик». Доказательство этого явления связано с эффектом Доплера, заключающимся в том, что спектральные линии поглощения в наблюдаемых спектрах удаляющегося от нас объекта всегда смещаются в красную сторону, а приближающегося
– в голубую. Во всех случаях наблюдения спектральных линий поглощения от галактик и далеких звезд смещение происходит в красную сторону, причем, чем дальше отстоит от нас объект наблюдения, тем смещение больше (рис. 1).
2. «Реликтовое излучении». В 1964 г. американские астрономы
Арно Пензиас и Роберт Вилсон с помощью рупорной антенны фирмы
«Белл телефон» в штате Нью Джерси, обнаружили фоновое электромагнитное излучение на длине волны 7,35 см, одинаковое по всем направлениям и не зависящее от времени суток. Это излучение эквивалентно излучению, как говорят физики, абсолютно черного тела с
Т ≈ 2,75 К. За это выдающееся открытие ХХ века авторы в 1978 г. были удостоены Нобелевской премии. Еще до обнаружения фонового микроволнового излучения оно было предсказано физиками- теоретиками.
11
Рис. 1. Эффект Доплера. При удалении объекта от наблюдателя
спектральные линии смещаются в сторону красного цвета («красные
смещения»)
Излучение с такой низкой температурой представляет собой реликт равновесного электромагнитного излучения с очень высокой первоначальной температурой, существовавшего на самых ранних стадиях образования Вселенной, сразу же после начала «Большого
Взрыва». С тех пор эффективная температура от многих миллионов упала до трех градусов Кельвина.
3. Наблюдаемый химический состав Вселенной составляет по массе
3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. В такой пропорции 3:1 Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а, кроме того, и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.
Спустя примерно 1 млрд лет после начала Большого Взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов, стали формироваться звезды и галактики, скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведет к очень высоким температурам, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т. е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.
Вопрос 3. Солнечная система.
В центре нашей планетной системы находится звезда – Солнце, в котором сосредоточено 99,866% всей массы системы. На все 8 планет и десятки их спутников приходится только 0,134% вещества системы. В то же время 98% момента количества движения, т. е. произведения массы на скорость и радиус вращения, сосредоточено в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 000 астероидов или
12 малых планет и около 10 11
комет, а также огромное количество мелких обломков – метеоритов.
Солнце и его параметры.
Солнце – это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в Галактике Млечного Пути. Солнце имеет диаметр
1,4 млн км (1 391 980 км), массу, равную 1,98·10 33
кг, и плотность 1,4 г/см
3
, хотя в центре она может достигать 160 г/см
3
В структуре Солнца различают внутреннюю часть, или гелиевое ядро, с Т15 млн К (0
о
С = 273 К), далее располагается зона лучистого равновесия – фотосфера, мощностью до 1 тыс. км и с Т от 800 К на глубине 300 км и до 4000 К в верхних слоях, а самую внешнюю часть
Солнечного диска составляет хромосфера, мощностью 10 – 15 тыс км с
Т20 000 К (рис. 2).
Рис. 2. Внутренняя структура Солнца
Гранулярная структура фотосферы обусловлена всплыванием более высокотемпературных потоков газа и погружением относительно более холодных. Говоря о хромосфере и фотосфере, нельзя не сказать о явлениях солнечной активности, оказывающих влияние на нашу планету.
Локальные, очень сильные магнитные поля, возникающие во внешних оболочках Солнца, препятствуют ионизованной плазме – хорошему проводнику – перемещаться поперек линий магнитной индукции. В
13 подобных участках и возникает темное пятно, т. к. процесс перемешивания плазмы замедляется. Солнечные протуберанцы – это грандиозные выбросы хромосферного вещества, поддерживаемые сильными магнитными полями активных областей
Солнца.
Хромосферные вспышки, факелы, протуберанцы демонстрируют непрерывную активность Солнца.
Выше хромосферы и фотосферы располагается Солнечная корона мощностью 12 – 13 млн км и с Т 1,5 млн К, хорошо наблюдаемая во время полных солнечных затмений. Вещество, располагающееся внутри
Солнца, под давлением внешних слоев, сжимается и чем глубже, тем сильнее. В этом же направлении увеличивается и температура, и когда она достигает 15 млн К – происходит термоядерная реакция. В ядре сосредоточено более 50% массы Солнца, хотя радиус ядра всего 25% от радиуса Солнца. Энергия из ядра переносится к внешним сферам Солнца за счет лучистого и конвективного переноса.
В составе Солнца господствует водород, составляющий 73% по массе и гелий – 25%. На остальные 2% приходятся более тяжелые элементы, такие как Fe, O, C, Ne, N, Si, Mg и S, всего 67 химических элементов. Источник энергии Солнца – ядерный синтез, слияние четырех ядер Н-протонов образует одно ядро гелия с выделением огромного количества энергии. 1 грамм водорода, принимающий участие в термоядерной реакции, выделяет 6·10 11
Дж энергии. Такого количества тепла хватит для нагревания 1000 м
3 воды от 0° до точки кипения. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется, т. к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним циклом нарастания и убывания солнечной активности, когда формируются солнечные пятна с диаметром в среднем
66 000 км. Солнечный ветер, исходящий во все стороны от Солнца, представляет собой поток плазмы – протоны и электроны, с альфа- частицами и ионизированными атомами С, О и других более тяжелых элементов. Скорость солнечного ветра вблизи Земли достигает 400 – 500 и даже 1000 км/с.
Солнечный ветер распространяется дальше орбиты Сатурна, образуя так называемую гелиосферу, контактирующую уже с межзвездным газом. Выделение энергии Солнцем, как и температура, остается практически неизмененным на протяжении 5,0 млрд лет, т. е. с момента образования Солнца. Атомного горючего – водорода на Солнце должно хватить по расчетам еще на 5 млрд лет. Когда запасы водорода истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои расширяться, и Солнце сначала превратится в «красный гигант», а затем – в «белый карлик».
14
Тепло и свет Солнца оказывают большое влияние на земные процессы: климат, гидрологический цикл, выветривание, эрозия, существование жизни.
Строение Солнечной системы.
Вокруг Солнца вращаются 8 планет. Меркурий, Венера, Земля и
Марс, ближайшие к Солнцу планеты, относятся к внутренним, или планетам земной группы. Далее, за поясом астероидов, располагаются планеты внешней группы – гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и маленький Плутон
1
, открытый лишь 1930 г. Расстояние от Солнца до
Плутона равняется 40 астрономическим единицам (1 А.Е. = 150 млн км, расстояние от Земли до Солнца). За Плутоном находится «щель» – кольцо с радиусом 2×10 3
А.Е., где практически нет вещества (рис. 3). Далее, в интервале 2×10 3
– 2×10 4
А.Е. располагается кольцо с огромным количеством материи в виде ядер комет с массой, равной 10 4
масс Солнца, и угловым моментом, в 100 раз превышающим современный угловой момент всей Солнечной системы. Это так называемое внутреннее облако
Оорта.
1
Со дня своего открытия в 1930 и до 2006 года Плутон считался девятой планетой Солнечной системы.
Однако в конце XX и начале XXI века во внешней части Солнечной системы было открыто множество объектов. Среди них примечательны Квавар, Седна и особенно Эрида, которая на 27 % массивнее
Плутона. 24 августа 2006 года МАС впервые дал определение термину «планета». Плутон не попадал под это определение, и МАС причислил его к новой категории карликовых планет вместе с Эридой и
Церерой. После переклассификации Плутон был добавлен к списку малых планет и получил номер
134340 по каталогу Центра малых планет. Некоторые учёные продолжают считать, что Плутон должен быть переклассифицирован обратно в планету
(см. https://ru.wikipedia.org
).
15
Рис. 3. Строение Солнечной системы. А.Е. – одна астрономическая
единица (150 млн км). Внутреннее и внешнее облака Оорта содержат
огромное количество ядер комет
Еще дальше, в интервале 2·10 4
– 5·10 4
А.Е., располагается собственно облако Оорта, состоящее также из ядер комет с общей массой
100 масс Солнца и угловым моментом в 10 раз выше, чем у планетной системы. По существу, радиус в 5·10 4
А.Е. и определяет современную границу Солнечной системы в широком смысле этого понятия. Знание о строение планет, особенно земной группы, представляет большой интерес для геологов, т. к. их внутренняя структура довольно близка к нашей планете.
Происхождение Солнечной системы.
Образование Солнца и планет является одним из фундаментальных вопросов естествознания. Джордано Бруно в ХVI веке был первым, высказавшим мысль о том, что многие звезды, как и Солнце, окружены планетами, и эти системы то возникают, то умирают. Только в ХVIII веке благодаря трудам выдающихся ученых Иммануила Канта и Пьера
Лапласа сформировалась наука о происхождении всех небесных тел – космогония. Они показали, что т. к. движение всех планет подчинено одному закону, то и образование их должно также происходить по единому закону. Именно они высказали идею о газопылевой туманности, первоначально вращавшейся вокруг Солнца, из которой впоследствии и сформировались планеты. С тех пор планетная космогония ушла далеко вперед, и современные представления о формировании Солнечной системы выглядят следующим образом (рис. 4).
16
Рис. 4. Формирование Солнечной системы:
1) взрыв сверхновой звезды порождает ударные волны, воздействующие
на газопылевое облако (ГПО); 2) ГПО начинает фрагментироваться и
сплющиваться, закручиваясь при этом;3) первичная Солнечная небула;
4) образование Солнца и гигантских, богатых газом планет – Юпитера
и Сатурна; 5) ионизированный газ – солнечный ветер сдувает газ из
внутренней зоны системы и с мелких планетезималей; 6) образование
внутренних планет из планетезималей в течение 100 млн лет и
формирование «облаков» Оорта, состоящих из комет
Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос о формировании Земли и планет земной группы. Мы знаем, что в настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого – внешнего и твердой мантии с тонкой оболочкой – твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация?
На этот счет существуют две наиболее распространенные точки зрения. Ранняя из них полагала, что первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железо-никелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции.
Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля, и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км.
17
Какой была первичная, только что родившаяся Земля? Была она горячей или холодной? Для геологов решение этого вопроса имеет принципиальное значение. Даже в начале ХХ века ученые говорили о первичной «огненно-жидкой» Земле. Однако этот взгляд полностью противоречил современной геологической жизни планеты. Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету. Следовательно, предпочтение нужно отдать юной, не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле.
Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планете зималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1 – 2 тыс. км. Если же, все-таки, температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация – более тяжелые элементы, например, железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали. Но главный вклад в увеличение тепла должен был давать распад радиоактивных элементов – плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла – это твердые приливы, связанные с близким расположением спутника Земли – Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки плавления пород, например, в мантии она могла достигнуть +1500 о
С. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю, продолжается он и сейчас.
Однако уже 3,5 – 3,7 млрд лет назад, при возрасте Земли в 4,6 млрд лет, у
Земли было твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее и твердая мантия, т. е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердого внешнего.
Процесс расслоения, дифференциации недр происходил на всех планетах, но на Земле он происходит и сейчас, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии.
Атмосфера и гидросфера Земли возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты.
18
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 15
Тема 1. Основные данные о Земле и земной коре
Вопросы темы:
1. Основные данные о Земле и земной коре.
2. Форма и размеры Земли.
3. Внутреннее строение Земли.
4. Термодинамические условия.
Вопрос 1. Основные данные о Земле и земной коре.
Земля, имея форму геоида – эквипотенциальной поверхности, сила тяжести к которой повсеместно направлена перпендикулярно, обладает неоднородностью физических свойств и дифференцированностью состава сферических оболочек: земной коры, мантии, внешнего и внутреннего ядра. Земная кора и верхняя часть верхней мантии, образующие твердую литосферу, подстилаются пластичной астеносферой, играющей важную роль в глубинных геологических процессах. Химический состав Земли близок к среднему химическому составу метеоритов, а состав сферических оболочек резко неоднороден и изменяется с глубиной.
Вопрос 2. Форма и размеры Земли.
Земля – одна из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца.
Первые представления о формах и размерах Земли появились еще в глубокой древности. Античные мыслители (Пифагор – V в. до н. э.,
Аристотель – III в. до н. э. и др.) высказывали мысль, что наша планета имеет шарообразную форму.
Рис. 5. Эллипсоид вращения
19
Геодезические и астрономические исследования последующих столетий дали возможность судить о действительной форме Земли и ее размерах. Известно, что формирование Земли происходило под действием двух сил – силы взаимного притяжения частиц ее массы и центробежной силы, обусловленной вращением планеты вокруг своей оси. Равнодействующей обеих названных сил является сила тяжести, выражаемая в ускорении, которое приобретает каждое тело, находящееся у поверхности Земли. На рубеже XVII и XVIII вв. впервые Ньютон теоретически обосновал положение о том, что под воздействием силы тяжести Земля должна иметь сжатие в направлении оси вращения и, следовательно, ее форма представляет эллипсоид вращения, или сфероид.
Степень сжатия зависит от угловой скорости вращения. Чем быстрее вращается тело, тем больше оно сплющивается у полюсов. На рис. 5, изображающем эллипсоид вращения, выражена большая экваториальная ось (ЗОВ) и малая полярная ось (СОЮ).
Величины a = ЗОВ/2 и в = СОЮ/2 соответствуют полуосям эллипсоида. Сжатие эллипсоида будет выражено (a – в)/a. Разница полярного и экваториального радиусов составляет 21 км. Детальными последующими измерениями, особенно новыми методами исследования с искусственных спутников, было показано, что Земля сжата не только на полюсах, но также несколько и по экватору (наибольший и наименьший радиусы по экватору отличаются на 210 м), т. е. Земля является не двухосным, а трехосным эллипсоидом. Кроме того, расчетами Т. Д.
Жонгловича и С. И. Тропининой показана несимметричность Земли по отношению к экватору: южный полюс расположен ближе к экватору, чем северный.
Рис. 6. Поверхности рельефа, сфероида и геоида
В связи с расчленением рельефа (наличием высоких гор и глубоких впадин) действительная форма Земли является более сложной, чем трехосный эллипсоид. Наиболее высокая точка на Земле – гора
Джомолунгма в Гималаях – достигает высоты 8848 м. Наибольшая глубина 11 034 м обнаружена в Марианской впадине. Таким образом, наибольшая амплитуда рельефа земной поверхности составляет немногим менее 20 км. Учитывая эти особенности, немецкий физик
20
Листинг в 1873 г. фигуру Земли назвал геоидом, что дословно обозначает
«землеподобный».
Геоид – некоторая воображаемая уровенная поверхность, которая определяется тем, что направление силы тяжести к ней всюду перпендикулярно. Эта поверхность совпадает с уровнем воды в Мировом океане, который мысленно проводится под континентами. Это та поверхность, от которой производится отсчет высот рельефа.
Поверхность геоида приближается к поверхности трехосного эллипсоида, отклоняясь от него местами на величину 100 – 150 м (повышаясь на материках и понижаясь на океанах, рис. 6), что, по-видимому, связано с плотностными неоднородностями масс в Земле и появляющимися из-за этого аномалиями силы тяжести.
В России в настоящее время принимается эллипсоид Ф. Н.
Красовского и его учеников (А. А. Изотова и др.), основные параметры которого подтверждаются современными исследованиями и с орбитальных станций. По этим данным экваториальный радиус равен
6378,245 км, полярный радиус – 6356,863 км, полярное сжатие – 1/298,25.
Объем Земли составляет 1,083×10 12
км
3
, а масса – 6×10 27
г. Ускорение силы тяжести на полюсе 983 см/с
2
, на экваторе 978 см/с
2
. Площадь поверхности Земли около 510 млн км
2
, из которых 70,8% представляет
Мировой океан и 29,2% – суша. В распределении океанов и материков наблюдается определенная дисимметрия. В Северном полушарии это соотношение составляет 61 и 39%, в Южном – и 19%.
Вопрос 3. Внутреннее строение Земли.
Изучение внутреннего строения Земли производится различными методами. Геологические методы, основанные на изучении естественных обнажений горных пород, разрезов шахт и рудников, кернов глубоких буровых скважин, дают возможность судить о строении приповерхностной части земной коры. Глубина известных пробуренных скважин достигает 7,5 – 9,5 км, и только одна в мире опытная скважина, заложенная на Кольском полуострове, уже достигла глубины более 12 км при проектной глубине до 15 км. В вулканических областях по продуктам извержения вулканов можно судить о составе вещества на глубинах 50 –
100 км.
В целом же глубинное внутреннее строение Земли изучается главным образом геофизическими методами: сейсмическим, гравиметрическим, магнитометрическим и др. Одним из важнейших методов является сейсмический (греч. «сейсмос» – трясение) метод, основанный на изучении естественных землетрясений и «искусственных землетрясений», вызываемых взрывами или ударными вибрационными воздействиями на земную кору.
21
Очаги землетрясений располагаются на различных глубинах: от приповерхностных (около 10 км) до самых глубоких (до 700 км), прослеженных в разломных зонах по окраинам Тихого океана.
Возникающие в очаге сейсмические волны как бы просвечивают Землю и дают представление о той среде, через которую они проходят. В очаге
(или фокусе) возникают два главных типа волн:
1. Самые быстрые продольные Р-волны (т. е. первичные – primary).
2. Более медленные поперечные S-волны (т. е. вторичные – secondary).
Рис. 7. Два типа объемных сейсмических волн (по Б. Болту): сжатие –
растяжение (а), удвоенная амплитуда (б)
Рис. 8. Отраженные и переломленные сейсмические волны в различных
средах
При распространении Р-волн горные породы испытывают сжатие и растяжение (смещение частиц среды вдоль направления волны). Р-волны проходят в твердых и жидких телах земных недр. Поперечные S-волны распространяются только в твердых телах, и с их распространением связаны колебания горных пород под прямым углом к направлению распространения волны (рис. 7). При прохождении поперечных волн
22 упругие породы подвергаются деформации сдвига и кручения. Кроме того, выделяются поверхностные L-волны (т. е. длинные – long), которые отличаются сложными синусоидальными колебаниями вдоль или около земной поверхности. Регистрация прихода сейсмических волн производится на специальных сейсмических станциях, оборудованных записывающими приборами – сейсмографами, расположенными на разных расстояниях от очага. Такое расположение сейсмостанций позволяет судить о скорости распространения колебаний на разных глубинах, поскольку к более отдаленным станциям приходят волны, прошедшие через более глубокие слои Земли. Запись сейсмографом прихода волн называется сейсмограммой.
Реальные скорости сейсмических воли зависят от упругих свойств и плотности горных пород, через которые они проходят. Изменения скорости сейсмических волн отчетливо показывают на неоднородность и расслоенность Земли. О различных слоях и состоянии веществ, их слагающих, указывают преломленные и отраженные волны от их граничных поверхностей (рис. 8).
Рис. 9. Строение Земли. Оболочки Земли, выделенные по
распространению сейсмических волн
На основании скорости распространения сейсмических волн австралийский сейсмолог К. Буллен разделил Землю на ряд зон, дал им буквенные обозначения в определенных усредненных интервалах глубин, которые используются с некоторыми уточнениями до настоящего времени (рис. 9).
23
Выделяют три главные области Земли:
1. Земная кора (слой А) – верхняя оболочка Земли, мощность которой изменяется от 6 – 7 км под глубокими частями океанов до 35 – 40 км под равнинными платформенными территориями континентов, до 50
– 70(75) км под горными сооружениями (наибольшие под Гималаями и
Андами).
2. Мантия Земли, распространяющаяся до глубин 2900 км. В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия – слой В
– глубиной до 400 км и С – до 800 – 1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия – слой D до глубины
2700 с переходным слоем D – от 2700 до 2900 км.
3. Ядро Земли, подразделяемое: на внешнее ядро – слой Е в пределах глубин 2900 – 4980 км; переходную оболочку – слой F – от 4980 до 5120 км и внутреннее ядро – слой G до 6970 км.
По имеющимся данным выделены несколько разделов первого порядка, в которых скорость сейсмических волн резко изменяется.
Земная кора отделяется от слоя В верхней мантии достаточно резкой граничной скоростью. В 1909 г. югославский сейсмолог А.
Мохоровичич при изучении балканских землетрясений впервые установил наличие этого раздела, носящего теперь его имя и принятого за нижнюю границу земной коры. Часто эту границу сокращенно называют границей Мохо или М. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру, где наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с, а поперечные волны гасятся. Внезапное резкое уменьшение скорости продольных волн и исчезновение поперечных волн во внешнем ядре свидетельствуют о необычайном состоянии вещества, отличающемся от твердой мантии.
Вопрос 4. Термодинамические условия.
Плотность. Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см
3
. Горные породы, слагающие земную кору, отличаются малой плотностью. В осадочных породах плотность около 2,4 – 2,5 г/см
3
, в гранитах и большинстве метаморфических пород – 2,7 – 2,8 г/см
3
, в основных магматических породах – 2,9 – 3,0 г/см
3
. Средняя плотность земной коры принимается около 2,8 г/см
3
. Сопоставление средней плотности земной коры с плотностью Земли указывает на то, что во внутренних оболочках
– мантии и ядре – плотность должна быть значительно выше.
По имеющимся данным в кровле верхней мантии, ниже границы
Мохо, плотность пород составляет 3,3 – 3,4 г/см
3
, у нижней границы нижней мантии (глубина 2900 км) – примерно 5,5 – 5,7 г/см
3
, ниже границы Гутенберга (верхняя граница внешнего ядра) – 9,7 – 10,0 г/см
3
, затем повышается до 11,0 – 11,5 г/см
3
, увеличиваясь во внутреннем ядре до 12,5 – 13,0 г/см
3