Ковалёв С.Г. (и др.) Общая геология с основами гидрогеологии и гидрологии

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИИ

УФИМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА

С.Г.Ковалев, Р.Р.Хабибуллин,

В.В.Лапиков, Г.М.Абдюкова

Общая геология

с основами гидрогеологии

и гидрологии

Учебное пособие для студентов экологических,

географических и геологических

специальностей высших учебных заведений

УФА – 2006

ББК

С.Г.Ковалев, Р.Р.Хабибуллин, В.В.Лапиков, Г.М.Абдюкова. Общая

геология с основами гидрогеологии и гидрологии. Учебное пособие для

студентов экологических, географических и геологических специально-

стей высших учебных заведений.

Материал, изложенный в учебном пособии соответствует дисципли-

нам ДПП.01 – Геология с геохимией; 073200 – Общая гидрология (вклю-

чая предмет «Гидрогеология»), входящие в программу «Естественнонауч-

ное образование» – 540110.

Книга предназначена для студентов, изучающих предметы «Общая

геология» и «Общая гидрогеология» на естественнонаучных факультетах

университетов и вузов, как соответствующего профиля, так и для студен-

тов других специальностей, изучающих эти предметы в качестве общеоб-

разовательных. Она также будет полезна аспирантам и соискателям.

Табл. 25. Илл. 154.

Рецензенты:

Заведующий лабораторией гидрогеологии и геоэкологии Института

геологии УНЦ РАН, доктор геолого-минералогических наук, профессор

Р.Ф.Абдрахманов

Заведующий лабораторией метаморфизма Института геологии

УНЦ РАН, доктор геолого-минералогических наук

А.А.Алексеев

 С.Г.Ковалев, Р.Р.Хабибуллин, В.В.Лапиков, Г.М.Абдюкова.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………

Часть I. Планета Земля ……………………………………

§1. Орбитальное движение Земли и ее осевое вращение ……….

§2. Форма и размеры Земли ………………………………………

§3. Гравитационная энергия ………………………………………

§4. Земное магнитное поле ……………………………………….

Вековые вариации геомагнитного поля (14). Происхождение поля (15).

§5. Тепловой режим Земли ……………………………………….

Изменения температуры с глубиной (18). Плотность и давление (20).

§6. Внутреннее строение Земли ………………………………….

Мантия (21). Ядро (24). Средний химический состав Земли (24).

Часть II. Геосферы Земли ………………………………..

Глава 1. Атмосфера ………………………………………………

§7. Общая характеристика атмосферы …………………………...

§8. Геологическая работа ветра …………………………………..

Разрушающая деятельность ветра (31). Эоловая аккумуляция и эоло-

вые отложения (34). Формы песчаной эоловой аккумуляции (35). Эко-

логическая роль эоловой деятельности (39).

Глава 2. Гидросфера …………………………………………….

§9. Рельеф дна Мирового океана …………………………………

§10. Моря …………………………………………………………..

§11. Химический состав и физические свойства морской воды .

Распределение солености (46). Содержание газов в морской воде (47).

Прозрачность (50). Температура (52). Плотность воды (53).

§12. Динамика гидросферы ……………………………………….

Волнение (54). Эффект волнения (55). Течения (56). Механизм возник-

новения течений (57). Приливы и отливы (58).

§13. Геологическая деятельность океанов и морей ……………..

Разрушительная деятельность моря (62). Накопление морских осадков

(63). Генетические типы донных осадков Мирового океана (65). Пре-

образование осадков в осадочные породы (72).

§14. Понятие о фациях …………………………………………….

§15. Экологические особенности и полезные ископаемые мор-

ских бассейнов …………………………………………………….

§16. Поверхностные воды суши ………………………………….

Плоскостной склоновый сток (78). Деятельность временных русловых

потоков (78).

§17. Реки ……………………………………………………………

Речные системы (81). Строение реки (82). Густота речной сети (85).

Речной бассейн. Водосбор (87). Морфометрические характеристики

бассейна (87).

§18. Геологическая деятельность рек …………………………….

Речная эрозия (90). Транспорт и речные отложения (93). Растворенные

вещества в речных водах (97). Аккумуляция (100). Извилистость и раз-

ветвленность рек (101). Строение долины, поймы и речные террасы (102).

§19. Расчеты речного стока ……………………………………….

Физико-географические факторы стока (106). Единицы измерения

стока (107).

Уравнение водного баланса (108). Работа и мощность рек

(111).

§20. Экологическая роль поверхностных водотоков ……………

§21. Озера ………………………………………………………….

Типы озер, происхождение котловин (115). Морфология озерной кот-

ловины (117). Морфометрические характеристики озера (120).

Пита-

ние и водный баланс озер (121). Химический состав озерных вод (123).

Водохранилища и их гидрологический режим (125).

§22. Геологическая деятельность озер и водохранилищ ………..

Озерные отложения (128).

§23. Болота …………………………………………………………

Понятие о болоте и заболоченных землях. Возникновение болот (130).

Классификация болот (132). Геологическая деятельность болот (133).

§24. Ледники ………………………………………………………...

Образование ледников, движение и типы ледников (135).

§25. Геологическая деятельность ледников ……………………..

Разрушительная деятельность ледников (136). Транспорт и аккумуля-

ция (137). Водно-ледниковые отложения (139). Отложения приледни-

ковых областей (140).

§26. Подземные воды ……………………………………………..

Теории о происхождении подземных вод (141). Вода в горных породах

(144).

§27. Водно-физические и коллекторские свойства горных пород

Пористость (146). Влагоемкость (147). Водоотдача (149). Проницае-

мость (149). Капиллярность (150). Водоносные и водоупорные породы

(150).

§28. Физико-химические свойства подземных вод ……………..

Физические свойства подземных вод (150). Химический состав подзем-

ных вод (152). Классификация подземных вод по химическому составу

(154). Критерии генетических типов подземных вод (158).

§29. Строение поздемной гидросферы (геогидросферы) ……….

Зона аэрации (160). Криолитозона (162). Зона полного насыщения

(164). Подземные воды в трещиноватых и закарстованных породах

(170). Основные элементы гидрогеологической стратификации (172).

Движение подземных вод. Понятие фильтрации (175).

§30. Геологическая деятельность подземных вод ………………

Карстовые процессы (177). Суффозия (179). Оползни (180). Криоген-

ные явления (182).

§31. Использование подземных вод и их охрана ……………….

106

113

115

126

130

135

136

141

146

150

159

177

183

Баланс подземных вод (185). Запасы подземных вод (185). Минеральные

(лечебные) подземные воды (188). Промышленные воды (194). Тер-

мальные воды (196).

§32. Происхождение атмосферы и гидросферы …………………

Глава 3. Биосфера ………………………………………………..

§33. Жизнь в атмосфере, гидросфере и литосфере ……………….

Глава 4. Литосфера ……………………………………………….

§34. Строение земной коры ……………………………………….

Континентальный тип земной коры (213). Океаническая кора (213).

Субконтинентальная кора (213). Субокеаническая кора (214).

§35. Общие сведения о минералах ………………………………..

Формы нахождения минералов в природе (219). Изоморфизм и поли-

морфизм (220). Аморфные вещества (220).

§36. Физические свойства минералов ……………………………

§37. Описание главнейших породообразующих минералов ……

Самородные элементы (223). Сульфиды (228). Оксиды и гидроксиды

(232). Галогенные соединения (238). Карбонаты (239). Сульфаты

(242). Фосфаты (244). Силикаты (245).

§38. Главнейшие горные породы …………………………………

§39. Магматические горные породы ……………………………..

Систематика магматических пород (260). Характеристика магмати-

ческих горных пород (263). Морфология тел магматических горных

пород (267). Морфология тел эффузивных пород (267). Морфология

тел интрузивных пород (269).

§40. Пирокластические горные породы …………………………..

§41. Осадочные горные породы …………………………………..

Терригенные горные породы (274). Хемогенные и органогенные породы

(276). Карбонатные породы (278). Кремнистые породы (279). Желези-

стые породы (280). Фосфоритовые породы (280). Каустобиолиты

(281). Текстуры и формы залегания осадочных пород (281).

§42. Метаморфические горные породы …………………………..

Парапороды (284). Ортопороды (285). Динамометаморфиты (285).

198

203

212

214

221

223

259

260

272

273

283

Часть III. Геологические процессы ……………………..

Глава 5. Эндогенные процессы ………………………………...

§43. Интрузивный магматизм …………………………………….

Происхождение магм (проблема плавления) (287).

§44. Вулканизм ……………………………………………………

Типы вулканических извержений (303). Вулканические постройки (306).

Экологические последствия извержения вулканов (308).

§45. Метаморфизм …………………………………………………

Фации метаморфизма (309). Типы метаморфизма (313).

§46. Тектонические движения ……………………………………

Виды деформаций, явление гистерезиса (316). Складчатость (318).

Формы складок (319). Разрывные (дизъюнктивные) нарушения (326).

286

300

309

315

§47. Геотектонические гипотезы и теории ………………………

Контракционная гипотеза (329). Гипотеза изостазии (330). Геосинк-

линальная теория (гипотеза) (332). Гипотеза мобилизма (337). Новая

глобальная тектоника (339). Современные представления о главных

структурных элементах земной коры (342).

§48. Сейсмические явления ………………………………………

Механизм возникновения землетрясений и его параметры (347). Фо-

кальные механизмы землетрясений (351). Интенсивность землетрясе-

ний (354). Географическая распространенность землетрясений и их

геологическая позиция (357). Наведенная сейсмичность (359). Прогноз

землетрясений (361). Сейсмостойкое строительство и поведение

грунтов при землетрясении (362). Цунами (363).

Глава 6. Экзогенные процессы …………………………………

§49. Выветривание ………………………………………………...

Механическое, или, физическое выветривание (365). Химическое вы-

ветривание (367). Коры выветривания (369). Органическое (биологиче-

ское) выветривание (372). Почвообразование (372).

328

347

364

Часть IV. Геологическая летопись Земли ………………

Глава 7. Время в геологии ………………………………………

§50. Относительное и абсолютное летоисчисление …………….

Геологическое летоисчисление (381). Палеомагнитный метод (385).

Радиогеохронологический возраст (387).

Глава 8. Краткая история развития Земли ……………………

§51. История тектонических событий ……………………………

История тектонических событий Земли (390).

§52. Краткая история развития Земли ……………………………

Догеологическая стадия развития Земли (394). Докембрий (395). Па-

леозой (398). Мезозойская эра (402). Кайнозойская эра (405).

377

390

394

Часть V. Полезные ископаемые …………..………………

Глава 9. Общие сведения о полезных ископаемых …………..

§53. Основные понятия …………………………………………….

Вещественный состав руд (409). Кондиционные требования к рудам

(411). Промышленная классификация металлов (413). Классификация

ресурсов земных недр, запасы и ресурсы минерального сырья (414).

§54.Современное состояние мировой горнодобывающей про-

мышленности ……………………………………………………….

Минерально-сырьевая база России (420).

Рекомендуемая дополнительная литература ………………....

408

418

422

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость написания данного учебного пособия обусловлена су-

ществованием естественнонаучной дисциплины ЕН.Ф.06 «Науки о Зем-

ле», курса «Геология, гидрогеология и гидрология», читаемого при под-

готовке специалистов по специальностям 656600 – Защита окружающей

среды и 511100 – Экология и природопользование.

Объединение в одном курсе трех самостоятельных дисциплин вызвано

необходимостью дать студентам представление с одной стороны – о геоло-

гических процессах, действуюших на протяжении длительной истории раз-

вития Земли, составе и свойствах горных пород, условиях их происхожде-

ния и преобразования, процессах формирования и свойствах подземных

вод, т.е. всего того, что входит в состав предмета «Общая геология»; с дру-

гой стороны специализация студентов подразумевает необходимые знания

общих закономерностей гидрологических процессов, способов определения

расчетных характеристик годового стока, методов расчета испарения с вод-

ной поверхности и суши и водно-балансовых расчетов, т.е. всего того, что

входит в курс «Гидрология». Все это создало некоторые трудности при

компановке материала, связанные с необходимостью сокращения отдель-

ных разделов без ущерба для общего и цельного восприятия предметов. В

частности, часть экзогенных процессов (геологическая деятельность ветра,

рек, морей, океанов и т.п) была описана в соответствующих главах, а не в

разделе «Экзогенные процессы». Тем не менее, мы считаем, что такая ком-

пановка материала в достаточной мере оправдана.

В целом же материал, изложенный в учебном пособии соответствует

дисциплинам ДПП.01 – Геология с геохимией; 073200 – Общая гидроло-

гия (включая предмет «Гидрогеология»), входящие в программу «Естест-

веннонаучное образование» – 540110.

При подготовке данного учебного пособия использовались как труды,

ставшие классическими (Г.Д.Ажгирей «Структурная геология», А.Г.Бе-

техтин «Курс минералогии», А.Х.Браунлоу «Геохимия», Н.Д.Боуэн «Эво-

люция изверженных пород», А.А.Маракушев «Петрогенезис», Дж.Ферху-

ген, Ф.Тернер и др. «Земля. Введение в общую геологию», А.Холмс «Ос-

новы физической геологии» и др.), так и учебные пособия, вышедшие в

различные периоды времени (М.М.Жуков, В.И.Славин и др. «Основы гео-

логии», П.П.Клементов, Г.Я.Богданов «Общая гидрогеология», Н.В.Ко-

роновский, Н.А.Ясаманов «Геология», А.С.Монин «История Земли», Н.А.

Соломенцев, А.М.Львов и др. «Гидрология суши»). Кроме того, использо-

вались публикации в научной периодике последних лет.

Часть I

Планета Земля

§1. Орбитальное движение Земли и ее осевое вращение

Наша Солнечная система входит в состав Галактики Млечный Путь,

которая вращается вокруг своей оси с неодинаковой угловой скоростью в

различных точках. Полный оборот вокруг Центра Галактики Солнце со-

вершает за 215 млн. лет, вращаясь со скоростью около 25

×10

м/с. В то же

время Галактика постоянно поступательно движется в направлении со-

звездия Единорога со скоростью около 21

×10

м/с. Земля, являясь состав-

ной частью Солнечной системы, участвует в этих движениях вместе с

Солнцем. Одновременно Земля вращается вокруг Солнца по эллиптиче-

ской орбите с запада на восток (орбитальное движение). Эксцентриситет

орбиты равен 0,017. Наиболее близкая к Солнцу точка земной орбиты

называется перигелием, наиболее удаленная – афелием. Полный оборот

вокруг Солнца наша планета совершает за 365 сут. 5 ч. 48 мин. 46 с. На

отдельных участках орбиты Земля движется быстрее, нежели на других.

Первую половину своего пути по орбите она проходит примерно за 186

сут. (с 21 марта по 23 сентября), вторую – за 179 сут. (с 23 сентября по 21

марта). Наибольших значений орбитальная скорость достигает в периге-

лии, наименьших – в афелии.

Наряду с орбитальным движением, Земля постоянно совершает враща-

тельное движение вокруг своей оси. Такое вращение происходит с запада

на восток. Полный оборот вокруг своей оси планета совершает за одни

сутки (23 ч 56 мин 4 с) со средней линейной скоростью 465 м/с. Продол-

жительность такого оборота (продолжительность суток) в течение года

меняется. Наибольших значений продолжительность суток достигает в

марте, наименьших – в августе.

Изменения скорости орбитального движения Земли и скорости ее осе-

вого вращения происходят под действием различных причин. Так назы-

ваемые внутренние причины обусловлены колебаниями момента инерции

Земли. В силу этого происходит уменьшение земного радиуса каждые сто

лет на 5 см, а иногда и на 12 см. Изменение радиуса Земли происходит

неравномерно и обусловлено неустойчивостью механического и физико-

химического состояния земных недр. Уменьшение радиуса планеты со-

провождается резким увеличением давления во всех слоях ее недр, что

приводит к перетоку новых масс в состав ее ядра и к его уплотнению. В

целом из-за гравитационного сжатия и уменьшения земного радиуса на-

блюдается так называемое вековое ускорение вращения планеты, состав-

ляющее в относительных единицах 1,4

×10

-8

в столетие.

Большое влияние на изменение скорости орбитального и осевого вра-

щения Земли оказывают внешние причины. В первую очередь это касает-

ся приливного трения, воздушных течений и взаимодействия сезонной

циркуляции атмосферы с земной поверхностью. В результате влияния на

Землю притяжения Луны и Солнца в океанах и морях образуются при-

ливные волны. Они перемещаются в направлении, противоположном

вращению планеты, что приводит к уменьшению энергии вращательного

движения Земли.

В земной атмосфере действуют постоянные воздушные течения, раз-

меры которых сопоставимы с площадью материков. Скорости этих тече-

ний в среднем составляют: зимой около 100 м/с, летом – 70 м/с. В целом

воздушные потоки направлены зимой с запада на восток, а летом – с вос-

тока на запад. В результате трения воздушных потоков о земную поверх-

ность, вращение Земли замедляется.

§2. Форма и размеры Земли

Появившиеся в глубокой древности представления о форме и размерах

Земли с течением времени менялись и трансформировались вместе с об-

щим развитием естественных наук и их достижениями. Длительное время

Земля рассматривалась как некое шарообразное тело. Как правило, в

большинстве учебников представления о шарообразной форме Земли и ее

орбитальном движении связываются с именами Н.Коперника (1473–1543)

и Г.Галилея (1564–1642). Справедливости ради, следует сказать, что уже

Пифагор (540–510 г. до н.э.) доказывал, что Земля имеет сферичную фор-

му, а Аристарх Самосский (310–230 г. до н.э.) выдвинул гипотезу, соглас-

но которой все планеты, включая Землю, вращаются по кругам вокруг

Солнца и Земля совершает оборот вокруг своей оси за 24 ч.

В XVII–XVIII вв., когда для изучения размеров Земли стали приме-

няться более точные оптические методы геодезии, было выяснено, что

форма Земли не представляет собой идеальный шар, так как полярный и

экваториальный радиусы неодинаковы (сегодня известно, что разница

между ними составляет немногим более 21 км). Это свидетельствует о

сплюснутости ее по оси вращения. Фигура Земли образовалась при совме-

стном действии гравитационных и центробежных сил. Равнодействующая

этих сил называется силой тяжести. Она перпендикулярна земной поверх-

ности и выражается в ускорении, которое приобретает каждое тело у по-

верхности Земли. На рубеже XVII–XVIII вв. И.Ньютоном теоретически

было обосновано положение о том, что под воздействием силы тяжести

Земля должна иметь сжатие в направлении оси вращения и принимать

форму эллипсоида или сфероида

. Впоследствии сделанные во многих

странах измерения длины меридианов и параллелей подтвердили теоре-

тические положения и расчеты И.Ньютона. Эти данные также показали,

что Земля является не двухосным, а трехосным эллипсоидом, так как эк-

ваториальные радиусы отличаются по длине на 213 м.

Рис. 1. Положение поверхностей рельефа Земли, сфероида и геоида

Хотя представления о форме Земли как об эллипсоиде в первом при-

ближении оказались верными, в действительности ее реальная поверх-

ность оказалась более сложной (рис. 2). Наиболее близкой к форме Земли

является своеобразная фигура, получившая название геоида (дословно –

землеподобный).

Геоид – это фигура, ограниченная поверхностью океана, мысленно про-

долженной через материки таким образом, что она всюду остается перпен-

дикулярной к направлению силы тяжести. От этой поверхности отсчитыва-

ются «высоты над уровнем моря». Он отклоняется от сфероида именно из-

за иррегулярности распределения масс (горы, материки, океаны, породы

неодинаковой плотности). В океанических районах, где масса на единицу

площади меньше, потому что вода менее плотна, чем материковые породы,

геоид опустится ниже сфероида, тогда как в горных областях, где масса на

единицу площади больше, геоид возвышается над сфероидом.

Сфероид – эквипотенциальная поверхность, совпадающая со средним уровнем моря вооб-

ражаемой вращающейся Земли, в которой все массы распределены концентрически одно-

родно, т.е. Земли, на которой все горы и материки выровнены, а океаны заполнены на оди-

наковую глубину.