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

Подождите немного. Документ загружается.

361

ние уровня вод, а перед землетрясением – резкий подъем. Геохимические

предвестники указывают на аномальное увеличение содержания радона

перед землетрясениями. Нередко, напоминая о трех-четырех удачных

предсказаниях, заявляют: прогноз возможен. Подобный вывод совершен-

но неправомерен. Ибо подлинный прогноз – это вовсе не любые, сбы-

вающиеся впоследствии предсказания, а лишь те, которые достаточно

надежно, устойчиво сбываются, когда их делают по некоторым опреде-

ленным правилам (алгоритмам). Естественно, что несколько удачных по-

паданий на фоне сотен ошибок никаких оснований для вывода о возмож-

ности прогноза не дают. В отношении прогноза главное открытие послед-

них лет: непредсказуемость землетрясений вызвана вовсе не недостатком

данных наблюдений, как полагали еще недавно, а особенностями меха-

низма разрушения, порождающими хаотичность сейсмического процесса.

Сейсмостойкое строительство и поведение грунтов при землетря-

сениях.

Строительство в сейсмоопасных районах осуществляется с уче-

том специальных требований, направленных на повышение прочности

зданий. Это и специальные фундаменты, и способы крепления стен зда-

ний, и металлические «обручи», которыми, как бочку, опоясывают здание,

предотвращая тем самым развал панелей стен дома; это и ограничение

этажности и еще много других специальных антисейсмических приемов,

направленных на усиление конструкции в уязвимых местах. Колебание

сооружения зависит от многих факторов: формы и глубины заложения

фундамента, жесткости конструкции, типа грунтов, резонансных частот и

пиковых амплитуд предельно допустимого смещения. Дело в том, что

возникновение резонансных колебаний влияет на контакт фундамента с

грунтом. По мнению Е.А.Вознесенского, особую опасность представляют

маятниковые колебания, резонансное усиление которых при расположе-

нии у центра тяжести сооружения далеко от его фундамента, например,

трубы, высотные здания, высокие мостовые опоры, телебашни и др. Рас-

качивание таких сооружений приводит к их разрушению. Чрезвычайно

важно знать некоторые важные характеристики грунтов, такие, как мо-

дуль сжатия, модуль сдвига, коэффициент затухания колебаний, вязкость

грунтов, их слоистость, степень изотропности, влажность. Рыхлые увлаж-

ненные грунты – глины, пески, суглинки – меняют свои механические

свойства, когда через них проходят упругие сейсмические волны. Осо-

бенно опасно разжижение водонасыщенного грунта, когда при колебани-

ях исчезают контакты между зернами, слагающими грунт, и последние

оказываются как бы «взвешенными» в воде, которая содержалась в порах.

При этом прочность грунта резко снижается и сооружения либо разруша-

ются, либо наклоняются, перекашиваются или даже «тонут». Подобное

катастрофическое разжижение грунтов наблюдалось во время землетря-

362

сений 27 марта 1964 года у берегов Аляски около г. Анкоридж (

М = 8,4) и

16 июня в Ниигате, Япония (

М = 7,5).

Таким образом, избирательное усиление колебаний грунта в определен-

ных интервалах частот, потеря ими прочности и разжижение, а также воз-

никновение оползней, потоков и обвалов – вот что приводит к разрушению

жилых зданий и промышленных сооружений во время землетрясений.

Цунами. Термин «цунами» в переводе с японского означает «большая

волна в заливе». В нашей стране он стал известен после трагедии на Ку-

рильских островах, когда в 1952 году в результате огромной волны высотой

до 12 м был полностью разрушен г. Северо-Курильск на о. Парамушир.

В результате подводного землетрясения, происходящего в открытом

океане, возникает зона локального возмущения уровня водной поверхно-

сти, как правило, над эпицентральной областью (рис. 133).

Рис. 133. Схема образования

цунами

__________________________

Это возмущение обуслов-

лено быстрым поднятием или

опусканием морского дна,

которое приводит к возникно-

вению на поверхности океана

длинных гравитационных волн, называемых волнами цунами. Длина волн

цунами определяется площадью эпицентральной области и может дости-

гать сотен километров и более. Если где-то в океане происходит мгновен-

ное поднятие дна, то на поверхности воды возникает как бы водяная

«шляпка гриба» высотой 5–8 м. Затем она распадается с образованием

круговых волн, разбегающихся в разные стороны. Иногда в этой водяной

«шляпе» наблюдаются всплески, небольшие фонтаны, брызги, появляют-

ся кавитационные пузырьки. Если какое-нибудь судно попадает в такую

зону, то оно подвергается мощным ударам, вибрации и звуковому воздей-

ствию, причиной которой являются сейсмоакустические волны сжатия с

амплитудой до 15 МПа. Распространяясь во все стороны от эпицентраль-

ной области, волны проходят очень большие расстояния. Например, после

сильного землетрясения 4 октября 1994 года вблизи о. Шикотан Куриль-

ской островной дуги с

М = 8,0 по шкале Рихтера волны достигали побе-

режья Южной Америки через 20–21 ч. Чаще всего скорость распростра-

нения волн цунами не превышает 200 км/ч, в то время как скорость сейс-

мических волн составляет несколько км/с, что позволяет дать прогноз

363

возникновения цунами после землетрясения, которое регистрируется поч-

ти мгновенно, и оповестить население о приближающейся опасности.

Скорость, с которой цунами подходит к берегу, равна:

C = gH ,

где

g = 9,81 м/с

– ускорение свободного падения; Н – глубина океана.

Например, если землетрясение происходит вблизи Курильской гряды и

Восточной Камчатки, то время пробега волны составляет всего 10–60

мин, что очень мало для принятия срочных мер по эвакуации населения.

Когда цунами высотой 5–6 м подходит к мелкому берегу, высота волны

начинает возрастать до нескольких десятков метров в силу различных

причин. «Выросшая» в высоту волна всей мощью обрушивается на поло-

гий берег, сметая все на своем пути, и проникает в глубь побережий ино-

гда на десятки километров.

Цунами чаще всего наблюдаются в Тихом океане, где за последние 10 лет

их произошло более 70. Так, 02.09.1992 г. волны высотой 10 м на побережье

Никарагуа привели к гибели около 170 чел.; 12.12.1992 г. в Индонезии цуна-

ми высотой до 26 м погубили более 1000 чел.; 17.08.1998 г. волны высотой до

15 м обрушились на Папуа-Новую Гвинею, во время которого более 2000

чел. оказались смытыми волной в лагуну, а при последнем (2005 год) цунами

в Индонезии погибло и пропало без вести свыше 200 тыс. человек. Цунами

возникают не только в результате землетрясений. Известен случай на Аляске

09.07.1958 г., когда в бухту Литуя со склонов горы Фейруэзер сошел огром-

ный оползень в 80 млн. м

, вызвавший волну в 524 м высотой, что почти рав-

но высоте Останкинской телевизионнной башне в Москве! Такая высота ус-

тановлена по заплеску волн на склонах гор.

В очаге цунами нередко происходит быстрый подъем к поверхности

холодных глубинных вод, при этом температура поверхностной воды в

диаметре до 500 км понижается на 5–6°С, и подобная аномалия держится

более суток. Такие аномалии уже много раз зафиксированы со спутников

в океанах вблизи Тихоокеанского побережья Америки, в Охотском море и

других местах. Существует специальная служба оповещения о прибли-

жающемся цунами.

Кроме того, сейсмические колебания океанского дна вызывают такое

явление, как

моретрясение, при котором море мгновенно «вскипает», обра-

зуются стоячие волны высотой до 5–6 м, водяные бугры, остающиеся на

одном месте. Часто моретрясение сопровождается сильным гулом. Море-

трясения возникают при особом типе колебания океанического дна, когда

образуются высокоэнергетические акустические волны. Если колебания дна

происходят со скоростью 1 м/с, то на фронте волны сжатия скачок давления

достигает 15 атм. Именно такая волна воспринимается судном как удар.

364

Глава 6

ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

На земной поверхности горные породы находятся в условиях тесного

взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой, под влиянием

которых породы начинают разрушаться и преобразовываться. Эти про-

цессы получили в геологии название экзогенных – внешних, – реализую-

щихся на поверхности нашей планеты. Большая часть из них была оха-

рактеризована выше, в соответствующих разделах (см., например, геоло-

гическая работа ветра и т.д.). В этой главе будут рассмотрены процессы

выветривания.

§49. Выветривание

Все горные породы в течении времени изменяются. Процессы измене-

ния горных пород на поверхности Земли под влиянием солнечных лучей

(инсоляция), колебаний температуры воздуха, замерзающей в пустотах

горных пород воды, кислорода, углекислоты, а также организмов, насе-

ляющих поверхность Земли, объединяют понятием выветривания.

Различают

физическое, химическое и биологическое выветривание. В

природе они обычно проявляются одновременно. Особенно в тесном взаи-

модействии находятся химическое и биологическое выветривания, поэтому

эти два вида иногда объединяются под названием биохимического.

В понятие выветривания не входят процессы разрушения горных по-

род под действием ветра, а несколько созвучно (ветер) это слово лишь

потому, что является неверным переводом соответствующего немецкого

термина. Не входит в него и разрушительная работа подземных и текучих

вод, льда, вод озер и морей, представляющая собой разновидность дену-

дации и рассмотренная в соответствующих главах.

Выветривание горных пород – сложный процесс, в котором выделяют

несколько форм или факторов действия. Первая из них – механическое

дробление горных пород и минералов без существенного изменения их

химических свойств – носит название механического, или физического,

выветривания (рис. 134, б).

Вторая форма – химическое изменение вещества, приводящее к пре-

вращению исходных минералов в новые, не похожие на них, называется

химическим выветриванием (см. рис. 134, а). Минералы и горные породы

физически и, главным образом химически, изменяются также под воздей-

ствием жизнедеятельности организмов и органического вещества, обра-

365

зующегося при их разложении. Этот процесс рассматривают как третью

форму выветривания – органическое, или биохимическое, выветривание.

Проявление всех типов выветривания происходит одновременно, но на-

пряженность и преобладание того или другого типа всецело зависят от

климатических и иных условий данной местности.

Рис. 134. Разница между

химическим (а) и меха-

ническим (б) типами

выветривания

____________________

Механическое, или

физическое, выветри-

вание.

В результате

этого вида выветрива-

ния породы распадаются на обломки и превращаются в глыбы, дресву и

песок. При этом состав конечных продуктов разрушения целиком зависит

от структуры, текстуры и минерального состава горной породы, подвер-

гающейся разрушению. Важнейшим фактором механического выветрива-

ния является

инсоляция, т. е. нагрев поверхности горных пород солнеч-

ными лучами. Возникающее вследствие попеременного нагрева и остыва-

ния периодическое изменение объема породы (увеличение его при нагре-

вании и уменьшение при остывании) вызывает ее растрескивание, нару-

шение связи между входящими в ее состав минералами, а также наруше-

ние связей внутри самих минералов. Образование и рост трещин, раска-

лывающих породу на куски, идет тем интенсивнее, чем больше суточная

амплитуда колебания температуры, достигающая особенно больших ве-

личин (иногда более 40°С) в субтропических пустынях и высокогорных

областях. Образование трещин в горных породах в значительной мере

зависит от их свойств – слоистости, сланцеватости или наличия спайности

у слагающих их минералов. Механическому разрушению также способст-

вует так называемая первичная отдельность магматических пород, т. е

система взаимно пересекающихся трещин, возникшая в породе вследст-

вие уменьшения ее объема при остывании магматического тела или при

воздействии на породы тектонических сил. Первичная отдельность может

быть выражена невидимыми невооруженным глазом трещинками, но при

выветривании они легко расширяются и способствуют разрушению поро-

ды, обусловливая характерные формы образующихся обломков в виде

366

столбов, шаров и др. Породы с массивной текстурой, прогреваясь и остывая

за день лишь на определенную небольшую глубину, начинают растрески-

ваться и отслаиваться по кривым поверхностям, параллельным неровной

поверхности тела. От породы отделяются куски в виде чешуи, отчего такой

процесс получил название

десквамации, или чешуения.

Характерной формой выветривания гранитов, обладающих первичны-

ми трещинами отдельности, является распадение их на отдельные глыбы

в форме параллелепипедов. При дальнейшем выветривании углы глыб

округляются, и они приобретают матрацевидную форму. Породы со слои-

стой и сланцеватой текстурой под влиянием инсоляции распадаются по

плоскостям на плитки и расслаиваются.

Слоистая толща осадочных пород, например песчаников, имеющих

различную степень цементации, выветривается неоднородно. Одни слои

легко распадаются на мелкий щебень, дресву и песок, другие долго со-

храняют свою монолитность. Так же неравномерно протекает и выветри-

вание многих других пород, например, лав или пирокластических толщ и

др. Легко разрушающиеся участки таких пород быстро осыпаются, а рых-

лые продукты выветривания выносятся ветром и водой и в результате

поверхность приобретает очень неровную форму. Плотные, трудно вы-

ветривающиеся участки сохраняются в виде выступов, а на месте легко

выветривающихся образуются впадины. В результате возникает очень

характерная скульптура поверхности, получившая название

форма вы-

ветривания

. Такими формами выветривания являются различные высту-

пы, карнизы, столбы, останцы грибовидной формы, арки, островерхие

скалы или скалы причудливых контуров в виде сфинксов и т. д.

Интенсивность и характер механического выветривания зависят не

только от температурного режима и других климатических факторов, но

также и от минерального состава породы, от ее теплоемкости и теплопро-

водности. Быстрее разрушаются темноокрашенные породы и минералы, а

также крупнокристаллические полиминеральные породы с большими раз-

личиями коэффициентов расширения составляющих их минералов.

Как уже отмечалось выше, механическое разрушение горных пород

особенно интенсивно в областях, где суточная температура, отрицательная

или положительная, колеблется около 0°С. Такими областями являются

высокогорья и страны с субполярным климатом. В этой обстановке особое

значение имеет периодически замерзшая вода, проникающая в трещины.

Как известно, при превращении воды в лед объем последнего увеличивает-

ся на 1/11, поэтому образовавшийся лед давит на стенки трещин с силой до

890 кг на 1 см

, разрывая даже очень твердые породы. Эта форма разруше-

ния горных пород получила название

морозного выветривания.

367

Химическое выветривание. Разрушение горных пород проходит также

под влиянием химического воздействия воздуха, воды и живых организмов.

Наиболее активными агентами являются кислород, углекислый газ, вода, а

при биологическом выветривании и органические кислоты.

Особенно велика в этом отношении роль воды, несущей в себе раство-

ры солей и газов. Вода, содержащая кислород, углекислоту и другие ве-

щества, способна растворять или химически изменять почти все минералы

и горные породы. Химическое выветривание может быть выражено не-

сколькими типами, главнейшими из которых являются: растворение,

окисление, карбонатизация и восстановление. В результате химического

выветривания происходит образование новых минералов, стойких в физи-

ко-химических и биохимических условиях земной поверхности.

Растворение происходит под действием воды, стекающей по поверхно-

сти горной породы или просачивающейся через ее трещины и поры (рис.

135). При этом она избирательно выносит (выщелачивает) из породы толь-

ко некоторые вещества. Из химических соединений наилучшей раствори-

мостью обладают хлориды, т. е. соли хлористоводородной или соляной ки-

слоты. Они могут существовать в земной коре в виде твердых минералов

только при условии их изоляции от воды, например, если они защищены

водонепроницаемыми глинистыми слоями. На 100 частей воды растворяет-

ся по весу: Сl – 36, КСl – 32, МgСl

– 56, СаСl

– 67 частей. Значительно

слабее растворяются сульфаты (соли серной кислоты). Так, на 10000 частей

воды растворяется: СаSО

– 20, СаSО

×2Н

О – 25, ВаSО

– 0,5 части. Кар-

бонаты еще менее растворимы. В присутствии СО

на тот же объем воды

растворяется. СаСО

– 10, МgО

– 13, СаСО

МgСО

– 3/4 части.

Рис. 135. Растворение горных пород

_______________________________________

С явлениями растворения связано, в ча-

стности, выветривание таких сложных хи-

мических соединений, как силикаты, кото-

рые в подавляющем большинстве принято

считать нерастворимыми минералами. Эти

соединения преобладают в составе земной

коры, поэтому процессы их выветривания

имеют особенно важное значение.

При выветривании силикатов происхо-

дит

гидролиз, т. е. распадение их кристалли-

368

ческой решетки под действием воды на отдельные комплексы ионов и

радикалы. Он сопровождается выносом из кристаллической решетки хо-

рошо растворимых соединений сильных оснований (щелочей и щелочных

земель). В полевых шпатах водород замещает при этом калий или натрий,

и происходит общая перегруппировка каркасной решетки в слоистую с

присоединением воды и образованием в итоге минералов глинистой груп-

пы и некоторых слюд. В качестве примера можно привести стадийность

разложения полевых шпатов в условиях влажного теплого климата. Они

вначале переходят в гидрослюду, а затем в более устойчивый в гиперген-

ных условиях глинистый минерал – каолинит:

К(АlSi

) → (К,Н

О)Аl

(ОН)

(АlSi

) ⋅

⋅⋅

⋅ nН

О → Аl

(ОН)

(Si

)

ортоклаз гидрослюда каолинит

В процессе гидратации часть кремнезема выносится в форме истинных

растворов или комплексных кремнийорганических соединений. Значи-

тельная часть кремнезема в воде сравнительно быстро переходит в кол-

лоидальное (от греч. «колла» – клей) состояние и выпадает из раствора в

виде амофного гидратированного осадка SiO

⋅

⋅⋅

⋅ nН

О. Это аморфное веще-

ство при частичной потере воды превращается в опал. Но часть кремнезе-

ма остается в связанном состоянии в каолинитовой молекуле. В умерен-

ном, достаточно влажном климате каолин устойчив.

При выветривании магматических и метаморфических горных пород,

богатых алюмосиликатами (граниты, гранодиориты, сиениты, гранито-

гнейсы), во влажном теплом климате возникают мощные толщи каолини-

та, которые представляют собой остаточные, элювиальные месторожде-

ния каолина.

Окисление и гидратация. Окислению подвержены в первую очередь

минералы, содержащие железо, серу, ванадий, марганец, никель, кобальт

и другие легко соединяющиеся с кислородом элементы. Факторами окис-

ления являются кислород воздуха и вода. В присутствии влаги закиси ме-

таллов, входящие в состав горных пород и минералов, легко переходят в

окиси, сульфиды – в сульфаты и т. д. Направление изменений зависит от

климатических условий. Во влажном климате образуются богатые водой

гидраты окислов железа:

2Fе

+ ЗН

О = 2Fе

⋅

⋅⋅

⋅ ЗН

На поверхности выветривающихся горных пород, содержащих железо,

образуются бурые корки лимонита. В жарком климате, благодаря интен-

сивному прогреванию и испарению влаги образуются бедные водой или

лишенные воды минералы группы гематита (2Fе

⋅

⋅⋅

⋅Н

О или F

имеющие красную окраску. Поэтому почвы коры выветривания тропиче-

369

ских областей характеризуются красным цветом и способностью быстро

твердеть при высыхании. Это легкое затвердевание и кирпично-красная

окраска послужили причиной наименования таких образований

латерит-

ными

(от латинского слова «латер» – кирпич).

Карбонатизация представляет собой процесс присоединения углеки-

слоты к продуктам изменения горных пород, приводящий к образованию

карбонатов кальция, железа, магния и других металлов. Подавляющее

большинство карбонатов довольно хорошо растворимо в воде и поэтому

выносится из коры выветривания в подстилающие породы, где часть из

них переотлагается, образуя стяжения (конкреции). Много карбонатов

выносится и в грунтовые воды, обуславливая их жесткость, т. е. неспо-

собность смывать жиры и давать пену в соединении с мылом. Но в стра-

нах с сухим климатом большая часть образующихся карбонатов остается

в коре выветривания в тонко распыленном виде или в форме стяжений.

Такая карбонатная кора выветривания состоит из глин, суглинков и супе-

сей, сильно вскипающих с соляной кислотой.

Восстановление является процессом, обратным окислению, и заклю-

чается в потере веществом части или всего содержащегося в нем химиче-

ски связанного кислорода. В условиях поверхности суши свободный ки-

слород, содержащийся в атмосфере и в водных растворах, обычно приво-

дит к окислению продуктов выветривания, и восстановление при этом,

проявляться не может. Оно участвует в выветривании только там, где по-

чему-либо нет свободного кислорода. В частности, в условиях болот все

поры пород и покрывающая их рыхлая кора выветривания заполнены во-

дой, в которую за счет отмирания болотной растительности поступает

много органических веществ. Все они являются сильными восстановите-

лями, так как легко соединяются с кислородом при своем разложении.

При этом не только используется весь растворенный в воде свободный

кислород, но и отнимается часть кислорода, химически связанного в ми-

нералах породы. В результате этого окись железа переходит в закись

(FеО), гидраты которой имеют зеленоватый цвет. Возникает серо-зеленая

или сизая глинистая масса, подстилающая торфяники и называемая в поч-

воведении

глеем. Процесс его образования получил название оглеения.

Наряду с последним при выветривании в восстановительной среде может

происходить образование ряда минералов, бедных или лишенных кисло-

рода, например, таких, как пирит, марказит и др.

Коры выветривания. К коре выветривания относится комплекс элю-

виальных образований, возникших в приповерхностной части земной ко-

ры в результате преобразования в континентальных условиях магматиче-

ских, метаморфических и осадочных горных пород под воздействием фи-

зических, химических и биохимических процессов. Для коры вы-

370

ветривания характерны зависимость состава и мощности от физико-

химических факторов, действующих на земной поверхности, и постепен-

ный переход с глубиной в слабоизмененные процессами выветривания, а

затем и свежие исходные породы (рис. 136). Состав коры выветривания и

ее мощность зависят от сочетания различных физико-географических

факторов. Кора выветривания имеет переменную мощность и нечетко

выраженную нижнюю границу. В зависимости от распространения выде-

ляют

площадную кору выветривания и линейную. Последняя приурочена к

зонам разломов и повышенной трещиноватости.

Рис. 136. Принципиальная схема строение

коры выветривания (1–коренные породы, 2–

зона дезинтеграции, 3–зона выщелачивания,

4–зона глинистых минералов, 5–зона окси-

дов и гидрооксидов, 6–почва; по Н.В.Коро-

новскому, Н.А.Ясаманову)

_________________________________________

На протяжении длительной геологиче-

ской истории неоднократно возникали

благоприятные ландшафтно-климатические условия для формирования пло-

щадных кор выветривания. Они формировались на различных по составу и

структурно-текстурным особенностям горных породах при благоприятных

климатических условиях и определенном типе рельефа. Для того чтобы мощ-

ность кор выветривания достигала больших размеров, должен существовать

непрерывный приток влаги, а ее обеспечивают хороший дренаж и близкое к

поверхности расположение водоносных горизонтов. На крутых склонах и в

горных областях мощные коры выветривания не образуются, так как из-за

геоморфологических особенностей не успевает глубоко развиться химиче-

ское выветривание, в силу этого возникший горизонт дресвы и обломков

удаляется. Поэтому для формирования кор выветривания благоприятен вы-

ровненный рельеф. При достаточно длительном периоде времени и соот-

ветствующих физико-химических и физико-географических условиях,

образуются хорошо выраженные зоны выветрелых пород. Они составля-

ют

профили выветривания. Каждая зона обладает своими текстурно-

структурными особенностями и сложена определенными минералами,

которые в совокупности отражают стадийность выветривания. Большими

мощностями и полными профилями выветривания обладают коры, кото-

рые формируются в области влажных тропических и экваториальных ле-

сов. Чем ниже температуры и меньше количество осадков, тем хуже обра-