Мосин К.Ю. Инженерная геология. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

80км, составляет 1-5,5км/сек. В нижних слоях земной коры в

литосфере скорость увеличивается до 7км/сек. На глубине свыше 80км

отмечается заметный скачок - скорость возрастает до 8км/сек. Таким

образом, существует резкий раздел между литосферой и астеносферой,

называемый разделом Мохоровичича (или поверхностью

Мохоровичича). Выше лежит земная кора - твердая внешняя геосфера,

являющаяся основным объектом изучения геологии. В ней различают

осадочный, гранитный и базальтовый слои.

Осадочный слой слагают различные по составу осадочные

горные породы, прерывистым чехлом покрывающие земную кору с

поверхности. Ее мощность варьирует от 0 до 10-15км при среднем

значении около 3км; средняя плотность 2,5-2,6 г/см

Гранитный слой развит в земной коре неравномерно. Его

мощность увеличивается от древних к молодым континентам и

наибольшей величины (50-80км) достигает в зонах молодых горных

сооружений (Западные Альпы, Памир). Гранитный слой практически

отсутствует или очень мал (0,4-0,5км) под океанами. По составу этот

слой близок к горной

породе - граниту и имеет плотность 2,6-2,7 г/см

. В составе гранитного

и осадочного слоев преобладают коме кислорода кремний и алюминий,

поэтому их часто объединяют общим названием "сиаль".

Граница Конрада, определяемая ростом плотности пород (от

2,7 до 2,9 г/см

), отделяет гранитный слой от нижней части земной

коры - базальтового слоя. Базальтовый слой на территориях равнин

достигает 20-30км, в районе молодых гор - 15-20км, а под океанами - 5-

6км. По составу и свойствам он близок к породам с малым

содержанием кремнезема (типа базальтов, габбро и т.п.) и большей

плотностью, чем породы гранитного слоя. Базальтовый состав слоя под

океанами подтверждается излиянием базальтовых лав подводными

вулканами.

Границы между слоями весьма условны и слабо выражены

вследствие их взаимного перехода, смещения и замещения, как по

площади развития, так и в глубь Земли.

Ниже поверхности Мохоровичича находится мантия. Она

распространяется до глубины 2900км, фиксируя второй раздел первого

порядка, отделяющий мантию от ядра.

Рис. 1.2. Графики изменения скорости поперечных



и продольных



волн на

различной глубине земного шара с сектором (справа), иллюстрирующим

оболочечное строение Земли по данным сейсмического метода.

В мантии по строению, составу, свойствам и другим признакам

выделяют три слоя: слой Гуттенберга (В) до глубины 200-400км, слой

Голицына (С) - до 700-900км и слой Д - до 2900км (рис. 1.2). Слои В и

С входят в состав верхней мантии, оболочки Земли, содержащей кроме

кислорода и кремния еще и магний (симатическая оболочка). Средняя

плотность вещества верхней мантии 3,2-4,5г/см

В пределах слоя В выделяют астеносферу (волновод или пояс

размягчения) - пластичный разуплотненный слой вещества,

находящийся между 100-200км под материками и между 50-400км под

океанами. Как менее плотный, материал волновода стремится всплыть.

Полагают, что он на 25% состоит из базальта, выплавленного из

вещества слоя В; на долю жидкой фазы в волноводе приходится до 10%

общего объема его массы. Жидкий базальт, концентрируясь у гребней

выступов волновода, образует крупные скопления (астенолиты),

которые при нарушении изостатического равновесия внутри Земли,

способны отрываться от волновода и внедряться в земную кору или

изливаться на поверхность. Следовательно, именно в слое В

зарождаются очаги вулканов, землетрясений, связанных с

перемещениями глубинных масс, фокусы которых обнаруживаются до

глубины 700-800км. Верхняя мантия, на данной стадии изученности

глубинных процессов, является наиболее активной и продуктивной

частью оболочки, из которой формируются магматические породы и

полезные ископаемые.

Ниже астеносферы в пределах слоя В на глубинах свыше 200км

находится слой с повышенной вязкостью. Его сменяет слой С -

переходная зона, в которой возрастает плотность пород, скорости

сейсмических волн достигают максимальных значений.

В.А.Магницкий полагает, что возрастание плотности в слое С и еще

больше в слое Д (5,3-6,6 г/см

) связано с заменой ионных типов связей

ковалентными; дополнительным фактором является, видимо,

медленное нарастание всестороннего давления. В составе слоя Д

предполагаются кислород, железо, магний, никель.

Центральное ядро - с глубины 2900км и до центра Земли -

состоит, по-видимому, из никеля и железа. Плотность вещества

колеблется от 7 до 11 г/см

. В пределах ядра выделяется жидкая

внешняя оболочка до глубины 5100км (слой Е - внешнее ядро), а с

глубины 5100км, внутренняя часть - твердое ядрышко (слой F).

Большая плотность вещества в ядрышке может быть объяснена тем,

что под влиянием больших давлений у некоторой части атомов должно

произойти нарушение электронных оболочек и срыв электронов. Такие

атомы могут сблизиться на гораздо меньшие расстояния, чем это

возможно при обычных условиях; то есть вещество в центре Земли

может быть сжато в несравненно большей степени, чем в

поверхностных частях. При этом появляется большое число свободных

электронов, придающих веществу любого состава свойства металла

или металлизированного вещества.

Существует и другая гипотеза строения ядра, по которой железа

и никеля там не больше, чем в других внутренних оболочках, просто

вещество в ядре за счет всестороннего давления испытывает фазовый

переход (переход всего соединения в металлическую фазу с

перестройкой кристаллической решетки). Более того, поскольку такой

переход осуществляется скачком (что следует из физической сущности

процесса), то этим объясняется и наличие резкого перехода (границы

раздела) между мантией и ядром на глубине 2900км.

Полагают, что Земля, в основном, находится в твердом

состоянии. Согласно этому земная кора (осадочный, гранитный и

базальтовый слои) состоят из твердых веществ. Залегающая ниже

мантия вплоть до ядра состоит из веществ, которые при мгновенно

действующих силах (например, при ударах землетрясений) ведут себя

как твердые, а при медленно действующих – как жидкие. Подобное

двойственное состояние вещества можно пояснить следующим

примером: если кусок льда уронить на пол - он расколется, ибо лед

хрупок. Но та же хрупкость не мешает тому же льду в форме горного

ледника безостановочно течь со скоростью до 2-3м в сутки. Внешнее

ядро представляется сильно переуплотненной жидкостью, что

объясняет полное прекращение распространения поперечных

сейсмических волн глубже 2900км (как мы знаем из школьного курса

физики, в жидкостях поперечные волны не распространяются).

Внутреннее ядро (или ядрышко) состоит из твердого

металлизированного вещества.

Кроме сейсмических, существуют и другие методы изучения

строения внутренних оболочек Земли.

Это гравиметрический метод, который заключается в изучении

распределения на поверхности Земли силы тяжести. В зависимости от

геологического строения над участками, сложенными легкими

горными породами сила тяжести уменьшается, а над участками,

сложенными тяжелыми породами – увеличивается (по сравнению с ее

теоретическим значением, зависящим от географической широты и

рассчитанным для сфероида).

Такие отклонения называются гравитационными аномалиями.

Например, в горных образованиях (Альпы, Памир, Кавказ и др.) эти

аномалии отрицательные, то есть ускорение силы тяжести в них

меньше теоретического значения, а в Тихом океане сосредоточены

аномалии положительные (с ускорением больше теоретического).

Казалось бы, соотношения должны быть обратными, ведь масса воды

океана с плотностью около 1 г/см

должна создавать отрицательные

аномалии, а горные породы со средней плотностью около 2,8г/см

–

положительные. В действительности же, недостаток массы в океанах,

образуемый водой, с лихвой компенсируется породами высокой

плотности (до 3,2 г/см

), слагающими ложе океана – базальтовый слой,

а под горными хребтами на значительную глубину (до 50км) залегают

породы пониженной плотности – гранитный слой. Этим методом

изучают строение, главным образом, первой из твердых оболочек

Земли – земной коры.

Широко применяются также магнитные методы изучения

глубин Земли, основанные на сравнительных характеристиках

распределения так называемого ²остаточного поля² земного

магнетизма, образующегося за счет центров намагничивания, которые

залегают на глубинах до 2900км (в мантии).

В целом, несмотря на очевидную трудность изучения строения

недр Земли, задача эта в какой-то мере решается уже в наше время.

Характеристика вешних оболочек Земли дается в сокращенном

виде, поскольку эта тема достаточно полно изложена в школьных

курсах.

Атмосфера это газообразная оболочка Земли, состоящая из трех

основных слоев: тропосферы, стратосферы и ионосферы. Границы

между слоями достаточно условны и существенно изменяются в

зависимости от широты местности и даже в одном месте – от времени

года.

 тропосфера имеет толщину от 6км у полюсов до 15-

18км на экваторе; в средних широтах – 10-12км. Содержит около 80%

массы всей атмосферы и весь водяной пар. Тепловое излучение Земли

обуславливает нагревание воздуха в тропосфере. На каждые 100м

высоты температура воздуха понижается на 0,5-0,6 °. У полюсов

температура у верхней границы тропосферы составляет –40 -50°С, а на

экваторе -70 -80°С;

 стратосфера распространяется до высоты 80-90км и

содержит около 5% массы всей атмосферы. Стратосфера

характеризуется наличием озонового слоя в своей средней части.

Температура при приближении к озоновому слою возрастает и

достигает +25°С, а затем, к верхней границе стратосферы падает до –80

-90°С;

 ионосфера это верхняя оболочка атмосферы, которая на

высоте около 1000км переходит в межпланетное пространство.

Ионосфера характеризуется сильной ионизацией воздуха, что вызывает

полярные сияния.

Атмосфера в целом является важным геологическим фактором,

влияющим на развитие земной поверхности.

Гидросфера - вторая из наружных оболочек Земли, образованная

водами Мирового океана совместно с водами рек, озер, ледников; сюда

же относятся подземные воды, залегающие ниже поверхности Земли.

Таким образом, гидросфера является очень своеобразной оболочкой.

Хотя все воды, входящие в нее, в той или иной степени связаны между

собой, условия их нахождения в природе различны.

Гидросфера обладает высокой подвижностью и живой силой

перемещающейся воды во всех условиях ее существования. Вследствие

этого она является мощным геологическим фактором развития земной

поверхности. Гидросфера играет исключительно важную роль в

образовании и разрушении горных пород и минералов и существенно

влияет на происходящие геологические процессы, многие из которых и

возможны только при наличии водной среды.

Биосфера это зона распространения живых организмов (включая

растения), образующая прерывистую не сплошную органическую

оболочку Земли. Биосфера тесно связано с атмосферой и гидросферой.

В геологии биосфера рассматривается только с точки зрения ее

влияния на изменения, протекающие в земной коре. При этом роль

организмов в образовании горных пород и полезных ископаемых

огромна. Достаточно вспомнить обширные области, сложенные

известняками или образования каменного угля, торфа, фосфоритов,

самородной серы и многих других пород и минералов, являющихся

продуктами органической жизни.

§ 4. Тепловой режим Земли

В Земле, на некоторой глубине, находится так называемый пояс

постоянных температур (для средней полосы России – на глубине

20-30м). Выше этого пояса температура изменяется в зависимости от

времени года, ниже – независимо от температуры на поверхности -

закономерно повышается. Таким образом, пояс является границей

воздействия внешнего источника теплоты, а именно – солнечной

радиации и внутреннего источника – теплоты, образующейся за счет

радиоактивного распада в недрах Земли. Солнце в течение 1 минуты

отдает 1см

земной поверхности примерно 8,1 джоулей тепла. Эта

величина называется солнечной постоянной. Под влиянием солнечной

радиации происходят разнообразные геологические процессы,

протекающие на поверхности Земли и в верхних слоях земной коры:

круговорот воды, разрушение водой и ветром земной поверхности.

Растрескивание горных пород и др.; с ней же связано и развитие

биосферы.

Для изучения температурного режима в глубинных частях Земли

пользуются двумя показателями:

- геотермическая ступень (b) – глубина в метрах, на протяжении

которой температура увеличивается на 1°;

- геотермический градиент (1/b) – изменение температуры в

градусах на единицу глубины, обычно на 100м.

Обе эти величины незакономерно изменяются в зависимости от

теплопроводности горных пород, характера их залегания, наличия и

концентрации радиоактивных элементов.

По результатам многочисленных исследований в глубоких

буровых скважинах и шахтах геотермическая ступень составляет 33м;

таким образом, при неизменном давлении температура на различных

глубинах должна составить:

Таблица 1.1

Глубина, км 3,3 12 33 40 50 60

Температура, С° 100 374,6 1000 1200 1500 2000

Если продолжить данную последовательность, то в центре

Земли температура составляла бы около 193000°С и даже при очень

больших давлениях вещество недр расплавилось бы и проплавило бы

относительно тонкую земную кору. Земля же, как мы знаем, имеет

несколько твердых оболочек. Поэтому, указанная прогрессия

(геотермическая ступень, равная 33м и геотермический градиент,

равный 3° на 100м) будет справедлива только для земной коры

(оболочка А), да и то лишь до глубины 15-20км, а глубже начинает

уменьшаться.

Критическая температура воды, равная 374°С достигается на

глубине около 12км; глубже вода формироваться не может.

Температура плавления большинства минералов составляет 1100 -

1700°С, следовательно, уже на глубине 40-50км (при температуре 1200

- 1500°С) они должны плавиться. Однако на этих глубинах давление

достигает десятков тысяч атмосфер, поэтому вещество остается в

твердом или твердопластичном состоянии.

Данных об изменениях температуры Земли ниже сиалической

оболочки (земной коры) нет. По данным геофизических исследований

рост температуры там резко замедляется и на глубине 400км (на

границе оболочек В и С) температура считается равной 1200 - 1400°С;

на глубине 900км (на границе С и Д) - 1500°С; на глубине 2900км (Д и

Е, мантия и ядро) - 4000°С; на глубине 5100 (Е и F) - 2500°С и в центре

Земли – около 3000°С. Радиоактивный распад не зависит от

температуры и плотности вещества (по крайней мере – до величин

1500°С и 2000атм); количество радиоактивных элементов с глубиной

уменьшается и ниже 1200км, считается, они отсутствуют.

Основные сведения о Земле

величина сжатия 1:298,7

радиус экватора 6378245м

радиус полярный 6356863м

длина окружности меридиана 40008550м

объем Земли 1,083х10

км

масса Земли 5,98х10

плотность Земли 5,517г/см

плотность литосферы 2,705г/см

возраст Земли около 4,7млрд. лет

средняя температура Земли (как планеты) 277

К (+4

С)

площадь поверхности Земли 510,1х10

км

площадь суши 148,94х10

км

площадь мирового океана 361,16х10

км

масса гидросферы 1,422х10

объем мирового океана 1372х10

км

масса атмосферы 5,098х10

масса биосферы 5х10

ЧАСТЬ II. МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Глава 1. Минералы

Минералами называют однородные по составу и строению

природные вещества, образовавшиеся в результате физико–химических

процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности.

Это в большинстве своем твердые, главным образом

кристаллические тела, являющиеся составными частями горных пород

и руд. Впрочем, очень незначительная часть минералов встречается и в

жидком (Hg, H

O) и в газообразном (метан, H

S) состоянии.

С химической точки зрения минерал – более или менее

однородное тело, отвечающее определенному химическому составу.

Физически каждый минерал также характеризуется более или

менее определенными, присущими ему свойствами.

Минералы могут состоять из одного химического элемента (Au,

S, Hg, C, Pt и др.) или из химических соединений различной

сложности.

Размеры минеральных агрегатов могут быть различны: от очень

больших, массой в десятки тонн, до микроскопических. Как уже было

сказано, большинство минералов имеет кристаллическое строение, но

встречаются и аморфные минералы.

Известно несколько тысяч минералов (от 4000 до 6000-7000 по

разным источникам), но только около 450 из них широко

распространены в природе. Из них всего несколько десятков минералов

составляют основную массу горных пород и называются

породообразующими.

Наука минералогия изучает морфологию (внешний облик),

химический состав, примеси, внутреннюю структуру минералов. Не

меньшее значение имеет определение физических свойств минералов,

что важно как с практической точки зрения, так и для их диагностики.

И, наконец, минералогия изучает происхождение (генезис) минералов и

закономерности распространения их в природе.

§ 1. Геологические процессы минералообразования

Минерал – это продукт природных физико-химических

процессов. По источнику энергии процессы минералообразования

разделяются на две большие группы.

Эндогенные (гипогенные, глубинные) процессы

минералообразования протекают в недрах Земли и связаны с

магматической деятельностью. Процессы застывания магмы ведут к

образованию различных магматических горных пород, а отделяющиеся

от магмы газовые и водные растворы переносят различные вещества,

которые, при определенных условиях, выделяются в виде минералов.

Экзогенные (гипергенные, поверхностные) процессы происходят

на поверхности Земли или вблизи нее, а также в атмосфере и

гидросфере. Эти процессы связаны с физическим и химическим

разрушением горных пород и минералов, и вызывают образование

других горных пород и минералов, устойчивых в условиях

поверхности Земли. Сюда же относятся биогенные процессы –

процессы, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Минералы и горные породы, возникшие в результате

эндогенных и экзогенных процессов, при изменении физико-

химических условий в недрах Земли испытывают преобразование

(метаморфизм). При этом возникают новые минералы и горные

породы, которые называются метаморфические.

§ 1.1. Эндогенные процессы минералообразования

Процессы, связанные с деятельностью магмы. Магма (от

греческого «тесто») – многокомпонентный силикатный расплав,

содержащий водяные пары и летучие вещества. Очаги магмы связаны с

глубокими частями земной коры, где отмечаются высокие температуры

(до 1200°С) и давления в несколько тысяч МПа.

Эндогенные процессы подразделяются на собственно

магматические, пегматитовые, пневматолитовые и гидротермальные.

Все эти процессы обусловлены дифференциацией магмы –

разделением первичной магмы на вторичные составляющие,

различающиеся по химическому составу и физическому состоянию.

Магматические процессы – те, при которых минералы

образуются непосредственно при кристаллизации магмы;

образующиеся минералы называются магматическими или

изверженными. В зависимости от места (глубины) кристаллизации

магмы изверженные минералы подразделяются на интрузивные (когда

магматический расплав застыл на глубине в несколько десятков

километров в условиях высоких температур и давлений) и эффузивные

(когда расплав застыл в непосредственной близости от поверхности

или излился на поверхность Земли). Последний процесс наблюдается

при извержениях вулканов; излившуюся на поверхность магму

называют лавой.

Магма остывает на глубине при постепенном понижении

давления и температуры, вызывающем расщепление расплава или

магматическую дифференциацию. Дифференциация подразделяется на

гравитационную, когда более тяжелая часть расплава постепенно

опускается вниз, а в верхних частях магматического очага скапливается

легкая часть, и кристаллизационную, когда более тугоплавкие

минералы начинают кристаллизоваться первыми, а более легкоплавкие

пока остаются в расплаве и кристаллизуются позднее. В горной породе,

образующейся таким путем, одни минералы обладают правильными

очертаниями зерен (хорошо выкристаллизовавшиеся), а другие

минералы вынуждены заполнять промежутки между зернами первых,

как бы цементируя их. Гравитационная и кристаллизационная

дифференциации, как правило, осуществляются одновременно.

Кроме описанной выше последовательной кристаллизации

минералов – один за другим, в порядке уменьшения их температуры

плавления, возможна и одновременная полная кристаллизация из

магматического расплава нескольких компонентов. Магма, поднимаясь

к поверхности Земли, ассимилирует (захватывает и расплавляет)

различные горные породы, что ведет к изменению ее химического

состава и возникновению новых разновидностей магматических

горных пород.

Пегматитовый процесс минералообразования является

завершающей стадией собственно магматического процесса, когда

основная часть расплава уже кристаллизовалась и только в верхних

частях остывающего массива концентрируется расплав,

представленный наиболее легкоплавкими компонентами и

насыщенный летучими соединениями.

Пегматиты – жильные тела, близкие по составу к

первоначальной магме, но отличающиеся от собственно магматических

образований формой, строением и набором минералов.