Сесёлкин И.В. Основы геологии и гидрогеологии

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова

И.В. Сесёлкин

ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ И ГИДРОГЕОЛОГИИ

Конспект лекций

Барнаул 2003

УДК 551.49

Сесёлкин И.В. Основы геологии и гидрогеологии. Конспект лекций.

/Алтайский государственный технический университет им.

И.И.Ползунова – Барнаул. Издательство АлтГТУ, 2003. – 92 с.

В первой части конспекта лекций изложены основные современ-

ные представления общей геологии о происхождении Земли, её строе-

нии, основных типах горных пород и условиях их образования, о гео-

логических процессах и явлениях. Во второй части приводятся общие

сведения о подземных водах, их связи с горными породами; даются

краткие сведения о

водозаборных сооружениях, стационарных гидро-

геологических наблюдениях, описаны основные мероприятия по охра-

не подземных вод от истощения и загрязнения.

Представленный лекционный материал по основам геологии и гид-

рогеологии соответствует требованиям Государственного образова-

тельного стандарта высшего образования направления 656600 (защита

окружающей среды) и может быть использован студентами негеологи-

ческих специальностей.

Конспект лекций рассмотрен

и одобрен на заседании кафедры хи-

мической техники и инженерной экологии: протокол № 1 от 28.08.03 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ..…………………………………………………………. 4

Часть I. Основы геологии………………………………………… 4

1 Общие сведения о Земле ………………………………………. 4

1.1 Гипотезы о происхождении Земли и планет …………………5

1.2 Геосферы Земли…………………………………………………7

1.3 Внутреннее строение Земли……………………………………8

2 Породообразующие минералы и горные породы ……………..12

2.1 Общие сведения о минералах …………………………….…..12

2.2 Классификация минералов …………………………………...13

2.3 Классификация горных пород ………………………………..15

3 Геологические процессы ……………………………………….28

3.1 Эндогенные процессы ………………………………………..29

3.2 Экзогенные процессы ………………………………………...40

Часть II. Основы гидрогеологии………………………………….62

4 Гидросфера и

круговорот воды в природе ……………………62

5 Виды воды в горных породах ………………………………….64

5.1 Свойства горных пород по отношению к воде…………….. 66

5.2 Представление о зоне аэрации и насыщения ………………..68

6 Происхождение подземных вод……………………………….. 71

7 Классификация подземных вод……………………………….. 71

8 Основы динамики подземных вод ……………………………..73

8.1 Определение направления и скорости движения

подземных вод……………………………………………………. 76

8.2 Понятие о гидрогеологических параметрах………………….77

8.3 Физические свойства и

характеристики подземных вод….. 78

8.4 Химический свойств подземных вод ………………………. 79

8.5 Оценка агрессивности подземных вод……………………….80

8.6 Понятие о минеральных, промышленных и

термальных водах ……………………………………………….. 81

9 Грунтовые воды ……………………………………………….. 82

10 Напорные воды ………………………………………………...83

11 Трещинные и карстовые воды ………………………………..85

12 Основные сведения о водозаборных сооружениях…………..86

13 Стационарные гидрогеологические наблюдения…………….88

14 Охрана подземных вод от истощения и загрязнения……….. 90

Литература ……………………………………………………….. 92

Введение

Геология – комплекс наук о составе, строении и развитии Земли,

о геологических процессах, в результате которых формируется земная

кора. Истоки геологии относятся к глубокой древности и связаны с

первыми сведениями о горных породах, минералах и рудах. Термин

“геология” ввёл норвежский учёный М. Эшольт (1657).

Основным объектом изучения геологии является литосфера (си-

аль) –

наружная оболочка, сложенная твердыми горными породами. В

этой оболочке находятся источники минерального сырья, нефти, газа,

эта оболочка служит средой для строительства различных сооружений.

На самой ранней стадии развития человек использовал каменные мате-

риалы, различные руды, соль и другие природные ресурсы.

В настоящее время геология располагает достоверными данными

о строении земной коры

на глубину до 12 км, пройденную буровыми

скважинами. Проводя геофизические, геохимические и другие иссле-

дования, человек раскрывает тайны строения более глубоких горизон-

тов земной коры и Земли как планеты в целом.

Современная геология является сложной комплексной наукой

(включает: стратиграфию, тектонику, минералогию, петрографию, гео-

химию и др.), входящей в свою очередь наряду

с другими дисципли-

нами в цикл наук о Земле.

ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ

1 Общие сведения о Земле

Форма Земли близка к эллипсоиду вращения, малая ось которого

является осью вращения, её длина 12714 км, большая ось эллипсоида

составляет 12756 км. Сравнительно малая разница между длинами

обеих осей эллипсоида (42 км) делает его близким к шару, что опреде-

ляет обычное употребление термина “земной шар”.

Земля участвует в двух основных движениях: вращении вокруг

своей оси, которым обусловлена смена дня и ночи, и обращении по

орбите вокруг Солнца. Орбита её представляет собой слабо вытянутый

эллипс - среднее расстояние от Солнца составляет 150 млн. км.

1.1 Гипотезы о происхождении Земли и планет

Объект изучения геологии – Земля, как известно, является небес-

ным телом. Для лучшего понимания строения планеты, представляется

целесообразным в данном курсе рассмотреть основные гипотезы воз-

никновения Земли.

Проблема происхождения Земли является центральным вопросом

космогонии – науки о происхождении и развитии небесных тел и их

систем.

Гелиоцентрическая система Н. Коперника (1543) свела положе-

ние Земли

к роли рядовой планеты солнечной системы и подготовила

почву для возникновения научных гипотез о происхождении нашей

планеты. Идеи о материальном единстве земных и космических тел

были высказаны такими выдающимися учёными как Р. Декарт (1590 –

1650), Х. Гюйгенс (1629 – 1695), М. Ломоносов (1711 – 1765). Ровес-

ник и современник М. Ломоносова Ж. Л. Бюффон (1707 – 1788) вы-

двинул космогоническую гипотезу

происхождения Земли как обломка

Солнца, который был оторван от него ударом гигантской кометы. Со-

гласно выдвинутым предположениям первоначально планета находи-

лась в раскалённом состоянии, а затем медленно остывала. Основные

идеи Ж. Л. Бюффона были изложены в его книге “Теория Земли”.

Выдающийся немецкий философ Эммануил Кант (1724 – 1804) в

1755 году опубликовал книгу “Общая

история и теория неба”, в кото-

рой изложил новую космогоническую гипотезу. Согласно этой гипоте-

зе – Солнце в далёком прошлом было окутано туманностью, состоя-

щей из частиц, движущихся вокруг Солнца в разных направлениях. В

течение определённого времени, вследствие столкновения частиц ме-

жду собой, произошло упорядочение этого движения, и туманность

стала вращаться

вокруг Солнца. Из этой вращающейся туманности

впоследствии и возникли планеты.

Знаменитый французский математик П. Лаплас (1749 – 1827) не-

зависимо от Э. Канта предложил свою космогоническую гипотезу,

близкую к гипотезе Э. Канта. По П. Лапласу, первоначально существо-

вала раскалённая вращающаяся газовая туманность, по своим разме-

рам превышающая современную планетную систему. С течением вре-

мени

под влиянием охлаждения и притяжения к центру эта туманность

сжималась. При сжатии туманности повысилась её температура и в

результате увеличения центробежной силы, от неё оторвались газовые

кольца, которые впоследствии превратились в планеты. Первоначально

все планеты представляли собой раскалённые газовые тела, которые

медленно остывали. Гипотеза П. Лапласа получила почти всеобщее

признание и была господствующей до начала XX века. Однако впо-

следствии выяснилось, что гипотеза не может объяснить ряд особенно-

стей Солнечной системы. Превращение газовых колец, оторвавшихся

от первичного Солнца, в планеты было невозможно, поскольку пред-

полагаемая

масса этих колец неизбежно должна была расширяться и

рассеиваться в пространстве.

После гипотезы П. Лапласа в начале XX века был предложен ряд

других космогонических гипотез, которые, однако, не получили широ-

кого распространения, за исключением гипотезы Дж. Джинса – Г.

Джеффриса. Согласно этой гипотезе, первичное Солнце некогда встре-

тилось со звездой. При этом

сближении, произошедшем на расстоянии

порядка величины их диаметров, под приливным воздействием Солнце

выбросило огромную сигарообразную струю вещества в сторону про-

ходящей звезды. Из этой струи в результате её разделения и после-

дующей конденсации образовались планеты. Гипотеза Дж. Джинса – Г.

Джеффриса в течение нескольких десятков лет господствовала в науч-

ной и научно

-популярной литературе, однако статистические подсчёты

показали, что столь тесное сближение двух звёзд явление очень редкое

в нашей звёздной системе.

Все рассмотренные гипотезы однозначно приводили к горячему

началу нашей планеты, ранняя история которой представлялась как

процесс остывания первоначально газового, а затем жидкого сфериче-

ского тела. Однако были предложены космогонические гипотезы, до-

пускающие относительно холодное начало Земли.

О. Ю. Шмит (1891 – 1956) в своих исследованиях развивал идею

захвата Солнцем части метеоритного облака и рассматривал механизм

преобразования его в отдельные сгущения – будущие планеты – в ре-

зультате взаимных столкновений и “слипания” пылевых частиц. Даль-

нейшие исследования показали малую вероятность такого захвата.

Впоследствии О. Ю. Шмит и его

сотрудники Б. Ю. Левин и В. С.

Сафронов приняли точку зрения о совместном образовании Солнца и

околосолнечной газопылевой среды. За время существования газо-

пылевого облака происходил процесс оседания пыли в экваториальной

плоскости Солнца. На первом этапе в облаке происходило образование

роя относительно крупных тел – промежуточных между первоначаль-

ными пылевыми частицами

и теперешними планетами. На втором эта-

пе произошло объединение промежуточных тел в планеты. В этом слу-

чае Земля возникла как относительно холодное тело более или менее

однородного состава. В дальнейшем началось разогревание первичной

Земли от распада присутствующих в ней радиоактивных элементов. В

результате разогрева появились расплавленные массы, изливание ко-

торых на поверхность планеты и последующее охлаждение, приводило

к образованию земной коры.

В настоящее время представляется несомненным,

что планеты

возникли из некоторой газопылевой среды, первоначально окружав-

шей Солнце. Однако в отношении происхождения этого первоначаль-

ного облака единого мнения ещё нет.

1.2 Геосферы Земли

Земля состоит из нескольких концентрических оболочек, которые

называются геосферами. Выделяют внешние и внутренние земные

оболочки. К периферическим (внешним) геосферам относятся магни-

тосфера, атмосфера и гидросфера, к геосферам тела (внутренним) -

литосфера (земная кора), мантия и ядро.

Самой верхней и протяжённой оболочкой Земли является магни-

тосфера – область околоземного пространства, где напряжённость

магнитного поля

Земли превышает напряжённость внешних магнит-

ных полей. Магнитосфера имеет сложную, непостоянную по размерам

и конфигурации форму, зависящую от интенсивности потока заряжен-

ных частиц, идущих от Солнца (“солнечный ветер”). Мощность маг-

нитосферы с дневной стороны составляет 80 – 90 тыс. км, с ночной –

4,0 - 4,5 млн. км, при этом образуется так называемый магнитный

хвост Земли.

Атмосфера

– воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с

ней. Состав газов у поверхности (%): азот 78,09; кислород 20,95; аргон

0,95; углекислый газ 0,03. Такие газы как водород, неон, гелий, крип-

тон, озон и др. содержатся в воздухе в ничтожных количествах. В воз-

духе также присутствует водяной пар, содержание которого определя-

ется температурой воздуха, скоростью ветра и другими

метеорологи-

ческими факторами.

Мощность атмосферы – около 1300 км.

Атмосфера в свою очередь делится на несколько слоёв – деление

основано главным образом на изменении в ней температуры воздуха с

высотой.

Нижний слой атмосферы называется тропосферой и содержит

около 80 % всей её массы. Высота тропосферы на экваторе составляет

16 – 18 км, в полярных широтах 6 – 10 км. Температура тропосферы

понижается с высотой в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м.

Над тропосферой, до высоты 50 – 55 км, расположена страто-

сфера. Температура стратосферы до высоты 25 – 30 км несколько па-

дает, затем

начинает повышаться, и на высоте 55 км приблизительно

равна – 3 °С.

Над стратосферой до высоты 80 км находится мезосфера, в ко-

торой температура с высотой опять падает до – 90 °С.

Слой атмосферы над мезосферой до высоты 800 – 1000 км назы-

вается термосферой. В термосфере до высоты 300 км температура бы-

стро возрастает, где достигает порядка 1500 °

К (в данном случае речь

идёт от кинетической температуре) после чего остаётся почти посто-

янной до больших высот.

Выше термосферы расположена экзосфера, из неё быстро дви-

жущиеся легкие атомы могут вылетать в космическое пространство.

Границу экзосферы установить трудно, так как она постепенно пере-

ходит в космическое пространство.

Гидросфера – совокупность всех водных

объектов земного шара.

Основной объём воды сосредоточен в океанах и морях – 1380

млн. км

, подземные воды занимают 62 млн. км

, лёд и снег – 24 млн.

км

, поверхностные воды суши – 0,5 млн. км

. На долю пресных вод

приходится всего около 2 % общего количества воды.

Вода гидросферы содержит почти все химические элементы. Со-

держание растворённых веществ в 1 литре океанической воды состав-

ляет около 35 г, преобладают ионы натрия, хлора, кальция, магния.

1.3 Внутреннее строение Земли

Геосферы тела – земная кора, мантия и ядро Земли изучены ещё

недостаточно. Непосредственному изучению доступна пока только

верхняя часть земной коры до глубины 8 – 12 км. Представление о

строении более глубоких слоёв Земли получают по геофизическим

данным, определяя скорость продольных и поперечных упругих волн.

Эти упругие волны искусственно вызываются при помощи взрывов,

также эти

волны возникают в толще Земли при землетрясениях. В по-

следнее время представления о строении Земли дополняются материа-

лами изучения других планет Солнечной системы (Марса, Венеры).

Земная кора или литосфера – верхняя сфера “твёрдой” Земли.

Выделяют два типа земной коры: материковый и океанический.

Материковая кора состоит из трёх слоёв: осадочного, гранитного

и базальтового.

Рис.1. Схема строения Земли

А - земная кора; Б - верхняя мантия; В – нижняя мантия; Г – внешнее

ядро; Д – внутреннее ядро.

Осадочная зона земной коры сложена главным образом осадоч-

ными породами плотностью до 2,5 г/см

, которые покрывают поверх-

ность материков слоем средней мощности 1,5 км.

Гранитный слой сложен приемущественно из гранитов светлоо-

крашенных пород, в состав которых в основном входят кварц, калие-

вый полевой шпат, кислый плагиоклаз и слюда. Имеет мощность 10 -

20 км, наибольшую под горными массивами, плотность пород 2,6 - 2, 7

г/см

Базальтовый слой составляют тёмно-окрашенные породы, плот-

ность слоя 2,8 – 2,9 г/см

, мощность до 30 км. Базальт-тёмная основная

горная порода, состоящая главным образом из основного плагиоклаза,

пироксенов и оливина.

Океаническая кора существенно отличается от материковой:

главное отличие заключается в её небольшой мощности – в среднем 5

– 7 км. Первый слой океанической коры представлен различными

осадками мощностью от 1 км в глубоководных котловинах океанов до

15 км

и более у континентов. Глубоководные осадки представлены

глинами, кремнистыми или известковыми илами.

Второй слой океанической коры сложен базальтами – продуктами

извержения подземных вулканов. Мощность базальтового слоя обычно

не превышает 2 км.

Под земной корой (рис. 1) залегает до глубины 2900 км вторая от

поверхности Земли геосфера, которая называется мантией. Мантия

занимает 82 % объёма всей планеты и

подразделяется на верхнюю и

нижнюю. Предполагают, что мантия в основном сложена из перидоти-

та. Такая порода содержит в себе 80 % оливина и 20 % пироксена.

Плотность на границе земной коры и мантии возрастает до 3,1 – 3,5

г/см

, на границе нижней мантии и ядра – до 5,6 – 5,9 г/см

. Давление

на границе ядра достигает по расчетам 1,3 млн. атмосфер.

Центральная часть земного шара состоит из ядра (внешнего и

внутреннего) радиусом 3470 км. По геофизическим данным внешнее

ядро обладает свойствами жидкости: оно не пропускает поперечных

сейсмических волн. В состав внешнего ядра входит в основном железо

и сульфид железа.

Внутреннее ядро предположительно сложено

из сплава железа и

никеля, давление в центре ядра достигает 3,5 млн. атм., предположи-

тельная температура может превышать до 10000 °С.

Для изучения строения земной коры проводится сверхглубокое

6урение, одна из таких скважин имеется на Кольском полуострове, её

глубина составляет 12000 м (проектная глубина бурения 15 км). На

указанной глубине температура достигает 160 °С.

Бурение показало,

что в разрезах древних кристаллических пород отмечено многочислен-

ное выделение газов (прежде всего углеводородных), минерализо-

ванных растворов, зафиксированы процессы рудообразования.