Введение. Виды воды в горных породах

Образованное от двух греческих слов(«гео» - Земля и «логос» - учение) понятие «геология» объединяет десятки научных направлений и сотни специальностей, занимающихся изучением планеты Земли, ее структуры, строения, состава, состояния и динамики в результате протекающих в ее пределах и на поверхности разнообразных процессов. Геология, по образному выражению американских геологов А. Аллисона и Д. Пальмера – «наука о вечно меняющейся планете Земля», являющейся объектом данной науки. Земля – сложное материальное тело, имеющее историю развития более 4 млрд. лет. Представления о его строении, происхождении, истории развития за последние десятилетия значительно изменились. Менялся следовательно и предмет геологии, т.е. совершенствовались модели планеты и ее отдельных элементов.

Появление и развитие геологии и ее научных направлений было вызвано потребностями жизни. Для обеспечения условий выживания племен, народов и человечества в целом были необходимы различные полезные ископаемые – руды металлов, топливо, вода, строительные материалы, а также сведения о строительных и мелиоративных условиях окружающей среды. Развитию геологии очевидно способствовала и любознательность человека – желание понять причины тех или иных природных явлений – землетрясений, вулканических извержений, цунами, происхождение горных обвалов и оползневых смещений, карстовых пещер и т.д.

Велико и общекультурное значение геологии наряду с астрономией как одной из важнейших мировоззренческих дисциплин. Трудно представить гармонически развитого человека без знания азов строения Земли – своей колыбели – ее истории, процессах и явлениях. Геологические знания не только помогают преодолевать суеверный страх перед природой, но дают возможность изучать их, познавать и использовать в хозяйственной деятельности.

Любая наука отличается от других своим объектом, предметом и методами. Планету «Земля» геология постигает путем изучения геологических тел – минералов, горных пород, толщ, слоев, свит, тектонических структур, их происхождения и изменений. Геология – наука историческая. Возраст геологических тел исчисляется тысячами, миллионами и даже миллиардами лет. Воспроизводить условия их образования очень сложно. Но геологии помогает метод актуализма (М. Ломоносов, Ч. Лайель), гласящий, что процессы, изменяющие лик Земли сегодня, примерно также протекали и в прошлом. изучение деятельности рек, морских волн, ветра, вулканов и других процессов и явлений сегодня, помогает понять их роль в прошлом. Таким образом, изучая нашу планету, геология освещает целый круг вопросов, а именно:

Вещественный состав Земли (минералогия, петрография);

Строение Земли и процессы, которые происходят в ее недрах и на ее поверхности (геотектоника, динамическая геология, вулканология, сейсмология, геология моря);

Историю формирования и развития Земли, изменение ее облика (историческая геология, палеонтология, палеогеография);

Исследования прикладного характера (учение про полезные ископаемые, гидрогеология, инженерная геология и т.д.).

Отсюда вытекают главные задачи этой науки:

Изучение вещественного состава внутренних оболочек Земли;

Изучение внутреннего строения Земли;

Изучение закономерностей развития литосферы и земной коры;

Изучение истории развития жизни на Земле и др.

Для решения поставленных перед собой целей и задач, геология руководствуется особым методологическим аппаратом. Основными методами, применяемыми при геологических исследованиях являются:

1. Методы полевой геологической съемки - изучение геологических обнажений, извлеченного при бурении скважин кернового материала, слоев горных пород в шахтах, изверженных вулканических продуктов, непосредственное полевое изучение протекающих на поверхности геологических процессов.

2. Геофизические методы - используются для изучения глубинного строения Земли и литосферы. Сейсмические методы , основанные на изучении скорости распространения продольных и поперечных волн, позволили выделить внутренние оболочки Земли. Гравиметрические методы , изучающие вариации силы тяжести на поверхности Земли, позволяют обнаружить положительные и отрицательные гравитационные аномалии и,следовательно, предполагать наличие определенных видов полезных ископаемых. Палеомагнитный метод изучает ориентировку намагниченных кристаллов в слоях горных пород. Осаждающиеся кристаллы ферромагнитных минералов ориентируются своей длинной осью в соответствии с направлениями силовых линий магнитного поля и знаками намагниченности полюсов Земли. Метод основан на непостоянстве (инверсии) знака полярности магнитных полюсов. Современные знаки намагниченности полюсов (эпоха Брюнес) Земля приобрела 700 000 лет назад. Предыдущая эпоха обратной намагниченности - Матуяма.

3. Астрономические и космические методы основаны на изучении метеоритов, приливно-отливных движений литосферы, а также на исследовании других планет и Земли (из космоса). Позволяют глубже понять суть происходящих на Земле и в космосе процессов.

4. Методы моделирования позволяют в лабораторных условиях воспроизводить (и изучать) геологические процессы.

5. Метод актуализма - протекающие ныне в определенных условиях геологические процессы ведут к образованию определенных комплексов горных пород. Следовательно, наличие в древних слоях таких же пород свидетельствует об определенных, идентичных современным процессах, происходивших в прошлом.

6. Минералогические и петрографические методы изучают минералы и горные породы (поиск полезных ископаемых, восстановление истории развития Земли).

Постепенное накопление геологических знаний привело к дифференциации геологической науки, выделению целого ряда родственных наук, каждая из которых обладает своим объектом и предметом исследования. На сегодняшний день науки геологического цикла весьма обширны и разнообразны, а геологических специальностей насчитывается более сотни. Среди основных наук геологического цикла можно назвать:

минералогия – физические особенности и химическая природа минералов;

петрография – состав, строение, происхождение и условия залегания горных пород;

геотектоника – движение и строение земной коры, формы залегания слоев горных пород;

динамическая геология – процессы, которые изменяют земную кору и вид поверхности нашей планеты в целом;

палеонтология – наука про древние ископаемые организмы, их строение, развитие, географическое распространение в разные периоды истории Земли; данная отрасль геологии тесно связана с зоологией и ботаникой, поскольку с ее помощью изучается история развития растительного и животного мира;

историческая геология – геологическая история Земли от ее формирования как планеты до современной эпохи, выявляет последовательность изменений, которые происходили на протяжении существования планеты;

палеогеография – физико-географические условия, которые существовали на поверхности Земли в предыдущие геологические эпохи;

учение про полезные ископаемые – исследование происхождения, закономерностей распространения и форм залегания полезных ископаемых;

гидрогеология – условия залегания воды в толще земной коры, ее состав, происхождение и особенности;

инженерная геология – горные породы земной коры, перспективы их использования для строительства различных сооружения: зданий, мостов, прокладки каналов и т.п.; для этого изучается прочность и стойкость пород к температурным изменениям, нагрузкам и возможности развития в них различных негативных геологических процессов (сдвигов, суффозий, карста, просадок и т.п.)

В последнее время растет экологическая роль геологии. Она разрабатывает вопросы надежного захоронения вредных отходов производства, особенно радиоактивных и химических, разумного строительства с учетом возможного ущерба от опасных геологических факторов: землетрясений, эрозии, оползней и т.д.

Все геологические науки тесно связаны между собой и дают целостную картину строения и развития земной коры и Земли в целом.

Геология тесно связана с географией, химией, физикой, ботаникой, зоологией и другими естественными науками. Она является основанием для специальных географических дисциплин: физической географии, общего землеведения, геоморфологии и т.д. Геология играет важную роль в изучении эволюции географической оболочки. Исследование месторождений полезных ископаемых является важным элементом для глубокого понимания экономической географии.

Связь геологии и химии заключается в изучении химического состава земной коры, происхождения, особенностей, использования природных химических соединений – минералов. Исследования минералов раскрывают суть химических процессов, которые происходят в природе. Кроме того богатства недр являются основным источником сырья для химической промышленности.

С биологией связан отдельный раздел геологии – палеонтология, которая изучает историю возникновения и развития органического мира по окаменелым останкам. С другой стороны, исследования условий жизни современных растительных и животных организмов помогает геологам реконструировать условия прошлых периодов истории Земли.

Как сказал российский академик В.О. Обручев: «геология учит нас смотреть открытыми глазами на окружающую нас природу и понимать историю ее развития», т.е. дает научное объяснение целому ряду природных процессов и явлений.

Геология тесно связана также с практическою деятельностью человека: разведка месторождений полезных ископаемых, которые используются в промышленности. Только после инженерно-геологического обоснования проектов начинается строительство жилых, хозяйственных и инфраструктурных объектов. Горные породы и рельеф являются важными факторами почвообразовательных процессов, которые необходимо учитывать в сельскохозяйственной деятельности.

С тех пор как человек стал удивляться звездам не небе, значительна часть его умственной энергии, очевидно, тратилась на познание Земли. Столетия и тысячелетия ему понадобились, чтобы увидеть в камне орудия труда и защиты. Затем он научился выплавлять медь, бронзу, железо, накапливая знания и навыки поиска руд этих металлов, признаков месторождений полезных ископаемых. Полагают, что учение о месторождениях полезных ископаемых, зародившееся в IV тысячелетии до н.э. положило начало геологии как науки. Большой вклад в развитие геологии в Античное время внесли такие ученые как Аристотель, доказавший, что Земля имеет форму шара, и выдвинувший предположение о том, что постоянно меняется площадь, занятая сушей и морем; Страбон, утверждавший, что Земля постоянно испытывает вертикальные движения, то поднимаясь, то опускаясь; Плиний Старший, написавший 36-томный труд «Естественная история», в котором собрал и систематизировал геологические знания своей эпохи.

Капитальные труды собственно геологического содержания появляются в Средние века. Так, персидский врач и философ Авиценна разработал первую классификацию минералов, а ученому из Хорезма Аль-Бируни принадлежит труд «Собрание сведений о познании драгоценных минералов».

В эпоху Возрождения ученые вплотную приблизились к истокам современного познания. Были сделаны величайшие открытия в географии, физике, биологии и других естественных науках, в том числе и в геологии. Так, Леонардо да Винчи, работая на строительстве ирригационных сооружений в Италии, пришел к выводу о том, что участки суши, где велось строительство, когда-то были морским дном, поскольку в горных породах встречалось много остатков морских организмов. Большое значение для развития геологии имели работы по астрономии М. Коперника, который доказал, что именно Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот (гелиоцентрическая модель).

Отдельные мысли и идеи были выдвинуты в области познания геологических процессов и явлений. Так, датский ученый Н. Стено описал формы дислокаций земной коры, трансгрессии и регрессии морей, выдвинул вулканическую теорию образования гор. Его работы заложили основы таким геологическим наукам, как стратиграфия и тектоника, кроме того с именем этого ученого связано введение в методологический аппарат науки геологического метода. Немецкий физик, математик и философ Г.В. Лейбниц, первым высказал мысль о том, что горные породы образуются из горячей расплавленной массы, из которой когда-то состояла Земля. Значительный вклад в дальнейшее развитие геологии внесли труды Иммануила Канта «Всеобщая естественная история и теория неба» и М.В. Ломоносова «О слоях земных», «Слово о рождении металлов от трясения земли», «Первые основы металлургии или рудных тел».

Конец XVIII- начало XIX в.в. ознаменовались экспедиционным исследованием геологического строения многих районов Европы и Азии, которые проводились П.С. Паллосом, И.И. Лепехиным и др. Геологическая карта Восточного Забайкалья, составленная Д. Лебедевым и М. Ивановым, оказалась одной из первых геологических карт в мире.

В XVIII – XIX в.в. появляется ряд работ, давших значительный толчок дальнейшему развитию науки. Профессор Фейбергской академии в Саксонии А. Вернер стал одним из основоположников современной минералогии. В области теоретической геологии он возглавлял так называемую школу нептунистов и утверждал, что основным геологическом фактором в изменении лика планеты является вода. Шотландский ученый Д.Геттон (основатель школы плутонистов) считал, что ведущая роль в геологических процессах принадлежит подземным силам.

Английский ученый В. Смит разработал палеонтологический метод определения относительного возраста горных пород. Суть метода заключается в том, что относительный возраст горных пород определяют по остаткам ископаемых организмов, т.к. с каждым комплексом разных по возрасту осадочных пород связан комплекс определенных организмов. В первой половине XIX века началось систематическое изучение остатков ископаемых организмов с целью разделения осадочных толщ и выработки единой для всех стран геохронологической шкалы. В это время также происходит зарождение палеонологии и исторической геологии как самостоятельных научных дисциплин.

Во второй половине XVIII века закладываются основы теоретической геологии, поднимаются вопросы происхождения горных пород. Благодаря работам И. Канта и П.С. Лапласса возникает научная космогония. Работы Ж. Ламарка, Ч. Лайеля, Ч.Дарвина опровергаю теорию катастроф Ж.Кювье, утверждая эволюционный этап развития Земли.

В 80-х годах XIX века Дж. Голл и Дж. Дэн сформулировали основные положения теории геосинклиналей.

Лекция 2. Земля во Вселенной. Особенности внутреннего строения планеты.

Земля представляет собой космическое тело, планету, являющуюся частью Вселенной. Во Вселенной все небесные тела образуют скопления разной сложности. Так, Земля со спутником Луной, образуют систему. Она входит в более крупную систему – Солнечную, образованную Солнцем и движущимися вокруг него небесными телами – планетами, астероидами, спутниками и кометами. Солнечная система в свою очередь является частью Галактики – это Галактика Млечного пути. Галактики в свою очередь образуют еще более сложные системы – скопления галактик.

Солнечная система состоит из центральной звезды – Солнца, девяти планет, а также спутников, астероидов и комет. Все планеты солнечной системы делятся на две большие группы:

1. "Планеты земного типа" (Меркурий, Венера, Земля, Марс). Отличительные особенности этих планет – близкое расположение в Солнцу; небольшие размеры; высокая плотность вещества; основными их составляющими являются силикаты (соединения кремния) и железо, следовательно планеты земной группы твердые тела; планеты медленно вращаются вокруг своей оси (у Меркурия период вращения равен 58,7 земных суток; у Венеры – 243, у Марса – немногим более суток). Из-за медленного вращения полярное сжатие у планет небольшое и они имеют форму близкую к шару.

2. "Планеты-гиганты" (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Планеты данной группы расположены на большом расстоянии от Солнца, имеют большие размеры. Наиболее распространенными химическими элементами являются водород и гелий, следовательно планеты-гиганты представляют собой газовые шары. Все планеты-гиганты с большой скоростью вращаются вокруг своей оси, благодаря чему имеют большое полярное сжатие. Все планеты имеют большое количество спутников.

Астероиды (от греческого astereideis – звездоподобные) – малые планеты Солнечной системы Они образуют тонкое кольцо между орбитами Марса и Юпитера (предположительно образовались после разрушения планеты Фаэтон или за счет сгустков первичного газопылевого облака). Их среднее расстояние от Солнца 2,8 – 3,6 а.е. Первый астероид был назван Церера (1801 год), к 1880 году астероидов было известно уже около 200, сейчас орбиты вычислены для более 40 000 астероидов. Самый большой астероид Церера имеет диаметр 1000 км, диаметр Паллады – 608, Весты – 540, Гигии – 450 км. Практически все астероиды имеют неправильную форму, только самые крупные приближаются к шару.

Кометы (от греч. kometes – хвостатые) небольшие несветящиеся тела Солнечной системы, которые становятся видимыми только при подходе к Солнцу. Движутся по сильно вытянутым эллипсам. Число комет измеряется миллионами. С приближением к Солнцу у них резко обособляется «голова» и «хвост». Головная часть состоит из льда и частиц пыли. В разреженной газо-пылевой среде хвоста обнаружены ионы натрия и углерода. Одна из самых известных комет – комета Галлея, каждые 76 лет она появляется в зоне видимости Земли.

Метеоры – мельчайшие твердые тела массой несколько граммов, вторгшиеся в атмосферу планеты. Мелкие частицы вещества, двигаясь со скоростью 11-12 км/с, из-за трения в атмосфере разогреваются до 1000 0 С,что вызывает их свечение на протяжении нескольких секунд. Они сгорают в атмосфере не долетая до поверхности. Метеоры делятся на единичные и метеорные потоки. Наиболее известны метеорные потоки: Персеиды (падают в августе), Дракониды (октябрь), Леониды (ноябрь). Если Земля пересекает орбиту метеорного потока, частицы «налетают на планету», начинается «звездный дождь». Упавшие на поверхность планеты небесные тела называются метеоритами. Наибольший метеорный кратер на Земле имеет диаметр 1265 м и расположен в Аризоне около каньона Диабло. Наиболее распространенными элементами метеоритов являются кислород, железо, кремний, магний, никель и др.

Земля является третьей планетой от Солнца и самой крупной планетой земной группы. Вместе с Луной Земля образует двойную планету. На ранних этапах своего формирования Земля представляла собой холодное космическое тело, содержащее все известные в природе химические элементы. Постепенно за счет гравитационных сил, энергии распада радиоактивных элементов и лунных приливов недра Земли стали разогреваться. Когда температура недр достигла уровня плавления окислов железа и других соединений начались активные процессы формирования ядра и основных оболочек планеты: ядра, мантии и земной коры.

Изучение внутреннего строения земли связано с большими трудностями, т.к. ученые не могут непосредственно наблюдать те процессы, которые происходят в глубинах планеты. Основными источниками информации о строении Земных недр, их вещественном составе, агрегатном состоянии являются сейсмические волны, возникающие при землетрясениях и целенаправленных взрывах. В течение небольшого отрезка времени они пронизывают практически всю Землю. При прохождении сквозь тело планеты сейсмические волны на некоторых глубинных уровнях заметно меняют свою скорость, что свидетельствует об изменении свойств основных оболочки или геосферы: земную кору, мантию и ядро.

Земная кора. Земная кора представляет собой верхний слой жесткой оболочки Земли – литосферы. Земная кора отделена от подстилающей ее литосферной мантии границей Мохоровичича. Поверхность земной коры формируется благодаря трем разнонаправленным воздействиям: тектоническим движениям, создающим неровности рельефа, денудации этого рельефа за счет разрушения и выветривания слагающих его горных пород и благодаря процессам осадконакопления. В результате постоянно формирующуюся и одновременно сглаживающаяся поверхность земной коры оказывается достаточно сложной. Мощность земной коры колеблется от 5-10 км под океанами до 70-75 км под горными системами. Состав, строение и мощность коры континентов и океанов различны, что дало основание для выделения ее главных типов: континентального, океанического и двух переходных.

Океаническая земная кора примитивна по своему составу и по существу представляет собой верхний дифференциирванный слой мантии, перекрытый сверху тонким слоем осадков. В океанической коре обычно выделяют три слоя.

Осадочный слой – самый верхний слой океанической земной коры. Средняя мощность осадочного слоя невелика и составляет около 500 м., однако сильно варьирует. Так, возле континентальных окраин и в районах крупных речных дельт она возрастает до 10-12 км. Связано это с тем, что практически весь осадочный материал, сносимый с суши, отлагается в прибрежных участках океанов и на материковых склонах континентов. В открытом океане толщина осадочного слоя возрастает от гребней срединно-океанических хребтов, где осадков почти нет, к их периферии.

Второй слой океанической коры – базальтовый. Общая мощность базальтового слоя достигает 1,5 – 2 км. Верхний слой базальтового слоя сложен базальтовыми лавами толеитового состава. Изливаясь в подводных условиях, эти лавы приобретают причудливые формы гофрированных труб и подушек, поэтому их еще называют подушечными лавами. Ниже располагаются долеритовые дайки, того же толеитового состава, представляющие собой бывшие подводящие каналы, по которым базальтовая магма в рифтовых зонах изливалась на поверхность океанского дна. Базальтовый слой океанической коры обнажается во многих местах океанского дна, примыкающих к гребням срединно-океанических хребтов.

Частые находки в крупных трансформных разломах включений габбро-толеитового состава и серпентинитов свидетельствует о том, что в состав океанической коры входят и эти крупнокристаллические породы. Таким образом, нижний слой океанической коры представлен габбро-серпентинитовыми породам. По сейсмическим данным мощность этого, третьего слоя составляет 4,5-5 км. Таким образом, общая мощность океанической земной коры составляет 6,5-7 км. Снизу океаническая кора подстилается кристаллическими породами верхней мантии. Под гребнями срединно-океанических хребтов океаническая кора залегает непосредственно над очагами базальтовых расплавов, выделившихся из вещества горячей мантии.

Океаническая кора формируется в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов за счет происходящей под ними сепарации (выделения) базальтовых расплавов из горячей мантии и их излияния на поверхность океанского дна. Ежегодно в зонах поднимается из астеносферы, изливается на океанское дно и кристаллизируется не менее 12 км 3 базальтовых расплавов, формирующих собой весь второй и часть третьего слоя океанической коры.

Континентальная земная кора как по составу, так и по строению резко отличается от океанической. Ее мощность колеблется от 20-25 км под островными дугами и участками с переходным типом земной коры до 80 км под молодыми складчатыми поясами Земли (Андами и Альпийско-Гималайским). В противоположность океанической коре большая часть континентальной коры очень древняя. Судя по возрасту древнейших земных пород, начало формирования континентальной коры относится к архею. К рубежу архея и протерозоя в результате тектонической активности Земли сформировалось приблизительно 70% массы современной континентальной коры.

В строении континентальной земной коры также выделяют три слоя: осадочный, гранито-гнейсовый и базальтовый.

Мощность верхнего осадочного слоя колеблется в пределах 0 км на древних щитах до 10-15 км на пассивных окраинах континентов и в краевых прогибах платформ. Среди осадков преобладают глинистые отложения и карбонаты, сформировавшиеся в условиях мелководных морских бассейнов.

Второй слой континентальной коры представлен гранито-гнейсовыми породами докембрийского (архейско-протерозойского возраста) (гнейсами, диоритами, гранитами и кристаллическими сланцами), образовавшимися в результате процессов регионального и метаморфизма. Мощность слоя 10-15 км.

Третий слой земной коры представлен базальтами, мощность этого слоя составляет 15-35 км. Граница, разделяющая гранито-гнейсовый и гранулито-базальтовый слои континентальной земной коры называется границей Конрада.

Субокеанский подтип земной коры характерен для котловин внутренних и окраинных морей (Черного, Азовского, Охотского, Средиземного и т.д.). Для него характерна большая мощность осадочного слоя – 5-10 км (местами может достигать 20 км).

Субконтинентальный подтип земной коры характерен для островных дуг (Курильские, Японские острова). По основным характеристикам близок к континентальному, но его мощность заметно меньше – 20-30 км.

Мантия. Силикатная оболочка Земли – ее мантия – расположена между подошвой земной коры и поверхностью земного ядра на глубинах около 2900 км. Является самой крупной геосферой, составляющей 83% объема планеты и 66% ее массы. Граница между земной корой и мантией известна как поверхность Мохоровичича. Сейсмологические данные свидетельствуют о достаточно сложном внутреннем строении мантии. По значениям физических параметров мантия делится на верхнюю (от поверхности Мохоровичича до глубины 670 км) и нижнюю (от 670 до 2900 км). По сравнению с горными породами, слагающими земную кору, породы мантии отличаются большей плотностью, и скорость распространения сейсмических волн в них заметно выше. Это объясняется не только сжатием вещества под большим давлением, но и химическими процессами, ведущими к превращению одних минералов в другие. Мантия характеризуется увеличением температуры с 2.000 дл 3.700 °С и давления с 35 до 136 ГПа.

Верхняя мантия имеет хорошо фиксируемый внутренний раздел, проходящий на глубине 410 км и разделяющий ее на два слоя. Верхний слой, залегающий от поверхности Мохоровичича до глубины 410 км, называется слоем Гутенберга. Он характеризуется замедлением темпа нарастания скорости прохождения сейсмических волн с глубиной, а в нижнем слое отмечается даже ее снижение, что объясняется размягченным, частично расплавленным состоянием вещества мантии. Эта часть слоя Гутенберга получила название астеносфера. Верхняя часть слоя Гутенберга вместе с земной корой образует единую жесткую оболочку – литосферу, располагающуюся над астеносферой. Литосфера и астеносфера составляют тектоносферу – главную область проявления тектонических процессов Земли.

Понятия литосфера и астеносфера чисто физические. Они различаются по вязкости – жесткая и хрупкая литосфера и более пластичная, подвижная астеносфера. Граница литосферы и астеносферы в осевых зонах срединно-океанических хребтов местами находится на глубине 3-4 км.

В направлении к периферии океанов мощность литосферы увеличивается за счет низов коры, а основном верхов мантии (литосферной мантии) и может достигать 80-100 км у границ с континентами.

В центральных частях континентов, особенно под щитами древних платформ, таких как Восточно-Европейская или Сибирская, мощность литосферы составляет 150-200 км, достигая своего максимума в Южной Африке (350 км).

Практически вся литосферная мантия сложена ультраосновными породами перидотитами, реже дунитами, главными минералами которых являются пироксены, оливин, гранаты.

Ниже слоя Гутенберга, в интервале 410-670 км расположен слой Голицына, который отличается весьма резким нарастанием скорости сейсмических волн с глубиной, что объясняется увеличением плотности мантийного вещества на 10% в связи с существенными минеральными преобразованиями переходом одних минеральных видов в другие, с более плотной упаковкой атомов: оливин переходит в шпинель, пироксен – в гранат. Предполагается, что этот слой сложен преимущественно гранатами. Важным компонентом химического состава слоя является вода, содержание которой по некоторым оценкам составляет около 1%.

Нижняя мантия начинается с глубины 670 км и простирается по радиусу Земли до 2900 км. Основными элементами, составляющими нижнюю мантию являются силикаты (прежде всего это перовскит и магнезиовюстит). Однако наблюдаемая плотность вещества нижней мантии заставляет предполагать увеличение соотношения железа и магния. Нижняя мантия состоит из двух слоев. Предполагается, что нижний слой, находящийся на границе нижней мантии и внешнего ядра может порождать огромные, направленные к поверхности Земли сквозьмантийные тепловые потоки, которые могут проявляться на поверхности планеты в виде крупных вулканических областей, таких как Гавайские острова, Исландия и т.п.

Ядро Земли занимает около 17% объема планеты и составляет 34% ее массы. Граница, разделяющая ядро и мантию носит название слоя Вихерта-Гутенберга. По данным сейсмографии поверхность ядра является неровной, образуя выступы и впадины. В строении ядра выделяют три элемента: внешнее ядро, внутренне ядро и переходный слой.

Внешнее ядро. Не пропускает поперечные сейсмические волны, что может свидетельствовать о том, что вещество, его слагающее, находится в жидком состоянии. В настоящее время большинство ученых полагают, что внешнее ядро состоит из расплава оксида железа с примесью никеля и других более легких элементов (серы, кремния, кислорода и водорода), понижающих его плотность и температуру плавления. Предполагается, что конвективные потоки во внешнем ядре генерируют главное магнитное поле Земли.

Внутренне ядро состоит из железо-никелевого сплава, возможно с некоторой примесью серы и кислорода. Давление здесь достигает 360 ГПа, а температура оценивается в 6.500 – 6.800°С. Переходный слой между внешним и внутренним ядром вероятнее всего состоит из сернистого железа – триолита. Это сравнительно тонкий слой, мощностью 140 км.

Новейшие исследования свидетельствуют о том, что для внутреннего ядра характерно стеклообразное состояние. Железо в нем структурируется в твердое состояние не с помощью кристаллической решетки, а в виде застывшего высоковязкого расплава. Этот расплав стеклуется или переходит в состояние стекла. Скорее всего ядро Земли представляет собой высокоупругое тело с плавно нарастающей вязкостью вплоть до стекольных значений.

Введение

Науки о Земле

Человек – существо любопытное. Его всегда интересовал субстрат, на котором он живет, по которому ходит, за счет которого кормится. Кроме того, человек просто не проживет, если не будет ориентироваться в окружающей среде. Отсюда появилось много различных наук, изучающих Землю: география, геология, геофизика, геохимия, геометрия, геодезия.

У всех этих наук объект общий – Земля .

На греческом языке слово «гео» означает Земля.

Но предметы разные. Каждая из этих наук изучает какую-то определенную сторону данного объекта.

Геометрия – размеры, форму.

Геодезия – формы рельефа.

География – устройство поверхности Земли, ее внешних оболочек.

Геофизика – физические свойства и физические поля.

Геохимия – химический состав.

Предметом изучения геологии является верхние оболочки Земли – земная кора и верхняя часть мантии. Состав, строение, процессы, закономерности размещения полезных ископаемых.

В таком понимании геология включает в себя и геофизику и геохимию. Геология – наука более широкая. Это отражается и в самом термине «геология».

Слово «логос» означает «знание». Т.е. «знание о Земле».

Связи с другими науками о Земле и не только

Внутренние процессы Земли отражаются в строении и составе ее поверхности, ее внешних оболочек – гидросферы, атмосферы, биосферы, поэтому геология теснейшим образом переплетается и с такими науками как география, геодезия, биология . Например, вулканический конус – это элемент рельефа, но в то же время он образовался за счет глубинных процессов.

Или моря и океаны. Вода заполняет впадины на поверхности – элементы рельефа и сама формирует рельеф, но появилась то она из глубин Земли и принимает активнейшее участие в формировании осадочной оболочки. Большая часть осадочных пород осаждается в морях и океанах. Вода является главным агентом выветривания.

Животный мир (или биосфера) существует на поверхности Земли и изучается наукой биологией. Но после отмирания остатки организмов становятся частью осадочных пород, в том числе такие ценнейшие полезные ископаемые как нефть и каменный уголь полностью формируются за счет органического вещества.

Органические остатки, содержащиеся в древних осадочных породах, используются для определения возраста этих пород. Организмы, их жизнедеятельность активно участвуют и в процессах выветривания.

В общем, Земля представляет собой единую природную систему, в которой все элементы взаимосвязаны и взаимодействуют.

Науки геологического цикла

Геология разнородная наука. Процессы, которые она изучает, различны. Используются самые различные методы. Одному человеку все это охватить не под силу. Поэтому в рамках геологической науки постепенно выделялись отдельные направления, изучающие ту или иную сторону предмета, пользующиеся собственными методами. Называются они науками геологического цикла.

Наука о минералах – природных химических соединениях называется минералогией . Петрография и петрология изучает магматические и метаморфические горные породы, их состав и происхождение, литология – то же, но относительно осадочных пород. Геохимия занимается распределением, миграцией химических элементов, кристаллография – закономерностями образования кристаллического вещества.

Структуру земной коры и литосферы, их эволюцию изучает наука геотектоника , геологические тела, их структуру и состав – структурная геология .

Стратиграфия занимается проблемами последовательности образования горных пород. Палеонтология изучает древние, ископаемые организмы, палеогеография – физико-географические условия, существовавшие когда-то.

Закономерности формирования месторождений полезных ископаемых, их распространение изучает металлогения и минерагения , угольная геология , геология нефти и газа .

К геологическому циклу относятся и такие науки как гидрогеология – происхождение, условия залегания и миграции, состава подземных вод и инженерная геология , изучающая геологические условия и эксплуатации различных инженерных сооружений.

Появилась даже наука со смешным, нелогичным названием – космическая геология (Геология Луны, Марса и т.д).

С развитием геологической науки в целом, с появлением новых методов, в рамках существующих наук обособляются новые, в значительной мере самостоятельные научные подразделения.

В рамках геохимии выделилась изотопная геология .

В рамках литологии – седиментология .

В рамках минералогии – физика минералов, биоминералогия.

В рамках петрологии – вулканология .

В рамках геотектоники – геодинамика .

Геологи пользуются еще и такими подразделениями как:

Прикладная геология, Теоретическая геология, Региональная геология, Историческая геология, Динамическая геология, Промысловая геология, Экспериментальная геология и т.д

А наш предмет называется общая геология.

« Общая» потому, что мы должны получить представление, пусть в самых общих чертах, о большинстве направлений и сторон геологической науки. Должны заложить основу для дальнейшего углубленного изучения отдельных направлений.

Методология

У геологии, как и у других естественных наук в основе лежит историческая методология. В целом это историческая наука. Каждая из наук геологического цикла рассматривает свой предмет (объект) в исторической перспективе: зарождение – жизнь – смерть.

Основу этой методологии составляет принцип актуализма – «настоящее есть ключ к познанию прошлого » (сформулировано знаменитым английским геологом 19 века Ч. Лайелем). Признается, что прошлые геологические процессы, хотя и отличаются от современных, но не настолько, чтобы нельзя было бы их реконструировать, используя аналогию с современными процессами. Исследователь не может непосредственно наблюдать, как протекал тот или иной процесс, например 50 млн. лет назад. Но он может изучить во всех подробностях, как аналогичный процесс протекает сегодня, на наших глазах и распространить свои выводы на геологическое прошлое. Только пользуясь принципом актуализма, геологи смогли создать стройные теории эндогенных и экзогенных процессов.

Необходимо, однако, помнить, что принцип актуализма имеет определенные ограничения. Чем дальше от нашей эпохи отстоит та или иная геологическая эпоха, тем больше условия той эпохи могли отличаться от современных.

На ранних стадиях развития Земли, температура ее поверхности могла быть существенно выше современной, в атмосфере не было свободного кислорода, органическая жизнь была примитивной. С этой точки зрения для геолога важны данные о других планетах Солнечной системы, данные сравнительной планетологии.

В ходе развития Земли эволюционировали состав и строение земной коры. Появлялись новые минералы и горные породы и исчезали другие, менялся тип деформаций горных пород, менялся рельеф и климат.

Особенно быстро эволюционировал органический мир, оказывая все большее влияние на геологические процессы. Все это должно учитываться при использовании принципа актуализма, который должен применяться в рамках более широкого сравнительно-исторического метода .

Методы

В геологии используются большое количество различных методов, как собственно геологических, так и методов других наук. Прямые, косвенные, экспериментальные, математические

К прямым геологическим методам относится непосредственные наблюдения над горными породами и минералами, над геологическими структурами в естественных обнажениях, искусственных горных выработках и кернах буровых скважин.

Большая часть обнажений дает возможность изучить разрез на глубину десятки и сотни метров. Глубокие шахты и глубокие скважины (до 3-4 км) относительно редки. Единичные скважины достигают 8-9 км и лишь одна – Кольская – немногим более 12 км.

Косвенные методы основаны на изучение геофизических полей – естественных и искусственных. Они дают возможность проанализировать внутреннее строение Земли, ее отдельных геосфер и геологических структур. Это сейсмические, гравиметрические, электрические, магнитометрические методы.

Экспериментальные методы направлены на моделирование геологических процессов: искусственный рост кристаллов и пород, изучение расплавов и фазовых переходов из искусственных смесей минералов, изучение термодинамических условий образования пород и минералов и т.д.

Математические методы, в том числе математическое моделирование.

I. Предмет и задачи геологии.

Геология – одна из фундаментальных естественных наук, изучающая строение, состав, происхождение и развитие Земли. Она исследует сложные явления и процессы, протекающие на ее поверхности и в недрах. Современная геология опирается на многовековой опыт познания Земли и разнообразные специальные методы исследования. В отличии от других наук о Земле, геология занимается исследованием ее недр. Основные задачи геологии состоят в изучении наружной каменной оболочки планеты – земной коры и взаимодействующих с ней внешних и внутренних оболочек Земли (внешние – атмосфера, гидросфера, биосфера; внутренние – мантия и ядро).

Объектами непосредственного изучения геологии являются минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, геологические процессы.

Геология тесно связана с другими науками о Земле, например с астрономией, геодезией, географией, биологией. Геология опирается на такие фундаментальные науки как математика, физика, химия. Геология является синтетической наукой, хотя в то же время распадается на множество взаимосвязанных отраслей, научных дисциплин, изучающих Землю в разных аспектах и получающих сведения об отдельных геологических явлениях и процессах. Так, изучением состава литосферы занимаются: петрология, исследующая магматические и метаморфические породы, литология, изучающая осадочные горные породы, минералогия – наука, изучающая минералы как природные химические соединения и геохимия – наука о распределении и миграции химических элементов в недрах земли.

Геологические процессы, формирующие рельеф земной поверхности, изучает динамическая геология, частью которой являются геотектоника, сейсмология и вулканология.

Раздел геологии, занимающийся изучением истории развития земной коры и Земли в целом, включает стратиграфию, палеонтологию, региональную геологию и носит название «Историческая геология.

Есть в геологии науки, имеющие большое практическое значение. Такие, как о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология, инженерная геология, геокриология.

В последние десятилетия появились и приобретают все большее значение науки связанные с исследованием космоса (космическая геология), дна морей и океанов (морская геология).

Наряду с этим есть геологические науки, находящиеся на стыке с другими естественными науками: геофизика, биогеохимия, кристаллохимия, палеоботаника. К таковым относятся также геохимия и палеогеография. Наиболее близкая и разносторонняя связь геологии с географией. Для географических наук, таких как ландшафтоведение, климатология, гидрология, океанография, более всего важны геологические науки, изучающие процессы, влияющие на формирование рельефа земной поверхности и историю образования земной коры всей Земли.

Геологические циклы

Геологические циклы - это самая крупная единица установленной периодичности Калесник С.В. Общие географические закономерности земли: учебное пособие для географических факультетов университетов / С.В. Калесник. - М.: Мысль, 1970. - С. 85.. Они отразились в смене режимов осадконакопления, вулканизма и магматизма, эпохах расчленения и выравнивания рельефа, периодах формирования кор выветривания и элювиальных образований, в чередовании морских трансгрессий и регрессий, ледниковий и межледниковий, в изменении климата планеты и содержании атмосферных газов.

Вся известная нам геологическая история Земли обнаруживает циклы в несколько сотен миллионов лет, служащих фоном для более коротких (десятки миллионов, миллионы, сотни тысяч лет и др.) циклов, природа которых различна. Наиболее продолжительным астрономическим периодом является галактический год - время между двумя последовательными прохождениями Солнца через одну и ту же точку галактической орбиты. Этот период составляет 180-200 миллионов лет Там же. С. 86.. Колебательными движениями земной коры и обусловленными ими изменениями распределения суши и моря определяется геологическая периодичность с ритмом 35-45 миллионов лет, который положен в основу выделения периодов. Указанные отрезки времени представляют собой своеобразные «сезоны» галактического года, к которому приурочены различные феномены планетной системы: крупные тектоно-магматические циклы, эпохи трансгрессий и регрессий, выравнивания и расчленения суши, возникновение глобальных ледниковых эпох и др.

Существует цикл продолжительностью 85-90 миллионов лет (космическое полугодие, или драконический период у астрономов), обусловленный сменой положения плоскости эклиптики Солнечной системы относительно такой же плоскости Вселенной. При анализе крупных деформаций земной коры и ее поверхности намечается периодичность в 500-570 миллионов лет (утроенный галактический год), причина которого пока не ясна.

История развития Земли за последние 570 миллионов лет делится на три этапа: каледонский (кембрий, ордовик, силур), длительностью около 200 миллионов лет, герцинский (девон, карбон, пермь), длительностью 150-190 миллионов лет, альпийский (мезозой, кайнозой), длительностью около 240 миллионов лет. Последний часто разделяется на раннеальпийский (киммерийский) продолжительностью около 170 миллионов лет и позднеальпийский (альпийский), начавшийся около 70-90 миллионов лет назад Селиверстов Ю.П. Указ. соч. С. 98..

При некотором различии в длительности эти этапы обладают общими чертами, которые позволяют говорить о цикличности: начало каждого этапа ознаменовано общим опусканием земной коры, а завершение ее поднятием. В эпоху опускания господствуют морской режим и однообразный климат, в эпоху поднятий широко распространены суша, мощные складкообразовательные и горообразовательные движения, разнообразные климаты. Средняя (170-190 миллионов лет) продолжительность этих этапов примерно соответствует длительности галактического года. Прямого отражения во времени быть не может, так как надо учитывать запаздывание отражения воздействия на конкретный объект. Существуют предположения о возможном сопоставлении цикличности великих оледенений, повторявшихся примерно через 150-160 миллионов лет, и длительности галактического года (рис. 1) Селиверстов Ю.П. Указ. соч. С. 99..

Сложность проблемы геологических циклов состоит не только в установлении их причин, но и в степени достоверности их существования. Кроме того, отдаленные друг от друга регионы развиваются в тектоническом отношении по-разному. Например, в некоторых областях Южной Сибири проявления складчатости в каледонскую эпоху были разновременны: основная складчатость в Туве была в раннем ордовике, в Западном Саяне - в середине силура, в Кузнецком Алатау - на границе среднего и позднего кембрия.

Механизм, управляющий ритмическими движениями земной коры, еще не выяснен и может быть связан с внутренними особенностями развития Земли или обусловлен длительностью галактического года.

На рисунках 2 и 3 отражена общая картина наиболее существенных геологических ритмов Калесник С.В. Указ. соч. С. 86..

Геология и цикл геологических наук

Абсолютный и относительный возраст земли, геохронологическая шкала.

Возраст Земли как планеты по последним данным оценивается ~ 4,6 млрд. лет. Изучение метеоритов и лунных пород также подтверждает эту цифру. Однако самые древние породы Земли, доступные непосредственному изучению, имеют возраст около 3,8 млрд. лет. Поэтому весь более древний этап истории Земли носит название до геологической стадии. Объектом же геологического изучения является история Земли за последние 3,8 млрд. лет, которая выделяется в ее геологическую стадию.

Для выяснения закономерностей и условий образования г.п. необходимо знать последовательность их образования и возраст, т.е. установить их геологическую хронологию.

Различают относительный возраст г.п. (относительная геохронология) иабсолютный возраст г.п. (абсолютная геохронология).

Установлением возраста г.п. занимается наука стратиграфия (лат. Stratum - слой).

Абсолютный возраст горных пород и методы его определения.

Абсолютная геохронология устанавливает возраст г.п. в единицах времени. Определение абсолютного возраста необходимо для корреляции и сопоставления биостратиграфических подразделений различных участков Земли, а также установления возраста лищенных палеонтологических остатков фанерозойских и долембрийских пород.

К методам определения абсолютного возраста пород относятся методы ядерной (или изотопной геохронологии) и не радиологические методы

Методы ядерной геохронологии в наше время являются наиболее точными для определения абсолютного возраста г.п., в основе которых лежит явление самопроизвольного превращения радиоактивного изотопа одного элемента в стабильный изотоп другого. Суть методов состоит в определении соотношений между количеством радиоактивных элементов и количеством устойчивых продуктов их распада в горной породе. По скорости распада изотопа, которая для определенного радиоактивного изотопа есть величина постоянная, количеству радиоактивных и образовавшихся стабильных изотопов, рассчитывают время, прошедшее с начала образования минерала (соотв. И породы).

Разработано большое число радиоактивных методов определения абсолютного возраста: свинцовый, калиево-аргоновый, рубидиево-стронциевый, радиоуглеродный и др. (выше установленный возраст Земли 4,6 млрд. лет не установлен с применением свинцового метода).

Не радиологические методы уступают по точности ядерным.

Соляной метод был применен для определения возраста Мирового океана. Он основан на предположении, что воды океана были первоначально пресными, то, зная современное количество солей с континентов, можно определить время существования Мирового океана (~ 97 млн. лет).

Седиментационный метод основан на изучении осадочных пород в морях. Зная объем и мощность морских отложений в з.к. в отдельных системах и объем минерального вещества, ежегодно сносимого в моря с континентов можно вычислить продолжительность их наполнения.

Биологический метод базируется на представлении о сравнительно равномерном развитии орг. мира. Исходный параметр - продолжительность четвертичного периода 1,7 - 2 млн. лет.

Метод подсчета слоев ленточных глин, накапливающихся на периферии тающих ледников. Глинистые осадки откладываются зимой, а песчаные летом и весной, т.о. каждая пара таких слоев результат годичного накопления осадков (последний ледник на Балтийском море прекратил свое движение 12 тысяч лет назад).

Цвет минерала

Вопрос о природе цветовой окраски минералов очень сложен. Природа окрасок некоторых минералов еще не определена. В лучшем случае цвет минерала определяется спектральным составом отражаемого минералом светового излучения или обуславливается его внутренними свойствами, каким-либо химическим элементом, входящим в состав минерала, тонко рассеянными включениями других минералов, органического вещества и другими причинами. Красящий пигмент иногда бывает, распространен неравномерно, полосами, давая разноцветные рисунки (например, у агатов).

Цвет некоторых прозрачных минералов меняется в связи с отражением падающего на них света от внутренних поверхностей, трещин или включений. Это явления радужной окраски минералов халькопирита, пирита и иризации – голубые, синие переливы лабрадора.

Некоторые минералы многоцветны (полихромные) и имеют разную окраску по длине кристалла (турмалин, аметист, берилл, гипс, флюорит и др.).

Цвет минерала иногда может быть диагностическим признаком. Например, водные соли меди имеют зеленый или синий цвет. Характер цвета минералов определяется визуально обычно путем сравнения наблюдаемого цвета с общеизвестными понятиями: молочно-белый, светло-зеленый, вишнево-красный и т.п. этот признак не всегда характерен для минералов, так как цвета многих из них сильно варьируют.

Цвет черты

Более надежным диагностическим признаком, чем цвет минерала, является цвет его порошка, оставляемого при царапании испытуемым минералом матовой поверхности фарфоровой пластинки. В ряде случаев совпадает с цветом самого минерала, в других он совсем иной. Так, у киновари окраска минерала и порошка красные, а у латунно-желтого пирита черта зеленовато-черная. Черту дают мягкие и средней твердости минералы, а твердые лишь царапают пластинку и оставляют на ней борозды.

Прозрачность

По своей способности пропускать свет минералы делятся на несколько групп:

прозрачные (горный хрусталь, каменная соль) – пропускающие свет, через них ясно видны предметы;
полупрозрачные (халцедон, опал) – предметы, через них плохо видны предметы;
просвечивающие только в очень тонких пластинках;
непрозрачные – свет не пропускают даже в тонких пластинках (пирит, магнетит).

Блеск

Блеском называется способность минерала отражать свет. Строгого научного определения понятия блеск не существует. Различают минералы с металлическим блеском как у полированных минералов (пирит, галенит); с полуметаллическим (алмазным, стеклянным, матовым, жирным, восковым, перламутровым, с радужными переливами, шелковистым). Многие физические свойства являются важными диагностическими признаками при определении минералов.

Спайность

Явление спайности у минералов определяется сцеплением частиц внутри кристаллов и обусловлено свойствами их кристаллических решеток. Раскол минералов происходит легче всего параллельно наиболее плотным сеткам кристаллических решеток. Эти сетки наиболее часто и в наилучшем развитии проявляются и во внешнем ограничении кристалла.

Количество плоскостей спайности у разных минералов неодинаково, достигает шести, причем степень совершенства разных плоскостей может быть неодинаковой. Различают следующие виды спайности:

весьма совершенную , когда минерал без особого усилия расщепляется на отдельные листочки или пластинки, обладающие гладкими блестящими поверхностями – плоскостями спайности (гипс).
совершенную , обнаруживаемую при легком ударе по минералу, который рассыпается на кусочки, ограниченные только ровными блестящими плоскостями. Неровные поверхности не по плоскости спайности получаются очень редко (кальцит раскалывается на правильные ромбоэдры разной величины, каменная соль – на кубики, сфалерит – на ромбические додекаэдры).
среднюю , которая выражается в том, что при ударе по минералу образуются изломы как по плоскостям спайности, так и по неровным поверхностям (полевые шпаты – ортоклаз, микроклин, лабрадор)
несовершенную . Плоскости спайности в минерале обнаруживаются с трудом (апатит, оливин).
весьма несовершенную . Плоскости спайности в минерале отсутствуют (кварц, пирит, магнетит). В то же время иногда кварц (горный хрусталь) встречается в хорошо ограненных кристаллах. Поэтому следует отличать естественные грани кристалла от плоскостей спайности, выявляющихся при изломе минерала. Плоскости могут быть параллельны граням и отличаться более «свежим» видом и более сильным блеском.

Излом

Характер поверхности, образующейся при разломе (расколе) минерала различный:

1. Ровный излом , если раскол минерала происходит по плоскостям спайности, как, например, у кристаллов слюды, гипса, кальцита.

2. Ступенчатый излом получается при наличии в минерале пересекающихся плоскостей спайности; он может наблюдаться у полевых шпатов, кальцита.

3. Неровный излом характеризуется отсутствием блестящих участков раскола по спайности, как, например, у кварца.

4. Зернистый излом наблюдается у минералов с зернисто-кристаллическим строением (магнетит,хромит).

5. Землистый излом характерен для мягких и сильно пористых минералов (лимонит, боксит).

6. Раковистый – с выпуклыми и вогнутыми участками как у раковин (апатит, опал).

7. Занозистый (игольчатый) – неровная поверхность с ориентированными в одном направлении занозами (селенит, хризотил-асбест, роговая обманка).

8. Крючковатый – на поверхности раскола возникают крючковатые неровности (самородная медь, золото, серебро). Этот вид излома характерен для ковких металлов.

Твердость

Твердость минералов – это степень сопротивляемости их наружной поверхности проникновению другого, более твердого минерала и зависит от типа кристаллической решетки и прочности связей атомов (ионов). Определяют твердость царапанием поверхности минерала ногтем, ножом, стеклом или минералами с известной твердостью из шкалы Мооса, в которую входят 10 минералов с постепенно возрастающей твердостью (в относительных единицах).

Относительность положения минералов по степени возрастания их твердости видна при сравнении: точные определения твердости алмаза (твердость по шкале равна 10) показали, что она более чем в 4000 раз выше, чем у талька (твердость – 1).

Шкала Мооса

Главная масса минералов имеет твердость от 2 до 6. Более твердые минералы – это безводные окислы и некоторые силикаты. При определении минерала в породе необходимо убедиться, что испытывается именно минерал, а не порода.

Удельный вес

Удельный вес изменяется от 0,9 до 23 г/см 3 . У большей части минералов он составляет 2 – 3,4 г/см 3 , рудные минералы и самородные металлы имеют наивысший удельный вес 5,5 – 23 г/см 3 . Точный удельный вес определяется в лабораторных условиях, а в обычной практике – «взвешиванием» образца на руке:

Легкие (с удельным весом до 2,5 г/см3) – сера, каменная соль, гипс и другие минералы;

Средние (2,6 – 4 г/см3) – кальцит, кварц, флюорит, топаз, бурый железняк и другие минералы;

С большим удельным весом (больше 4). Это барит (тяжелый шпат) – с удельным весом 4,3 – 4,7, сернистые руды свинца и меди – удельный вес 4,1 – 7,6 г/см 3 , самородные элементы – золото, платина, медь, железо и т.д. с удельным весом от 7 до 23 г/см 3 (осмистый иридий – 22,7 г/см 3 , платиновый иридий – 23 г/см 3).

Магнитность

Свойство минералов притягиваться магнитом или отклонять магнитную стрелку компаса является одним из диагностических признаков. Сильно магнитными минералами являются магнетит и пирротин.

Ковкость и хрупкость

Ковкими являются минералы, изменяющие свою форму при ударе молотком, но не рассыпающиеся (медь, золото, платина, серебро). Хрупкие – рассыпаются при ударе на мелкие кусочки.

Электропроводность

Электропроводность минералов – это способность минералов проводить электрический ток под действием электрического поля. В противном случае минералы относятся к диэлектрикам, т.е. не проводящим ток.

Горючесть и запах

Некоторые минералы загораются от спички и создают характерные запахи (сера – сернистого газа, янтарь – ароматический запах, озокерит – удушливый запах угарного газа). Запах сероводорода появляется при ударе по марказиту, пириту, при растирании кварца, флюорита, кальцита. При трении кусочков фосфорита друг о друга появляется запах жженой кости. Каолинит при смачивании приобретает запах печки.

Вкус

Вкусовые ощущения вызывают только хорошо растворимые в воде минералы (галит – соленый вкус, сильвин – горько соленый).

Шероховатость и жирность

Жирными, слегка мажущими являются тальк, каолинит, шероховатыми – боксит, мел.

Гигроскопичность

Это свойство минералов увлажняться, притягивая молекулы воды из окружающей среды, в том числе из воздуха (карналлит).

Некоторые минералы реагируют с кислотами. Для опознавания минералов, которые по химическому составу являются солями угольной кислоты, удобно пользоваться реакцией вскипания их со слабой (5 – 10%) соляной кислотой.

Факторы метаморфизма.

Изменение магматических и осадочных пород в твердом состоянии под воздействием эндогенных факторов и называется метаморфизмом.

Решающее влияние на метаморфизм горных пород оказывают давление, температура и флюиды.

Температура. Источниками тепла в земной коре являются распад радиоактивных элементов; магматические расплавы, которые, остывая, отдают тепло окружающим горным породам; нагретые глубинные флюиды; тектонические процессы и ряд других факторов. Геотермический градиент, т.е. количество градусов на 1 км глубины, меняется от места к месту на земном шаре и разница может составлять почти 100o С. В пределах устойчивых, жестких блоков земной коры, например на щитах древних платформ, геотермический градиент не превышает 6-10o С, в то время как в молодых растущих горных сооружениях может достигать почти 100o С. Температура резко ускоряет протекание химических реакций, способствует перекристаллизации вещества, сильно влияет на процессы минералообразования. Возрастание температуры приводит к обезвоживанию (дегидратации) минералов, формированию более высокотемпературных минеральных ассоциаций, лишенных воды, декарбонатизации известняков и т. д. Обычно метаморфические преобразования начинаются при Т выше 300o С, а прекращаются, когда Т достигает точки плавления развитых в данном месте горных пород.

Давление подразделяется на всестороннее (литостатическое), обусловленное массой вышележащих горных пород, и стрессовое, или одностороннее, связанное с тектоническими направленными движениями. Всестороннее литостатическое давление связано не только с глубиной, но также и с плотностью пород, и на глубине 10 км может превышать 200 мПа, а на глубине 30 км - 600-700 мПа. При геотермическом градиенте в 25 град/км плавление горных пород может начаться на глубине около 20 км. При высоких давлениях породы переходят в пластичное состояние- Одностороннее стрессовое давление лучше всего проявляется в верхней части земной коры складчатых зон и выражается в образовании определенных структурно-текстурных особенностей породы и специфических стресс-минералов, таких, как глаукофан, дистен и др. Стрессовое давление вызывает механические деформации горных пород, их дробление, рассланцевание, увеличение растворимости минералов в направлении давления. В подобные милонитизированные зоны проникают флюиды, под воздействием которых породы испытывают перекристаллизацию.

Флюиды, к которым относятся H2O, CO2, CO, CH4, H2, H2S, SO2 и другие переносят тепло, растворяют минералы горных пород, переносят химические элементы, активно участвуют в химических реакциях и играют роль катализаторов. Значение флюидов иллюстрируется тем, что в <сухих системах>, т. с. лишенных флюидов, даже при наличии высоких давлений и температур метаморфические изменения почти не происходят.

Осадочные горные породы.

Осадочные горные породы образовались на поверхности литосферы в результате накопления минеральных масс, полученных в процессе разрушения магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Процессы разрушения горных пород литосферы и накопления новых пород на поверхности земли идут повсеместно: в пустынях, где энергичную работу ведет ветер; вдоль морских и океанических берегов, где волны перемещают обломочный материал; на дне глубоких частей морей и океанов, где отмирающие организмы дают начало толщам осадочных пород. Условия образования накладывают существенный отпечаток на облик осадочных пород. В одних случаях они состоят из обломков ранее разрушенных горных пород, в других - из скопления органических остатков, в третьих - из кристаллических зерен, выпавших из раствора.

Осадочные породы в зависимости от происхождения резко отличаются друг от друга. Поэтому их принято подразделять на три группы:

Обломочное происхождение

Химическое происхождение

Органогенное происхождение

Осадочные породы представляют особый интерес для строителей, так как они служат основаниями и средой для различных сооружений и повсеместно доступны в качестве строительных материалов. Они имеют вторичное происхождение, поскольку исходным материалом для их формирования являются продукты разрушения ранее существовавших пород. Процесс образования осадочных пород протекает по схеме: физическое и химическое выветривание пород, механический и химический перенос, отложение и накопление продуктов их разрушения и, наконец, уплотнение и цементация рыхлого осадка с превращением его в породу. Общими свойствами осадочных пород являются одинаковые формы залегания в виде пластов, с которыми связаны их характерные текстурные признаки - слоистость и пористость. Последняя особенно важна, так как оказывает большое влияние на физико-механические свойства пород: прочность, плотность и среднюю плотность, водопоглощение, морозостойкость, механическую обработку и др.

Осадочные породы отличаются многообразием структур с широким варьированием формы, размеров частиц и их соотношения у различных представителей. Для них характерно значительное разнообразие минеральных компонентов, более простых по химическому составу и являющихся преимущественно осадочными новообразованиями, совпадающими по составу с некоторыми магматическими минералами. Среди породообразующих минералов встречаются осажденные из водных растворов карбонаты, сульфаты, водный кремнезем; вторичные (глинистые) продукты выветривания материнских пород - каолинит, монтмориллонит; слюдистые минералы, гидроксиды А1 и Fe; реликтовые минералы, сохранившиеся без изменения, - магматический кварц, полевые шпаты, а также обломки пород различного генезиса и остатки организмов. Некоторые представители осадочных пород растворяются в воде, например каменная соль, гипс, известняки.

Классификация грунтов.

Классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков:

Класс - по общему характеру структурных связей;

Группа - по характеру структурных связей (с учетом их прочности);

Подгруппа - по происхождению и условиям образования;

Тип - по вещественному составу;

Вид - по наименованию грунтов (с учетом размеров частиц и показателей свойств);

Разновидности - по количественным показателям вещественного состава, свойств и структуры грунтов.

Класс природных скальных грунтов - грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными) подразделяют на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности согласно таблице 1.

Класс природных дисперсных грунтов - грунты с водноколлоидными и механическими структурными связями подразделяют на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности

Класс природных мерзлых грунтов* - грунты с криогенными структурными связями подразделяют на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности

Класс техногенных (скальных, дисперсных и мерзлых) грунтов - грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека, подразделяют на группы, подгруппы, типы и виды

Частные классификации по вещественному составу, свойствам и структуре скальных, дисперсных и мерзлых грунтов (разновидности) представлены в приложении Б.

По своему происхождению горные породы они подразделяются на:

Магматические, изверженные, образовавшиеся в результате застывания магмы; они имеют кристаллическую структуру и классифицируются как скальные грунты;

Осадочные; они образовались в результате разрушения и выветривания горных пород с помощью воды и воздуха и образуют скальные и нескальные грунты;

Метаморфические, которые образовались в результате действия на метаморфические и осадочные породы высоких температур и больших давлений; они классифицируются как скальные грунты.

Верховода, характеристика.

Верховодкой называют временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Эта зона располагается на небольшой глубине от поверхности, над горизонтом грунтовых вод, где часть пор пород занята связанной водой, другая часть – воздухом.

Верховодка образуется над случайными водоупорами (или полуводоупорами), в роли, которых могут быть линзы глин и суглинков в песке, прослойки более плотных пород. При инфильтрации вода временно задерживается и образует своеобразный водоносный горизонт. Чаще всего это бывает связанно с периодом обильного снеготаяния, периодом дождей. В остальное время вода верховодки испаряется и просачивается в нижележащие грунтовые воды.

Другой особенностью верховодки является вохможность ее образования даже при отсутствии в зоне аэрации каких-либо водоупорных пропластков. Например, в толщу суглинков обильно поступает вода, но вследствие низкой водопроницаемости просачивание происходит замедленно и в верхней части толщи образуется верховодка. Через некоторое время эта вода рассасывается.

В целом для верховодки характерно: временный, чаще сезонный характер, небольшая площадь распространения, малая мощность и безнапорность. В легко водопроницаемых породах, например в песках, верховодка возникает сравнительно редко. Для нее наиболее типичны различные суглинки и лессовые породы.

Верховодка представляет значительную опасность для строительства. Залегая в пределах подземных частей зданий и сооружений (подвалы котельные) она может вызвать их подтопление, если заранее не были предусмотрены меры дренирования или гидроизоляции. В последнее время в результате значительных утечек воды (водопровод, бассейны) отмечено появление горизонтов верховодок на территории промышленных объектов и новых жилых районов, расположенных в зоне расположения лессовых пород. Это представляет серьезную опасность, так как грунты оснований снижают свою устойчивость, затрудняется эксплуатация зданий и сооружений.

При инженерно-геологических изысканиях, проводимых в сухое время года, верховодка не всегда обнаруживается. Поэтому ее появление для строителей может быть неожиданным.

Воды зоны аэрации.

Как правило, зона аэрации имеет слои грунта различные по своей водопроницаемости. Поэтому, во время выпадения дождей, в зоне аэрации может образовываться временный водоносный горизонт, который называется верховодкой. Верховодка особенно характерна при зимней оттепели и весной, когда в грунте ещё сохраняется водонепроницаемый слой сезонной мерзлоты, а тающий на поверхности снег обеспечивает интенсивное насыщение почвы водой. Весенняя верховодка часто является причиной затопления подвалов зданий.

Наличие влаги в зоне аэрации объясняется тем, что все капиллярно-пористые системы, в частности которой и является зона аэрации сложенная песками обладает способностью всасывать влагу из воздуха, удерживать и накапливать ее в своих порах. После чего накопленная влага может "стекать" из зоны аэрации в водоносный горизонт, пополняя его запасы. Эта способность возрастает с уменьшением влажности грунта, понижением его температуры и увеличением содержания в нем солей. Благодаря процессам внутригрунтовой конденсации водяных паров даже в пустынях, где влажность воздуха минимальна, под барханами образуются линзы пресной воды.

Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде верховодк, грунтовых, артизеанских, трещинных и вод вечной мерзлоты. Верховодки- это временные скопления подземных вод в зоне аэрации. Верховодки образуются над случайными водоупорами- линзы глин и суглинков, при инфильтрации вода задерживается и образует водоносные горизонты. Это связанно с периодом обильного снеготаяния, периодом дождей. Также это появляется вследствие низкой водопронинцаемости грунта.

Для обеспечения зоны аэрации, для дыхания корней, правильного разложения органического вещества в почве должен происходить газообмен, при котором весь объем воздух в корнеобитаемом слое будет обновляться не больше, чем за 8 суток. Для нормального роста и развития растений в почве одновременно должны содержаться в определенном соотношении воздух и вода. При недостатке воды корни растений не могут подать требуемое количество ее к листьям (почвенная засуха). В сухой почве много воздуха, вследвие чего активизируется деятельность аэробных бактерий, а это приводит к быстрому разложение органического вещества. При малом содержании воды в почве повышается концентрация почвенного раствора и растения не могут использовать его. При избытке воды, содержание воздуха уменьшается и ухудшается дыхание корней, замедляются процессы разложения органического вещества.

Таким образом, от количества воды в почве зависит степень обеспечения ею растений, содержания в почве воздуха, тепловой и питательный режим в почве, т.е. ее плодородие. Оптимальная влажность почвы для разных растений различна (табл.). чем в почве больше питательных веществ, тем выше оптимум влажности.

Плывуны и псевдоплывуны.

ПЛЫВУН (а. drift sand, floating sand, running sand, quicksand; н. Schwimmsand; ф. terrain соulant, sable aquifere; и. arena movediza, roca pastosa, fluidez de suelo) - насыщенные водой рыхлые слаболитифицированные, главным образом песчаные породы, способные растекаться и оплывать.

Различают истинный и ложный плывун. Истинный плывун состоит из тонкозернистых и пылеватых песков, а также грунтов, содержащих гидрофильные коллоиды, выполняющие роль смазки. Характерная особенность этих плывунов - большая подвижность и способность быстро переходить в плывунное состояние при незначительном механическом воздействии, особенно при сотрясении или вибрации. При малой влажности и высокой плотности плывун обладает значительной прочностью. При влажности выше некоторой критической плывуны могут течь как единое целое под действием незначительных напряжений. Истинный плывун при промерзании подвергается сильному пучению, слабо фильтрует воду, высыхая, приобретает связность. В отличие от высокодисперсных пластичных грунтов пластические свойства истинных плывунов являются временными и после снятия нагрузки постепенно исчезают. Ложные плывуны не содержат коллоидных частиц, и их плывунные свойства проявляются при значительных напорных градиентах. По мере увеличения плотности ложные плывуны часто теряют плывунные свойства.

Плывуны осложняют ведение горных работ при проходке горных выработок, строительстве котлованов, сооружений, тоннелей и др. В качестве защитных мероприятий при проходке в плывунах применяют специальные щиты, кессоны, опускные колодцы, замораживание, опережающую проходку и закрепление плывунов.

Виды воды в горных породах.

В зависимости от физического состояния, подвижности и характера связи с грунтом выделяют несколько видов воды в грунтах: химически и физически связанная, капиллярная, свободная, вода в твердом и парообразном состоянии.

Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов, например гипса, медного купороса. Вода из таких минералов может быть удалена в большинстве случаев лишь при нагревании до 300-400 С.

Физически связанная вода удерживается на поверхности минералов и частиц грунта молекулярными силами и может быть удалена из грунта только при температуре не менее 90-120 С. Этот вид воды подразделяют на гигроскопическую и пленочную.

Гигроскопическая вода образуется вследствие адсорбции частицами грунта молекул воды. На поверхности частиц гигроскопическая вода удерживается молекулярными и электрическими силами.

Пленочная вода образует пленку поверх гигроскопической воды, когда влажность грунта становится выше его максимальной гигроскопичности. Эта вода может передвигаться от одной частицы грунта к другой.

Капиллярная вода образуется в порах грунта после насыщения их пленочной водой, заполняет поры и тонкие трещины и перемещается в них под действием капиллярных сил Капиллярную воду в порах грунта подразделяют на капиллярно-подвешенную, образующуюся в верхней части почвенного слоя, питающуюся атмосферными осадками и не связанную с нижерасположенными грунтовыми водами; капиллярно-поднятую, располагающуюся в виде капиллярной зоны над уровнем грунтовых вод и тесно с ним связанную; капиллярно-разобщенную, находящуюся в остальной толще грунта. Капиллярная вода через поверхность почвы или листья растений испаряется, играет важную роль в насыщении почв водами, режиме грунтовых вод и питании растений.

Свободная вода – наиболее подвижный и важный компонент подземных вод. Эта вода в жидком виде находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и градиентов гидростатического давления.

Вода в твердом состоянии находится в грунте в виде кристаллов, прослоек и линз льда.

Вода в парообразном состоянии заполняет вместе с воздухом не занятые водой пустоты в грунтах.

Полевые испытания грунтов.

Полевые методы исследования грунтов используются при выполнении инженерно-геологических изысканий, для оценки прочностных и деформационных свойств грунтов, для получения гидрогеологических параметров, в условиях естественного залегания пород. Исследования проводятся на площадке (трассе) проектируемых или реконструируемых инженерных сооружений. Проведение работ требует наличия специальной техники и оборудования. Полевые методы исследования грунтов имеют различное предназначение и решают разнообразные задачи:

исследование физических, прочностных и деформационных свойств грунтов в условиях их естественного залегания;

получения информации о условиях залегания подземных вод, слоев пород, их генезисе;

получение гидрогеологических параметров и характеристик массива грунтов.

методами полевых исследований грунтов:

статическое зондирование;

испытание штампом;

испытание прессиометром;

испытание на срез целика грунтов;

опытно-фильтрационные работы.

Статическое зондирование относится к специальным методам получения инженерно-геологической информации. Современные возможности существенно расширили спектр информации, которую можно получить при применении этого полевого метода исследования грунтов. Значительно увеличилась глубина проведения испытания до 45 м (в зависимости от литологического состава массива).

Статическое зондирование, как метод полевых исследований грунтов, обладает широкими технологическими возможностями для выполнения пробоотбора образцов пород и подземных вод, а также специальных исследований грунтов в условиях естественного залегания.

Материалы, полученные при статическом зондировании, могут использоваться для решения следующих основных задач:

расчленение геологического разреза на отдельные слои (инженерно-геологические элементы), идентификация их по площади и по глубине;

типизация и классифицирование грунтов по составу, состоянию и свойствам;

исследование пространственной изменчивости свойств грунтов для выбора наиболее обоснованных расчётных моделей оснований;

определение показателей физико-механических свойств грунтов на основе как эмпирических интерпретационных формул, так и аналитических решений;

решение задач проектирования и расчёта оснований (например, определение расчётной нагрузки на сваю, расчётного сопротивления грунта, осадок сваи и свайного основания).