Что такое геологические процессы. Эндогенные и экзогенные геологические процессы

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ГЕОЛОГИИ.

Цель и задачи геологии. Связь геологии с другими естественнонаучными дисциплинами.

Методы геологии.

Различные направления геологической науки.

1. Геология (греч. «гео» - земля, «логос» - учение) - одна из важнейших наук о Земле. Она занимается изучением состава, стро­ения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук - математики, физики, химии, биологии, географии. Значительный прогресс в указанных областях наук и геологии ознаменовался появлением и развитием важных пограничных наук о Земле - геофизики, геохимии, биогеохимии, кристаллохимии, палеогеографии, позволяющих получить данные о составе, состоянии и свойствах вещества глубоких частей земной коры и оболочек Земли, расположенных ниже. Особо следует отметить многостороннюю связь геологии с географией (ландшафтоведением, климатологией, гидрологией, гляциологией, океанографией) в познании различных геологических процессов, совершающихся на пове­рхности Земли. Взаимосвязь геологии и географии особенно проявляется в изучении рельефа земной поверхности и закономерностей его развития. Геология при изучении рельефа использует данные географии, так же как и география опирается на историю геологического развития и взаимодействия различных геологических процессов. Вследствие этого наука о рельефе - геоморфология фактически является также пограничной наукой.

По геофизическим данным в строении Земли выделяется несколько оболочек: земная кора, мантия и ядро Земли. Предметом непосредственного изучения геологии являются земная кора и подстилающий твердый слой верхней мантии - литосфера (греч. «литос» - камень). Сложность изучаемого объекта вызвала значитель­ную дифференциацию геологических наук, комплекс которых совместно с пограничными науками (геофизикой, геохимией и др.) позволяет получить освещение различных сторон его строения, сущность совершающихся процессов, историю развития и др.

Одним из нескольких основных направлений в геологии является изучение вещественного состава литосферы: горных пород, минералов, химических элементов. Одни горные породы образуются из магматического силикатного расплава и называются магматическими или извер женными; другие - путем осаждения и накопления в морских и континентальных условиях и называются осадочными; третьи - за счет изменения различных горных пород под влиянием температуры и давления, жидких и газовых флюидов и называются мета морфическими.

Изучением вещественного состава литосферы занимается комплекс геологических наук, объединяющихся часто под названием геохимического цикла. К ним относятся: петрография (греч. «петрос - камень, скала, «графо» - пишу, описываю), или петрология- наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их состав, структуру, условия образования, Степень изменения под влиянием различных факторов и закономерность распределения в земной коре. Литология (греч. «литос» - камень) - наука, изучающая осадочные горные породы. Минералогия - наука, изучающая минералы- природные химические соединения или отдельные химические элементы, слагающие горные породы. Кристаллография и кристал­лохимия занимаются изучением кристаллов и кристаллического состояния минералов. Геохимия - обобщающая синтезирующая наука о вещественном составе литосферы, опирающаяся на достижения ука­занных выше наук и изучающая историю химических элементов, за­коны их распределения и миграции в недрах Земли и на ее поверхности. С рождением изотопной геохимии в геологии открылась новая страница в восстановлении истории геологического развития Земли.

2. Изучение вещественного состава литосферы, как и других про­цессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы - непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме - лавовых потоках. Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150-200 км. Помимо указанных прямых методов в изучений веществ литосферы широко применяются оптические методы и другие физические и химические исследования - рентгеноструктурные, спектрографические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, постро­ения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет.

3. Следующим направлением геологической науки является динамическая геология, изучающая разнообразные геологические процессы, формы рельефа земной поверхности, взаимоотношения различных по генезису горных пород, характер их залегания и деформаций. Известно, что в ходе геологического развития происходили многократные изменения состава, состояния вещества, облика поверхности Земли и строения земной коры. Эти преобразования связаны с различными геологическими процессами и их взаимодействием. Среди них выделяются две группы: 1) эндогенные (греч. «эндос - внутри), или внутренние, связанные с тепловым воздействием Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, с гравитационной энергией и ее неравномерным распределением; 2) экзогенные (греч. «экзос» - снаружи, внешний), или внешние, вызывающие существен­ные изменения в поверхностной и приповерхностной частях земной коры. Эти изменения связаны с лучистой энергией Солнца, силой тяжести, непрерывным перемещением водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной коры, с жизнедеятельностью организмов и другими факторами. Все экзогенные процессы тесно связаны с эндогенными, что отражает сложность и единство сил, действующих внутри Земли и на ее поверхности.

В область динамической геологии входит геотектоника (греч. «тектос - строитель, структура, строение) - наука, изучающая структуру земной коры и литосферы и их эволюцию во времени и пространстве. Частные ветви геотектоники составляют: структурная геология, занимающаяся формами залегания горных пород; тектонофизика, изучающая физические основы деформации горных пород; региональная геотектоника, предметом изучения которой служит структура и ее развитие в пределах отдельных крупных регионов зем­ной коры. Важными разделами динамической геологии являются сейсмология (греч. «сейсмос» - сотрясение) - наука о землетрясениях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами.

История геологического развития земной коры и Земли в целом является предметом изучения исторической геологии , в состав которой входит стратиграфия (греч. «стратум» - слой), занимающаяся пос­ледовательностью формирования толщ горных пород и расчленением их на различные подразделения, а также палеогеография (греч. «паляйос» - древний), изучающая физико-географические обстановки на поверхности Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры. Расчленение толщ горных пород и установление относительного геологического возраста слоев невозможно без изучения ископаемых органических остатков, которым занимается палеонтология, тесно связанная как с биологией, так и с геологией.

Следует подчеркнуть, что важной геологической задачей является изучение геологического строения и развития определенных участков земной коры, именуемых регионами и обладающих какими-то общими чертами структуры и эво­юции. Этим занимается обычно региональная геология , которая практически использует все перечисленные ветви геологической на­уки, а последние, взаимодействуя между собой, дополняют друг друга, что демонстрирует их тесную связь и неразрывность. При региональных исследованиях широко используются дистанционные методы, когда наблюдения осуществляются с вертолетов, самолетов и с искусственных спутников Земли.

Косвенные методы познания, в основном глубинного строения земной коры и Земли в целом, широко используются геофизикой - наукой, основанной на физических методах исследования. Благодаря различным физическим полям, применяемым в подобных исследо­ваниях исследо­ваниях, выделяются магнитометрические, гравиметрические, электрометрические, сейсмометрические и ряд других методов изучения геологической структуры. Геофизика тесно связана с физикой, мате­матикой и геологией.

Одна из важнейших задач геологии - прогнозирование залежей минерального сырья, составляющего основу экономической мощи государства. Этим занимается наука о месторождениях полезных иско­ паемых , в сферу которой входят как рудные и нерудные ископаемые, так и горючие - нефть, газ, уголь, горючие сланцы. Не менее важным полезным ископаемым в наши дни является вода, особенно подземная, происхождением, условиями залегания, составом и закономерностями движений которой занимается наука гидрогеология (греч. «гидер» - вода), связанная как с химией, так и с физикой и, конечно, с геологией.

Важное значение имеет инженерная геология - наука, исследующая земную кору в качестве среды жизни и разнообразной деятельности человека. Возникнув, как прикладная ветвь геологии, занимающаяся изучением геологических условий строительства инженерных сооружений, эта наука в наши дни решает важные проблемы, связанные с воздействием человека на литосферу и окружающую среду. Инженерная геология взаимодействует с физикой, химией, математикой и механикой, с одной стороны, и с различными дисциплинами геологии - с другой, с горным делом и строительством - с третьей. За последнее время оформилась как самостоятельная наука ге окриология (греч. «криос» - холод, лед), изучающая процессы в областях развития многолетнемерзлых горных пород «вечной мерзлоты», занимающих почти 50% территории СССР. Геокриология тесно связана с инженерной геологией.

С начала освоения космического пространства возникла космиче­ ская геология , или геология планет. Освоение океанских и морских глубин привело к появлению морской геологии , значение которой быстро возрастает в связи с тем, что уже сейчас почти треть добываемой в мире нефти приходится на дно акваторий морей и океанов.

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ.

Земля сложена несколькими оболочками – внешними (атмосфера, гидросфера, биосфера) и внутренними, которые называют геосферами (ядро, мантия, литосфера). Изучение внутреннего строения Земли производится различными методами. Геологические методы , основанные на изучении естествен­ных обнажений горных пород, разрезов шахт и рудников, кернов глубоких буровых скважин, дают возможность судить о строении приповерхностной части земной коры. Глубина известных пробуренных скважин достигает 7,5-9,5 км, и только одна в мире опытная скважина, заложенная на Кольском полуострове, уже достигла глубины более 12 км при проектной глубине до 15 км. В вулканических областях по продуктам извержения вулканов можно судить о составе вещества на глубинах 50-100 км. В целом же глубинное внутреннее строение Земли изучается главным образом геофизическими методами : сейсмическим, гравиметрическим, магнитометрическим и др. Одним из важнейших методов является сейсмический (греч. «сейсмос» - трясение) метод, основанный на изучении естественных землетрясений и «искусственных землетрясений», вызываемых взрывами или ударными вибрационными воздействиями на земную кору.

Очаги землетрясений располагаются на различных глубинах от приповерхностных (около 10 км) до самых глубоких (до 700 км), прослеженных в разломных зонах по окраинам Тихого океана. Возникающие в очаге сейсмические волны как бы просвечивают Землю и дают представление о той среде, через которую они проходят. В очаге (или фокусе) возникают два главных типа волн:

1) самые быстрые продольные Р-волны (т.е. первичные - primary);

2) более медленные поперечные S -волны (т.е. вторичные - secondary). При распространении Р-волн горные породы испытывают сжатие и растяжение (смещение частиц среды вдоль направления волны). Р-волны проходят в твердых и жидких телах земных недр. Поперечные S-волны распространяются только в твердых телах, и с их распространением связаны колебания горных пород под прямым углом к направлению распространения волны. При прохождении поперечных волн упругие породы подвергаются деформации сдвига и кручения. Кроме того, выделяются поверхностные L -волны (т.е. длинные - long), которые отличаются сложными синусоидальными колебаниями вдоль или около земной поверхности. Регистрация прихода сейсмических волн производится на специальных сейсмических станциях, оборудованных записывающими приборами - сейсмографами, расположенными на разных расстояниях от очага. Такое расположение сейсмостанций позволяет судить о скорости распространения колебаний на разных глубинах, поскольку к более отдаленным станциям приходят волны, прошедшие через более глубокие слои Земли. Запись сейсмографом прихода волн называется сейсмограммой.

Реальные скорости сейсмических волн зависят от упругих свойств и плотности горных пород, через которые они проходят. Изменения скорости сейсмических волн отчетливо показывают на неоднородность и расслоенностъ Земли. О различных слоях и состоянии веществ, их слагающих, указывают преломленные и отраженные волны от их граничных поверхностей. На основании скорости распространения сейсмических волн австралийский сейсмолог К. Буллен разделил Землю на ряд зон, дал им буквенные обозначения в определенных усредненных интервалах глубин, которые используются с некоторыми уточнениями до настоящего времени. Выделяют три главные области Земли:

1. Земная кора (слой А) - верхняя оболочка Земли, мощность которой изменяется от 6-7 км под глубокими частями океанов до 35-40 км под равнинными платформенными территориями континентов, до 50-70(75) км под горными сооружениями (наибольшие под Гималаями и Андами).

2. Мантия Земли, распространяющаяся до глубин 2900 км. В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия - слой В глубиной до 400 км и С - до 800-1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия - слой D до глубины 2700 с переходным слоем D - от 2700 до 2900 км.

3. Ядро Земли, подразделяемое: на внешнее ядро - слой Е в пределах глубин 2900-4980 км; переходную оболочку - слой F - от 4980 до 5120 км и внутреннее ядро - слой G до 6971 км.

По имеющимся данным выделены несколько разделов первого порядка, в которых скорость сейсмических волн резко изменяется.

Земная кора отделяется от слоя В верхней мантии достаточно резкой граничной скоростью. В 1909г. югославский сейсмолог А. Мохоровичич при изучении бал­канских землетрясений впервые установил наличие этого раздела, носящего теперь его имя и принятого за нижнюю границу земной коры. Часто эту границу сокращенно называют границей Мохо или М. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру, где наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с, а поперечные волны гасятся. Внезапное резкое уменьшение скорости продольных волн и исчезно­вение поперечных волн во внешнем ядре свидетельствуют о необычайном состоянии вещества, отличающемся от твердой мантии.

Эта граница названа именем Б. Гутенберга. Третий раздел совпадает (основанием слоя F и внутренним ядром Земли (слой G).

Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см 3 . Горные породы, слагающие земную кору, отличаются малой плотностью. В осадочных породах плотность около 2,4-2,5 г/см 3 , в гранитах и большинстве метаморфических пород -2,7-2,8 г/см 3 , в основных магматических породах - 2,9-3,0 г/см 3 . Средняя плотность земной коры принимается около 2,8 г/см 3 . Сопоставление средней плотности земной коры с плотностью Земли указывает на то, что во внутренних оболочках - мантии и ядре плотность должна быть значительно выше. По имеющимся данным в кровле верхней мантии, ниже границы Мохо, плотность пород составляет 3,3-3,4 г/см 3 , у нижней границы нижней мантии (глубина 2900 км) - примерно 5,5-5,7 г/см 3 , ниже границы Гутенберга (верхняя граница внешнего ядра) - 9,7-10,0 г/см 3 , затем повышается до 11,0-11,5 г/см 3 , увеличиваясь во внутреннем ядре до 12,5-13,0 г/см 3 .

Давление. Расчеты давления на различных глубинах Земли в со­ответствии с указанными плотностями выражаются следующими зна­чениями

Ускорение силы тяжести . В ряде пунктов поверхности Земли геофизическим гравиметрическим методом выполнены измерения абсолютной величины силы тяжести с помощью гравиметров. Эти исследования позволяют выявить гравиметрические аномалии - области значительного увеличения или уменьшения силы тяжести. Увеличение силы тяжести обычно связано с присутствием более плотного вещества, уменьшение указывает на меньшую плотность. Что касается ускорения силы тяжести, то его величина различна. На поверхности оно в среднем составляет 982 см/с 2 (при 983 см/с 2 - на полюсе и 978 см/с 2 - на экваторе), с глубиной сначала увеличивается, затем быстро падает. По данным В. А. Магницкого, максимальное значение ускорения силы тяжести достигает в основании нижней мантии у границы с внешним ядром 1037 см/с 2 . В пределах ядра Земли ускорение силы тяжести начинает значительно уменьшаться, доходя до 452 см/с 2 в промежуточном слое F, до 126 см/с 2 на глубине 6000 км и в центре до 0.

Магнетизм . Земля действует как гигантский магнит с силовым полем вокруг. Сведения о распределении магнитного поля Земли на ее поверхности и околоземном пространстве дают наземные, морские и аэромагнитные съемки, а также измерения, производимые на низколетящих искусственных спутниках Земли. Геомагнитное поле дипольное, магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими, т.е. истинными - северным и южным. Между магнитным и географическим полюсами образуется некоторый угол (около 11,5°), называемый магнитным склонением. Различают также магнитное наклонение, определяемое как угол между магнитными силовыми линиями и горизонтальной плоскостью. Происхождение постоянного магнитного поля Земли связывают с действием сложной системы электрических токов, возникающих при вращении Земли и сопровождающих турбулентную конвекцию (перемещение) в жидком внешнем ядре. Таким образом, Земля работает как динамомашина, в которой механическая энергия этой конвекционной системы генерирует электрические токи и связанный с ними магнетизм.

Магнитное поле Земли оказывает влияние и на ориентировку в горных породах ферромагнитных минералов, таких, как гематит, магнетит, титаномагнетит и др. Особенно это проявляется в магматических горных породах - базальтах, габбро, перидотитах и др. Ферромагнитные минералы в процессе застывания магмы принимают ориентировку существующего в это время направления магнитного поля. После того, когда горные породы полностью застывают, ориентировка ферромагнитных минералов сохраняется. Определенная ориентировка ферромагнитных минералов происходит и в осадочных породах во время осаждения железистых минеральных частиц. Намагниченность ориентированных образцов определяется как в лабораториях, так и в полевых условиях. В результате измерений устанавливается склонение и наклонение магнитного поля во время первоначального намагничивания минералов горных пород. Таким образом, и магматические, и осадочные горные породы нередко обладают стабильной намагниченностью, указывающей на направление магнитного поля в момент их формирования. В настоящее время при геологических исследованиях и поиске железорудных месторождений полезных ископаемых широко применяется магнитометрический метод.

Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым внутриземными источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть отражается обратно в мировое пространство. Количество получаемого и отраженного Землей солнечного тепла неодинаково для различных широт. Среднегодовая температура отдельных пунктов в каждом полушарии уменьшается от экватора к полюсам. Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной темпе ратуры, равной среднегодовой температуре данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20-30 м.

Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли. Давно установлено, что в шахтах, рудниках, буровых скважинах происходит постоянное увеличение температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком из внутренних частей Земли. Тепловой поток измеряется в калориях на квадратный сантиметр за секунду - мккал/см х с. По многочисленным данным, средняя величина теплового потока принимается равной 1,4-1,5 мккал/см 2 х сек. Однако исследования, проведенные как на континентах, так и в океанах, показали значительную изменчивость теплового.потока в различных структурных зонах.

По данным Е. А. Любимовой, наименьшие значения теплового потока отмечены в районе древних кристаллических щитов (Балтийском, Украинском, Канадском) и равны в среднем 0,85 мккал/см х с±10% (при колебаниях от 0,6 до 1,1). В равнинных платформенных областях тепловой поток находится в интервале 1,0-1,2 мккал/см х с и только местами на отдельных поднятиях увеличивается до 1,3-1,4 мккал/см х с. В палеозойских орогенических областях, таких, как Урал, Аппалачи, интенсивность потока поднимается до 1,5 мккал/см 2 х с.

В молодых горных сооружениях, созданных в новейшее геологическое время (таких, как Альпы, Кавказ, Тянь-Шань, Кордильеры и др.), тепловые потоки отличаются большим разнообразием. Так, например, в Складчатых Карпатах и прилегающих частях внутренних прогибов тепловой поток в среднем составляет 1,95 мккал/см 2 х с, а в Предкарпатском прогибе - 1,18 мккал/см 2 х с. Аналогичные изменения отмечены на Кавказе, где в зонах поднятия тепловой поток увеличива­ется до 1,6-1,8 мккал/см 2 х с, а в складчатом сооружении Большого Кавказа единичные определения дали наиболее высокие значения теплового потока - 3,0-4,0 мккал/см 2 х с. Для юго-восточного погружения Кавказа отмечены значительные колебания тепловых потоков и установлена интересная деталь увеличения их значений вблизи грязевых вулканов до 1,9-2,33 мккал/см 2 х с. Высокие тепловые потоки наблюдаются в областях современного вулканизма, составляя в сред­нем около 3,6 мккал/см -с. В рифтовой (англ, «рифт» - расселина, ущелье) системе оз. Байкал тепловой поток оценивается от 1,2 до 3,4 мккал/см 2 -с. В пределах значительных пространств ложа Мирового океана величина теплового потока находится в пределах 1,1-1,2 мккал/см 2 х с, что сопоставимо с данными по платформенным частям континентов. Высокие тепловые потоки связаны с рифтовыми долинами срединно-океанских хребтов. Средняя величина теплового потока 1,8-2 мккал/см 2 х с, но в нескольких местах увеличивается до 6,7-8,0 мккал/см 2 х с. Разнообразие приведенных величин теплового потока, по-видимому, связано с неоднородными тектономагматическими процессами в различных зонах Земли.

Каковы же источники тепла внутри Земли? Как известно, в соответствии с современными представлениями, Земля сформировалась в результате аккреции газово-пылевых частиц протопланетного облака в виде холодного тела. Следовательно, внутри Земли должны иметься источники тепла, создающие современный тепловой поток и высокую температуру в недрах Земли. Одним из источников внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом долгоживущих радиоактивных элементов 238 U, 23 S U, 232 Th, 40 K, 87 Rb. Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор они остаются важным источником тепловой энергии. В начальные этапы развития Земли могли быть поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 26 Al, 38 CI и др. Вторым источником тепловой энергии предполагается гравитационная дифференциация вещества, зарождающаяся после некоторого разогрева на уровне ядра и, возможно, в слое В верхней мантии. Но значительная часть тепла, связанная с гравитационной дифференциацией, по-видимому, рассеивалась в пространстве, особенно в начале формирования планеты. Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной, и в меньшей степени, с Солнцем.

Температура внутри Земли . Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин - 12 км (Кольская скважина). Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1 С,- геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Приме­ром тому являются два резко различных градиента: 1) 150° на 1 км r штате Орегон (США), 2) 6° на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50°, а геотермической ступени - 15-45 м. Средний гео­термический градиент издавна принимался в 30°С на 1 км.

По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20° С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности вглубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000°С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250°С. Учитывая этот своеобразный «термометр», ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500°С. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10 0 на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150°С. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120°С, на 10 км-180, на 12 км - 220°С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280°С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2°С, на 1500 м - 69,9, на 2000 м - 80,4, на 3000 м - 108,3°С.

Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии. По данным В. Н. Жаркова, детальные исследования фазовой диаграммы Mg2SiO4 - Fe2SiO4, позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км), т.е. перехода оливина в шпинель. Температура здесь в результате указанных исследований около 1600±50° С.

Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000°С.

Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты - около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими округлыми зернами - хондрами (90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, представленная в таблице.

Повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, Al, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.

Экзогенными называют те процессы, которые происходят под воздействием внешних сил. Как правило, они представляют опасность сооружениям или людям, поэтому их в часто называют опасными геологическими процессами . Понятно, что опасными бывают и эндогенные процессы, но к сфере инженерной геологии они уже не относятся.

Чаще всего (в средней полосе РФ) встречаются: морозное пучение, неравномерные осадки, суффозия, карст, оползни, подтопление, заболачивание.

Одна из важнейших задач изысканий - обнаружить их и изучить.

Морозное пучение характерно для глинистых грунтов. Физически связанная вода, которая почти всегда в них присутствует, замерзая, увеличивает объем породы. Грунт примерзает к конструкции (например, к фундаментному блоку) и выдавливает ее.

Чтобы этого не происходило, фундаменты заглубляют ниже глубины сезонного промерзания и используют песчаную подушку . Песок прекрасно фильтрует воду и данному процессу не подвержен.

Неравномерные осадки возникают в случае разной несущей способности грунтов . Под одной частью здания осадки происходят медленнее и слабее, чем под другой. Это следствие неграмотных изысканий и расчетов. Возможность развития такого процесса определяется при изысканиях, далее в проекте фундамент рассчитывается так, чтобы осадки везде (особенно по углам) были одинаковы.

Устранять последствия неравномерных осадок дорого. Обычно производится закачка бетона под оседающие части.

Суффозия - это процесс переноса частиц грунта подземными водами. Характерно для разнозернистых песков при наличии вертикального потока подземных вод. Часто суффозия связана с карстом. Бороться с ней достаточно сложно и дорого. Если на вашем участке есть проявления суффозии или карста (поноры, воронки), лучше отказаться от строительства. Дешевле будет.

Карст - процесс растворения пород (выщелачивание). В Центральном районе наиболее распространен карбонатный тип (растворяются известняки и доломиты), встречается гипсовый. Карбонатный карст развивается очень медленно. Если есть карстовые формы, то опасность представляет не сам карст, а суффозия, которая с ним связана. Гипсовый карст динамичен (растворимость гипса весьма высока), если есть условия для его развития, то лучше со строительством не связываться.

Оползневые процессы встречаются часто и приурочены к склонам крутизной от 3 градусов. Насчитывается около 10 типов оползней, есть множество классификаций. От некоторых можно защититься легко, с некоторыми справиться почти нереально. Если Вы строите на склоне, не пожалейте денег - проконсультируйтесь со специалистами . Ошибки в случае с оползнями могут очень дорого обойтись.

Изучение оползней, если коротко, сводится к определению типа, глубины захвата, активности, размеров, геологического разреза и физико-механических свойств грунтов. Далее - выполнение расчетов устойчивости. Расчеты требуется проводить несколькими методами (обычно тремя и более), но для них надо выполнять некоторые нестандартные исследования грунтов. Правильно определенные свойства грунтов - основа расчетов устойчивости. Иногда выполняется математическое моделирование (в конечных элементах), но это дороже и не всегда оправданно. Итог - проектирование противооползневых мероприятий. Это может быть перепланировка склона, подпорная стенка, сваи и т.д. Если склон еще не ползет, но есть такая вероятность, лучше перестраховаться и сделать расчет. Тогда есть шанс обойтись превентивными мерами (например, выположить склон).

Просадочность - способность лессовых и других пылеватых грунтов к дополнительным деформациям уменьшения объема при увлажнении.

Эрозионные процессы - смыв и размыв грунтов потоками поверхностых вод. Различают несколько видов эрозии: боковую, водную, донную, избирательную, линейную, проскостную и регрессивную. Отдельно можно выделить ветровую эрозию (эоловый процесс) - снос и передвижение песчаных частиц под воздействием силы ветра, сопровождаемый сортировкой материала.

Подтопление - процесс подъема уровня подземных вод до некоторого критического уровня. В зависимости от категории земель глубина до уровня подземных вод может различаться, чтобы считать участок подтопленным (от 0.6 м для пашни до 4 м для города). Обычный метод борьбы - дренаж.

Заболачивание - процесс образования болота. Заболоченной считается территория, где мощность торфа составляет 30 см и более. Если на участке залегает торф, лучше от него отказаться.

Главная -->Инженерные изыскания -->Опасные геологические процессы

Поверхность Земли и ее недра непрерывно изменяются под воздействием самых разнообразных сил и факторов. Эти процессы изменения протекают в подавляющем своем большинстве крайне медленно с точки зрения человека, незаметно не только непосредственно для его глаза, но часто и незаметно для многих сменяющих друг друга поколений людей. Однако именно эти медленные процессы в течение миллионов и миллиардов лет истории Земли приводят к наиболее разительным и крупным переменам в ее лике и внутреннем строении. Они и составляют главное содержание истории Земли.

Чтобы верно понять динамику Земли и правильно истолковать закономерности ее развития, требуется очень тонкое наблюдение именно над медленно протекающими геологическими процессами.

Для удобства изучения геологические процессы разделяют на две большие группы: процессы внешней геодинамики, или внешние экзогенные процессы, и процессы внутренней геодинамики, или внутренние эндогенные процессы.

Разделение процессов на внешние и внутренние носит несколько условный характер, так как между ними нет категорического разграничения, а наоборот, наблюдается тесное взаимодействие. Тем не менее подобное деление методически вполне оправдано.

Экзогенные (внешние) процессы возникают в результате взаимодействия каменной оболочки с внешними сферами: атмосферой, гидросферой и биосферой. Эндогенные процессы проявляются при воздействии внутренних сил Земли на ту же каменную оболочку.

Экзогенные процессы в свою очередь подразделяются на три большие группы: процессы выветривания, процессы денудации и процессы аккумуляции, или осадконакопления. Денудация и аккумуляция по эффекту воздействия на рельеф являются нивелирующими.

Выветривание представляет собой процесс изменения (разрушения) горных пород и минералов вследствие приспособления их к условиям земной поверхности. Оно состоит в изменении физических свойств минералов и горных пород, главным образом сводящегося к их механическому разрушению, разрыхлению и изменению химических свойств под воздействием воды, кислорода и углекислого газа атмосферы и жизнедеятельности организмов.

Денудация и аккумуляция (или осадконакопление) тесно взаимосвязаны. Под денудацией понимается совокупность процесса сноса продуктов разрушения горных пород, создаваемых в основном выветриванием. Она проявляется главным образом в пределах суши и сводится к перемещению раздробленного или химически растворенного материала с возвышенностей в депрессии рельефа - долины, котловины, озерные и морские бассейны. Главными ее агентами являются сила тяжести, текучие воды, ветер и движущиеся льды ледников. Денудация (от латинского слова «денудо» - обнажаю) приводит к разрушению целых горных систем, шаг за шагом сравнивая их с землей и превращая в равнины.

Аккумуляция - это сумма всех процессов накопления осадков, возникающих в понижениях рельефа Земли за счет принесенных денудацией продуктов выветривания. Она является первой стадией образования новых осадочных горных пород.

Выветривание лишь подготавливает материал для денудации, но само по себе еще не приводит к серьезным изменениям лика Земли. Денудация же является наиболее активным фактором преобразования Земли, мобилизующим, приводящим в движение огромные массы вещества. Поэтому изучение денудации является одним из главных предметов динамической геологии. Аккумуляция - это дальнейшее звено в цепи экзогенных процессов, сводящееся к тому, что продукты выветривания как бы вновь обретают покой, теряют свою подвижность, входя в состав осадочных пород. Однако аккумуляция не является конечным звеном в цепи преобразования материи, но лишь этапом в круговороте ее в условиях Земли.

Эндогенными (внутренними) процессами называются такие геологические процессы, происхождение которых связано с глубокими недрами Земли. Вещество земного шара развивается во всех частях, в том числе и в глубинных. В недрах Земли под внешними её оболочками происходят сложные физико-механические и физико-химические преобразования вещества, в результате которых возникают мощные силы, воздействующие на земную кору и коренным образом преобразующие последнюю. Вот эти-то преобразующие процессы и называются эндогенными процессами.

Наиболее отчетливо эндогенные процессы выражаются в явлениях вулканизма, под которыми понимаются процессы, связанные с перемещением магмы как в верхние слои земной коры, так и на ее поверхность.

Явления вулканизма знакомят человека с матрицей, располагающейся в глубинах земного шара, с её физическим состоянием и химическим составом. Проявления поверхностного вулканизма происходят не повсеместно, а приурочены к определённым участкам земной коры, положение и площадь которых изменялись в ходе геологической истории.

Магма, внедряясь в земную кору, очень часто не достигает поверхности, а застывает где-то на глубине, образуя при этом глубинные, интрузивные горные породы (гранит, габбро и др.).

Явления внедрения магмы в земную кору получили название, глубинного вулканизма, или плутонизма.

Вторым видом эндогенных процессов являются землетрясения, проявляющиеся в определенных участках земной поверхности в виде кратковременных толчков или сотрясений.

Землетрясение возникает при внезапном освобождении энергии, которая долгое время накапливается в результате тектонических процессов относительно локализованных областях земной коры и верхней мантии. При этом происходит разрыв (разлом) сплошности горных пород, иногда на многие десятки километров.

Большинство землетрясений происходит на глубине до 70 км, такие землетрясения называются поверхностными. Землетрясения, которые происходят на глубине от 70 до 300 км, называют промежуточными, а глубже 300 км - глубокими. До сих пор не было зарегистрировано ни одного землетрясения глубже 720 км.

Распределение землетрясений по энергии, по географическим зонам, а также их связь со строением этих зон, т.е. вся эта совокупность характеристик, объединяются понятием сейсмичность.

С 1964 года в странах Европейского союза применяется современная Европейская макросейсмическая шкала (EMS). Шкала MSK - 64 лежит в основе СНиП-11-7-81 «Строительство в сейсмических районах» и продолжает использоваться в России и странах СНГ.

	Сила землетрясения	Краткая характеристика
	Не ощущается.	Отмечается только сейсмическими приборами.
	Очень слабые толчки	Отмечается сейсмическими приборами. Ощущается только отдельными людьми, находящимися в состоянии полного покоя в верхних этажах зданий, и очень чуткими домашними животными.
		Ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика.
	Умеренное	Распознаётся по лёгкому дребезжанию и колебанию предметов, посуды и оконных стёкол, скрипу дверей и стен. Внутри здания сотрясение ощущает большинство людей.
	Довольно сильное	Под открытым небом ощущается многими, внутри домов - всеми. Общее сотрясение здания, колебание мебели. Маятники часов останавливаются. Трещины в оконных стёклах и штукатурке. Пробуждение спящих. Ощущается людьми и вне зданий, качаются тонкие ветки деревьев. Хлопают двери.
		Ощущается всеми. Многие в испуге выбегают на улицу. Картины падают со стен. Отдельные куски штукатурки откалываются.
	Очень сильное	Повреждения (трещины) в стенах каменных домов. Антисейсмические, а также деревянные и плетневые постройки остаются невредимыми.
	Разрушительное	Трещины на крутых склонах и на сырой почве. Памятники сдвигаются с места или опрокидываются. Дома сильно повреждаются.
	Опустошительное	Сильное повреждение и разрушение каменных домов. Старые деревянные дома кривятся.
	Уничтожающее	Трещины в почве иногда до метра шириной. Оползни и обвалы со склонов. Разрушение каменных построек. Искривление железнодорожных рельсов.
	Катастрофа	Широкие трещины в поверхностных слоях земли. Многочисленные оползни и обвалы. Каменные дома почти полностью разрушаются. Сильное искривление и выпучивание железнодорожных рельсов.
	Сильная катастрофа	Изменения в почве достигают огромных размеров. Многочисленные трещины, обвалы, оползни. Возникновение водопадов, подпруд на озёрах, отклонение течения рек. Ни одно сооружение не выдерживает.

Явления землетрясений, так же как и вулканизм, всегда поражали воображение человека. В тех случаях, когда толчки приходились на населенные пункты, землетрясения приносили человечеству значительные бедствия: гибель многих людей, разрушения построек и т.д. Чувствительные сейсмографы ежегодно регистрируют около миллиона землетрясений, одно из них может быть катастрофическим, а около ста - разрушительной силы.

Последствия катастрофического землетрясения в Сан-Франциско, США в 1906 году

Одним из самых ярких проявлений внутренних сил являются складчатые и разрывные деформации земной коры. Эти явления, в большинстве случаев недоступные непосредственному наблюдению, хорошо запечатлелись в характере залегания осадочных пород, слагающих земную кору. Осадки морей и океанов выпадая из воды, ложатся обычно ровными горизонтальными пластами. Вследствие же складкообразования эти горизонтально залегающие пласты оказываются собранными в различного вида складки, а иногда разорванными или надвинутыми друг на друга.

Явление смятия и разрыва пластов способствует образованию возвышенностей и гор, впадин и котловин. Многие ученые приписывали явлению складчатых деформаций главную роль в образовании гор, считая, что породы, сминаясь в складки, вспучивают земную поверхность и образуют возвышенности. Этот процесс получил название орогенеза («орос» по-гречески возвышенность, «генез» - образование). В настоящее время установлено, что в образовании гор колебательные движения играют не меньшую роль, чем складчатые, поэтому термин «орогенез», утратив свое первоначальное значение, стал употребляться реже.

Складчатые деформации проявляются только в определенных, наиболее подвижных и наиболее проницаемых для магмы участках земной коры, именуемых геосинклиналями. В противоположность им устойчивые, со слабой тектонической активностью, области называются платформами.

Складчатые деформации, землетрясения и особенно вулканизм способствуют существенному изменению горных пород, слагающих земную кору. Вследствие сдавливания они становятся более плотными и твердыми, а под действием высокой температуры обжигаются и даже переплавляются. Действие паров и газов, выделяемых из магмы, способствует образованию в горных породах новых минералов. Все эти явления преобразования горных пород под действием эндогенных процессов носят название метаморфизма.

Экзогенные геологические процессы протекают в самых верхних частях земной коры или на ее поверхности и обусловлены лучистой энергией Солнца и силой тяжести.

Геологические агенты:

1. Выветривание.

2. Геологическая деятельность ветра.

3. Поверхностные воды:

а. дождевые и талые воды,

б. временные водотоки,

в. постоянные водотоки – реки,

г. озера, болота,

д. Мировой океан.

4. Подземные воды.

5. Геологическая деятельность ледников.

6. Геологическая деятельность человека (антропогенный фактор).

Виды работ, совершаемые геологическими агентами:

· разрушающая,

· транспортирующая,

· аккумулирующая.

Денудация – это совокупность процессов разрушения горных пород и переноса продуктов разрушения, вызванных и осуществляемых внешними геологическими агентами.

Денудация: площадная и локальная. Результат денудации:

· общее сглаживание рельефа местности,

· формирование денудационных равнин – пенепленов.

Выветривание

Выветривание – разрушения горных пород на месте их выхода под действием физических и химических процессов (колебания температуры, влажности, механические виды разрушения, взаимодействие каменных масс с активными химическими веществами: вода, кислород, углекислый газ, органические кислоты).

Иногда процессы действуют комплексно, иногда по отдельности. В зависимости от преобладания тех или иных процессов различают физическое, химическое и биологическое выветривание.

Продукты выветривания:

· элювий – продукты выветривания, которые остаются на месте своего образования (современные образования). Мощность от 1миллиметра до десятков метров.

· делювий - продукты выветривания (обломочный материал), перенесенный вниз по склону талыми и дождевыми водами. Залегает в виде шлейфа по склону у подножия. Характерна сортировка обломков и параллельная склону слоистость.

· коллювий - обломочный материал, перенесенный вниз по склону за счет силы тяжести. Характерно отсутствие окатанности и сортировки, образование осыпей в местах с расчлененным горным рельефом.

Кора выветривания – совокупность всех продуктов выветривания, как оставшихся на месте, так и перемещенных, но не потерявших связь с материнской породой. Мы могли наблюдать линейную кору выветривания, представленную очень светлыми, кремовыми, с розоватым оттенком породами, в которых явно просматривается первичная порфировая структура.

Почва – слой коры выветривания, обогащенный гумусом. По возрасту выделяют древнюю (обычно перекрыта более молодыми породами, источник полезных ископаемых) и современную почву. Мы наблюдали черноземные почвы по ходу маршрута №1 в т.н. 2 вблизи кладбища.

Физическое выветривание

Физическое выветривание вызывается разнообразными факторами. В зависимости от природы воздействующего фактора характер разрушения горных пород при физическом выветривании различен. В одних случаях процесс разрушения происходит внутри самой горной породы без участия внешнего механически действующего агента. Сюда относится изменение объема составных частей породы, вызываемое колебаниями температуры. Такое явление называется температурным выветриванием. В других случаях горные породы разрушаются под механическим воздействием посторонних агентов. Такой процесс может быть условно назван механическим выветриванием.

Механическое выветривание происходит под механическим воздействием посторонних агентов. Особенно большое разрушительное действие оказывает замерзание воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, а потом замерзает, она увеличивается в объеме на 9-10%, производя при этом огромное давление. Такая сила преодолевает сопротивление горных пород на разрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Наиболее интенсивное расклинивающее действие производит замерзающая вода в трещинах горных пород. Такое же механическое воздействие на горные породы оказывает корневая система деревьев и роющие животные.

Дезинтеграцию пород вызывает так же рост кристаллов в капиллярных трещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях сухого климата, где днем при сильном нагревании капиллярная вода подтягивается к поверхности испаряется, а соли, содержащиеся в ней кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов капиллярные трещины разрушаются, что приводит к нарушению монолитности горной породы и ее разрушению.

Химическое выветривание

Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания всегда в той или иной степени сопутствует химическое выветривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль. Это отражает тесную взаимосвязь различных форм единого процесса выветривания. Главными факторами химического выветривания являются:

· газы атмосферы: вода, кислород, углекислота,

· органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура, и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям.

Химическое выветривание происходит комплексно и всегда сопровождается коренным изменением состава минералов и замещением их новыми, в отличие от физического выветривания, при котором химический состав горных пород остается неизменным.

К процессам химического выветривания относятся окисление, гидратация, растворение и гидролиз.

Окисление

Окисление – переход одних соединений в другие, сопровождающийся присоединением кислорода.

Процессы окисления наиболее интенсивно протекают в минералах, содержащих закисные соединения железа, марганца и других элементов. Так, сульфиды в кислотной среде становятся не устойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, окислами и гидроокислами. Направленность этого процесса можно схематически изобразить следующим образом:

FeS 2 + nO 2 + mH 2 O → FeSO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 → Fe 2 O 3 ∙ H 2 O

пирит сульфат сульфат бурый железняк

закиси окиси (лимонит)

железа железа

Примером проявления физического и химического выветривания может послужить т.н. 9 – это обнажение кварцевых альбитофиров на левом берегу р. Шаты в 150 метрах от её устья вверх по течению. Кварцевые альбитофиры - это светло­-серые в свежем сколе породы, по трещинам сильно ожелезненные. Трещин настолько много, лимонита и гематита по трещинам тоже очень много, поэтому в целом всё обнажение выглядит не светло-серым, а ржаво-рыжим. Кварцевые альбитофиры – это стекловатые породы с большим количеством (до 2-3%) пирита (фото 3.1.1).

Фото 3.1.1. Физическое и химическое выветривание

Основные агенты здесь: сезонные и суточные колебания температуры, воздействие метеорных вод (дождевых), паводковых вод, действие солнечных лучей, расклинивающая деятельность корневой системы растений, окисление пирита, возникновение серной кислоты при преобразовании пирита и другие.

Гидратация

Гидратация – процесс поглощения или присоединения воды к минералам и образования новых водных соединений, который сопровождается увеличением объема породы и уменьшением плотности, при этом кристаллическая решетка не разрушается (гипс ↔ ангидрид).

Растворение

Растворение связано с воздействием на породы воды, в которой растворены активные ионы (Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Cl - , SO 4 2- , HCO 3-). С растворением связано образование карстовых пещер.

Гидролиз

Гидролиз – процесс обменного разложения минералов под влиянием воды и углекислоты.

Биологическое выветривание

В сложных процессах химического разложения минералов и горных пород велика роль биосферы.

Разрушению пород способствуют разнообразные животные. Грызуны роют значительное количество нор, рогатый скот вытаптывает растительность, а черви и муравьи разрушают поверхностный слой почвы. Особенно сильно разрушение ведется микроорганизмами. Деятельность корневой системы деревьев не однозначна, она разрушает горную породу, а так же удерживает ее своими корнями.

Так, в т.н. 14 маршрута №2, расположенной на правом склоне долины р. Шата можно видеть небольшой овраг, рассекающий склон. Правый склон оврага закреплён корневой системой сосен. Густое переплетение корневой системы сдерживает рост оврага (фото 3.1.2).

Фото 3.1.2. Закрепляющая деятельность корневой системы сосен

3.3. Гравитационные и водно-гравитационные процессы

Гравитационные процессы - это процессы, происходящие за счет силы гравитации. Происходит сортировка обломков на склоне по принципу, чем больше и тяжелее обломок, тем ниже по склону он будет находиться.

Водно-гравитационные процессы - это процессы, совершенные водой под действием силы гравитации, например оползни.

Оползень - перемещение грунтовых или земляных масс по склону под действием силы тяжести, связанное в большинстве случаев с деятельностью подземных вод. Оползшую массу называют оползневым телом, а поверхность, по которой происходит передвижение его вниз - поверхностью скольжения или поверхностью смещения. Самой распространенной формой оползня является грязевой оползень, или обвал. Иногда его следы можно заметить на подмытом рекой обрывистом берегу, где пласт грунта отделился от основы. Крупный оползень способен привести к значительным изменениям рельефа.
При оползнях гравитация заставляет твердые породы сползать вниз по склону, изменяя рельеф местности. Основную массу оползня составляют обломки горных пород, образовавшиеся в результате выветривания. Вода действует как смазка, уменьшая трение между частицами.

Иногда оползни движутся медленно, а иногда со скоростью до 100 м/сек. и более (обвалы). Самый медленный оползень называют крипом. За год он проползает всего несколько сантиметров, и заметить его можно только через несколько лет, когда стены построек, заборы и деревья склонятся под напором ползущей земли.

Примером крипа может послужить маршрута №5 (фото 3.3.1). Он расположен в устье Гематитового оврага в 30 метрах от нашего лагеря в правом борту р. Шата. Здесь мы наблюдали так называемый «пьяный лес», который является признаком оползня.

Фото 3.3.1. Крип

Перенасыщенность почвы или глины водой может вызвать грязевой поток, или сель. Бывает, что земля годами прочно держится на месте, но достаточно небольшого подземного толчка, чтобы обрушить ее вниз по склону.

В горной местности оползшая вниз масса образует пологий склон у подножия горы. Многие горные склоны покрыты длинными языками щебнистых осыпей.

Эрозионные процессы

Эрозия - разрушение горных пород и почв под действием геологических агентов (водные потоки, ветер), включающее в себя отрыв и вынос обломков материала и сопровождающееся их отложением.

На первых этапах развития речных долин, а также в верхней части русла эрозионная деятельность наиболее активно проявляется. Выделяют два главных вида движения воды: ламинарное и турбулентное. Существует два типа речной эрозии: донная и боковая.

Донная эрозия, ведущая к углублению речной долины, преобладает в начале развития речной долины и всегда сочетается с пятящейся эрозией. Объясняется это тем, что, при одинаковом уклоне русла (а значит и скорости течения) в низовьях и верховьях, в силу большей массы воды близ устья здесь и эрозия будет максимальна. Следовательно, выработка профиля равновесия происходит от устья к истоку. В результате вертикальных движений земной коры и разной прочности размываемых пород в русле могут возникать пороги и водопады, которые получают рольместных (локальных) базисов эрозии. Относительно них река разбивается на самостоятельно развивающиеся участки, и единый для всего русла профиль равновесия сформируется только после срезания местных базисов эрозии. Вследствие донной эрозии возникает V-образный поперечный профиль речной долины. Такой профиль мы наблюдали по ходу маршрута у р. Ключ, р. Усолки (поперечный профиль с крутыми бортами) и р. Шаты, где профиль долины V-образный, в основном с крутыми бортами, но с невыработанным продольным профилем (рис. 3.4.1).

Рис. 3.4.1. V-образный поперечный профиль р. Ключ в среднем течении.

Боковая эрозия, заключающаяся в размыве берегов, наибольшее развитие получает в поздние этапы жизни речной долины, когда с приближением к профилю равновесия уменьшится скорость течения в нижней и средней частях русла. Основными причинами ее возникновения являются турбулентность течения и ускорение Кориолиса. Благодаря боковой эрозии русло изгибается, появляются излучины. Вогнутые берега излучин активно размываются, дно под ними углубляется. Близ противоположного выпуклого берега скорость потока минимальна, поэтому здесь происходит отложение переносимого рекой материала и формируются прирусловые отмели. Под действием боковой эрозии речная долина расширяется, ее поперечный профиль приобретает U-образную форму. U-образный поперечный профиль имеет р. Пышма, а возле плотины мы наблюдали боковую эрозию, в этом месте река изгибается (фото 3.4.1).

Фото 3.4.1. р. Пышма

Речная эрозия играет ведущую роль в образовании пенеплена - практически ровная, местами слабовсхолмлённая поверхность (денудационная равнина), которая образовывалась в результате разрушения старых гор длительной эрозией, называемой денудацией. (фото 3.4.2)

Фото 3.4.2. Пенеплен

Овражная эрозия – процесс линейного размыва временными водными потоками поверхности склонов, берегов рек, приводящий к образованию и развитию оврагов и расчленению ими территории. Зарождение оврага чаще всего происходит на перегибах склона и в нижней его части. Овражная эрозия в первом случае распространяется регрессивно (вверх по склону) и трансгрессивно (вниз по склону). При зарождении оврага в нижней части склона овражная эрозия распространяется только регрессивно; если овраг возник в верхней части склона, то преобладает трансгрессивная овражная эрозия. Бурное развитие овражной эрозии обусловливает быстрый рост оврага в длину и глубину и формирование отвершков.

Во время нашей практики в крутой излучине р. Шаты мы наблюдали смену растительности и овраг на границе этой смены. Также на правом берегу р. Шаты рядом с нашим лагерем мы видели овраг Гематитовый с двумя отвершками, заросший травой. Иногда на склонах растут сосны, корни которых сдерживают рост оврага. Рядом с автомобильным мостом через р. Пышму недалеко от Автозаправочной станции (АЗС) хорошо наблюдалась разрушающая работа временных водных потоков, которые размывали породу вдоль грунтовой дороги, образуя узкий каньон. При дальнейшем воздействии этот каньон может преобразоваться в овраг.

Тема 4. Экзогенные геологические процессы.

Выветривание как процесс разрушения и изменения горных пород и минералов. Типы выветривания и их агенты.

1.1.Физическое или механическое выветривание. Агенты: солнечная радиация, температурные колебания, трение, лёд, вода и ветер, земное притяжение.

1.2.Химическое выветривание. Агенты: вода, углекислый газ и кислород.

1.3.Биологическое выветривание. Агенты: живые организмы в т. ч. человек.

Кора выветривания – элювий. Продукты выветривания: обломки горных пород различных форм и размеров.

Процессы выветривания и образование почв.

Осадочные процессы. Денудация (удаление), транспортировка (перенос), седиментация (осаждение, накопление).

Геологическая деятельность ветра. Эоловые процессы. Корразия. Барханы, дюны. Геологическая деятельность поверхностных текучих вод. Эрозия почв. Пролювий. Овраг. Балка. Речной аллювий. Геологическая деятельность подземных вод. Карстовые процессы. Спелеология. Геологическая деятельность ледников. Морена. Геологическая деятельность океанов и морей. Абразия побережья. Геологическая деятельность биоорганизмов и человека. Формы антропогенного рельефа. Геологическое воздействие Космоса. Кометы. Метеориты. Силы притяжения Луны и Солнца.

Вопросы с ответами для участников геологической школы

Для обучающихся 5-6 классов

В какой части планеты Земля действуют экзогенные процессы?

На поверхности Земли. (1 б).

Какому типу выветривания и какому его агенту соответствуют такие геологические явления, как оползень, обвал, движение с гор ледников?

Тип выветривания – физическое или механическое (1 б). Агентом, вызывающим оползни и пр., является земное притяжение (1 б) (= сила тяжести).

Как микроорганизмы разрушают горные породы?

Микроорганизмы выделяют в процессе жизнедеятельности органические кислоты, которые могут растворять поверхности пород, т. е. разрушать их (1 б).

На картине «Сосновый бор на берегу реки» мы видим в русле валуны, гравий, песок. На территории Тульского края такой ландшафт можно отыскать, например, в Заокском, Белёвском, Суворовском, Алексинском, Ясногорском и других районах. Какие факторы выветривания способствовали геологическому процессу накопления и проявления впоследствии данных пород?

В четвертичный период со Скандинавии ледник принес в своём теле разрушенные горные породы на территорию Тульского края. Здесь при таянии льда они остались в виде морены (1 б). Современные реки и ручьи размывают морену и мы видим валуны, гравий, песок. (1 б).

Вот так с помощью лотка моется золото. А как оно попадает в реки? Как называются речные отложения, в которых его предпочтительнее искать?

Одним из источников золота на земле являются кварцевые жилы, содержащие золото. Эти жилы образовались сотни миллионов лет тому назад и с тех пор подвергались выветриванию под действием тепла и холода, растений и животных, дождя и ветра, снега и льда. В результате богатые золотоносные жилы разрушились, кварцевая порода с золотом была смыта водой в реки (1 б). Мощные потоки воды во время сильных дождей создают непрерывное движение камней, разбивая и окатывая их и сортируя по размерам, формам и плотности. Золото, будучи значительно тяжелее многих других материалов, имеет тенденцию откладываться в определенных местах по движению потока. Такие отложения называются аллювиальными (1 б).

Это известный кратер на нашей планете Земля, но не вулканического происхождения, а какого?

Метеоритного (1 б).

Для обучающихся 7-8 классов

Какие геологические явления происходят из-за земного притяжения?

Оползни, обвалы, осыпи, лавины в горах, двигаются с гор ледники. (до 5 б). Плоскостной смыв и склоновая эрозия (осуществляются деятельностью текучих вод, подчиненных действию силы тяжести). (+2 б)

Какие геологические явления происходят из-за солнечного и лунного притяжения?

Луна и Солнце вызывают приливы и отливы в морях и океанах. (2 б). Земная кора приподнимается на несколько сантиметров в эти часы. (1 б).

Как происходит химическое выветривание, например, такой породы как известняк?

Агентами химического выветривания являются: вода, углекислый газ и кислород. Из них в атмосфере образуется угольная кислота, которая при взаимодействии с известняком изменяет его. (1 б).

Что такое кора выветривания? Где располагается нижняя граница коры выветривания в ? Можно ли считать осадочный чехол пород корой выветривания?

Кора выветривания – это толща материнских пород верхней части литосферы (магматических, метаморфических или осадочных), преобразованных в континентальных условиях различными агентами (факторами) выветривания. От коренных пород отличается рыхлой структурой и химическим составом (1 б).

За нижнюю границу коры выветривания следует принимать уровень грунтовых вод в данной местности (1 б). Корой выветривания можно считать осадочный чехол пород (1 б).

Каким номерам фотографий соответствуют изображения следующих скоплений обломков горных пород: пролювий, делювий, осыпь, аллювий, курумы?

Пролювий (1,2) – скопления обломков пород, возникающие на склонах гор, в области конусов выноса и в устьевых частях горных оврагов в результате деятельности повторяющихся ливневых водотоков (до 2 б).

Делювий (3) – скопление рыхлых продуктов выветривания горных пород на склонах гор и возвышенностей. Делювий отличается от элювия тем, что его составные части не находятся на месте первоначального образования, а сползли или скатились под действием силы тяжести вниз. Все склоны покрыты более или менее толстым слоем делювия(1 б).

Осыпь (3,4) – скопление на склонах гор, холмов или у подножий скал обломков горных пород различного размера (до 2 б).

Курум (5) – скопление крупнообломочного каменного материала, медленно передвигающегося вниз по склону (1 б).

Аллювий (6) – обломочный материал, перенесенный и отложенный речным потоком (1 б).

Элювий – обломки, упавшие и накапливающие на ровных горизонтальных поверхностях.

На рисунке классификация типов скоплений: I– аллювиальные; II – делювиальные; III – элювиальные; 1 – русловые; 2 - косовые; 3 – долинные; 4 – террасовые;

Где образуются запасы песка? Когда они становятся дюнами, а когда барханами? Какие факторы выветривания участвуют в формировании барханов в пустынях и дюн на побережье морей?

Ответ:

Вода рек течёт к пониженным участкам рельефа, где образуются (озёра, моря). Течением воды переносятся разрушенные горные породы, в частности песок. В устье рек, на дне и в прибрежных участках водоёмов песок накапливается (1 б). В случае высыхания водоёма (озера или моря) полностью, образуется открытые запасы песка. Солнце (1 б) высушивает песок, ветер (1 б) переносит его на расстояние и откладывает заново в виде барханов. На берегах морей образуются дюны. Водой (1 б), волнами прибоя, песок выбрасывается на берег. Солнце (1 б) высушивает песок, ветер (1 б) переносит его на расстояние и откладывает заново в виде береговых дюн.

Для обучающихся 9-11 классов

Какие условия необходимы для схода оползня? Приведите примеры объёмных оползневых явлений в Тульской области.

Породы должны располагаться на склоне (1 б). Под пластом породы д. б. водоупорный слой, выходы воды, способствующие скольжению наклонённых пород (1 б). Крупные оползни на территории Тульской области происходят в долинах рек Оки, Упы, Беспуты, Вашаны; в овражно-балочной сети в Алексинском, Богородицком, Ясногорском, Ленинском и Щекинском районах (по 1 б, но не более 5 б). В книге В. Васильева и В. Федотова «Земля тульская» (Приокское книжное издательство. Тула. 1979) говорится о том, что оползневоактивными являются районы: Алексинский, Щекинский, Ясногорский, Ефремовский, Ленинский. К примеру, газета « Коммерсант» от 24. 04. 1999 г. сообщила о девяти оползнях в Белевском районе, причиной которых стал весенний паводок. Их размеры колебались от двух метров до километра, Без жилья остались 12 жителей Белева, так как оползень разрушил два дома на берегу подземной речки Белевки. Годом раньше оползень создал угрозу для трех домов в городе Липки Киреевского района. 01. 09. 2007 г. телеканал «Культура» сообщил об остановке оползня в на территории музея в Заокском районе области. Пришлось укреплять берег Оки с применением , убирая опасную породу склона и насыпая водопроницаемый песок. По сообщению регионального центра государственного мониторинга состояния недр по ЦФО РФ, в 2005 году на участке автодороги Богородицк - Товарково - Куркино вследствие развития оползня было разрушено полотно и насыпь. В 2007 г. в окрестностях Богородицка снова произошло два оползня, один протяженностью 200, а другой - 300 м. (в четырех километрах от Богородицка вновь началось движение грунта… В года здесь произошло два оползня протяженностью 200 и 300 метров... под угрозой оказалась система города). В2006 г. вновь отмечен оползень в г. Белев Тульской области. Участники экспедиции Академии Фундаментальных наук в Белевском районе утверждают, что древнее городище у деревни Рука наполовину уничтожено оползнем техногенного происхождения и ныне представляет собой рассеченный пополам овал из оплывших валов высотой 1 - 2,5 м. Оползни не обязательно представляют собой рыхлую глинисто - песчаную массу. На правобережье Оки у сел Троицкое, Вешняково, Коровино еще двадцать лет назад отмечено оползание коренных известковых пород, Оторвавшиеся глыбы известняка напоминают эрозионные останцы куполовидной формы. Относительно подошвы эти холмы поднимаются на 3 - 5 м. Многие туристы утверждают, что в овраге неподалеку от с. Монастырщина Кимовского района, близ впадения Непрядвы в Дон находится площадка, сформированная древним оползнем. 2008 года в печати появились сообщения о том, что при проведении на территории завод строительного кирпича», при монтаже трубопровода произошел оползень грунта в котловане, при котором один человек погиб. На юго-западной окраине Тулы стоит незаселенный многоэтажный жилой дом, поскольку грунты, на которых он был построен поползли вниз к основанию балки. Практически, в большей или меньшей степени оползни происходят по всей территории области.

Объясните причину запаха марказита, учитывая происходящие с минералом экзогенные преобразования. Какой новый минерал коричневого цвета образуется при этом на поверхности? Напишите уравнение химической реакции.

При химическом выветривании происходит реакция окисления. Так, при окислении марказита кислородом воздуха образуется сернистый газ (двуокись серы) (1 б), который придаёт запах марказиту. В течение времени изменяется цвет поверхности марказита из-за образования на его поверхности корочки нового минерала коричневого цвета – лимонита (1 б) (оксида железа).

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 (1 б)

марказит + кислород = лимонит + сернистый газ

Почему почвы Тульской области в северо-западной её части малоплодородны (см. карты для формулирования ответа)?

Карта почв Тульской области Карта растительности Карта оледенений: I – Лихвинского и II - Днепровского

В северо-западной половине Тульской области почвы не столь плодородны потому, что на их образование оказали ледниковые отложения, бедные органикой (1 б).

Почвы любые, в т. ч. и тульские, создаются многими столетиями. Вода, ветер, ледники, переносят рыхлые и растворимые продукты. Одновременно с разрушением идёт и процесс накопления, или аккумуляция продуктов разрушения. Эти рыхлые осадки заселяют микроорганизмы, растения, животные. Далее в смеси рыхлых осадков начинает накапливаться органика, которая характеризует плодородие почвы. Чем больше в почве органических остатков, тем она плодороднее.

Различные типы почв Тульской области сформировались на определенных почвообразующих породах четвертичного периода. Почвообразующие породы оказывают большое влияние на происхождение и свойства почв. На валунных песках и моренных суглинках образовались дерново-подзолистые почвы; на тяжелых бескарбонатных покровных и частично моренных суглинках серые лесостепные; на карбонатных лессовидных суглинках черноземы.

Дерново-подзолистые (более 16 %) и серые лесные почвы (39,4 %) площади Тульской области распространены, главным образом, по правобережью Оки и ее притока Упы Они сформировались под смешанными лесами на древне-речных, водно-ледниковых супесчаных и суглинистых почвообразующих породах.

Чернозёмы Тульской области составляют 46,4 % ее территории. Их образование шло в результате отмирания густого покрова травянистой растительности, увеличения солнечной радиации и испаряемости при уменьшении атмосферных осадков. http://info. senatorvtule. ru

Значительное влияние на формирование современного рельефа Тульской области оказывает человек в процессе своей хозяйственной деятельности. С древнейших времен дошли до нас курганы, оборонительные валы, городища. Какие новые формы антропогенного рельефа можно увидеть в Тульской области? В какой части Тульской области в результате хозяйственной деятельности человека мало что сохранилось от природной поверхности?

В наши дни появились новые формы антропогенного рельефа: угольные копи, карьеры, терриконы, тоннели и пр., (до 5 б) возникшие при участии мощной горной техники. Обилие антропогенных форм рельефа в Тульской области сосредоточено в четырехугольнике городов Тула - Щекино - Богородицк - Кимовск, где практически от природной поверхности мало что сохранилось. (до 5 б) (Недра Тульской области, с. 93-95).

Что вызывает абразию – разрушение берегов морей и океанов (см. рисунок)?

Ударная сила волн, трение песка и гальки (камней) о скальные прибрежные массивы, химическое воздействие морской воды (до 3 б).

Какие формы рельефа имеют место в Тульской области при карсте?

Карст на территории области наблюдается в различных формах: провальные воронки (поноры), котловины, балки, карстовые озера, исчезающие речки, карстовые западины, ниши и подземные пустоты (до 8 б).