Введение. Курс лекций по дисциплине «геология»

Т.Н. ЧОРНАЯ

Курс лекций по дисциплине «Геология»

ЧЕРЕПОВЕЦ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………….4

Глава 1. Программа курса инженерная геология………………………...6

Глава 2. Общая характеристика и вещественный состав земли………...8

2.1. Форма и размеры Земли………………………………………………8

2.2. Оболочка земного шара……………………………………………....9

2.3. Физические свойства Земли…………………………………………13

2.4. Химический состав Земли…………………………………………...15

2.5. Оценка воздействия окружающей среды на литосферу…………..17

Глава 3. Сведения о минералах…………………………………………..29

3.1. Минералы и их происхождение……………………………………..29

3.2. Строение и свойства минералов…………………………………….30

3.3. Физические свойства минералов……………………………………32

3.4. Классификация минералов…………………………………………..36

Глава 4. Общие сведения и классификация горных пород…………….39

4.1.Условия образования горных пород…………………………………39

4.2. Классификация горных пород……………………………………….43

4.3. Магматические горные породы……………………………………...48

4.4. Осадочные горные породы…………………………………………...52

4.5. Метаморфические горные породы…………………………………...60

4.6. Макроскопический метод определения горных пород……………..61

Глава 5. Гидрогеология……………………………………………… …65

5.1. Происхождение подземных вод……………………………………...66

5.2. Классификация подземных вод………………………………………68

5.3. Физические свойства подземных вод………………………………..69

5.4. Геологическая работа подземных вод…………………………….....69

5.5. Приток воды к водозаборным сооружениям………………………..71

Глава 6. Природные геологические и

инженерно-геологические процессы……………………………… 85

6.1. Виды выветривания………………………………………………….85

6.2. Геологическая деятельность текучих вод…………………...……..87

6.3. Типы ледников и оледенение……………………………...………..90

6.4. Геологическая роль болот и озер……………………………...……92

6.5. Геологическая деятельность моря…………………………………..94

6.6. Оценка воздействия окружающей среды на

поверхностные воды…………………………………………………95

6.7. Оценка и прогноз антропологических аспектов…………………...101

Библиографический список…………………………………………….. 106

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с учебным планом дисциплина «Геология» изучаются студентами направления 270100 - Строительство (бакалавриат).

Изучение науки геология направлено на решение двух основных практических задач:

1. Выявление, промышленная оценка и полное комплексное использование горных пород и грунтов.

2. Изучение и оценка геологических условий строительства различных сооружений.

Потребность в минеральных ресурсах неуклонно возрастает и в связи с этим резко усиливается влияние на всю биосферу Земли. К этому следует добавить возрастающую потребность человечества в воде. В биосфере Земли происходят глубочайшие изменения, последствия которых непосредственно или косвенно влияют на здоровье человека и на всю окружающую среду в целом. Это естественно привлекает внимание деятелей науки и техники разных направлений, государственных и общественных организаций, все более широких слоев населения.

В связи с этим понятно, что для успешной работы в области экологической экспертизы и оценке влияния окружающей среды специалисты должны свободно ориентироваться во всех проблемах и аспектах, функциях, процедурах и методах, объектах и субъектах конкретной хозяйственной деятельности и экологических последствиях ее воздействий на элементы окружающей среды и здоровье человека, а также владеть знаниями материалов законодательно-правовой и нормативной базы, на которой основаны организационно-процедурные принципы и правила экологической экспертизы и ОВОС.

Курс в целом также может быть использован в структуре профессиональной переподготовки и повышения квалификации кадров государственных служащих.

Глава 1. ПРОГРАММА КУРСА ГЕОЛОГИЯ.

1.1 ВВЕДЕНИЕ.

В нашей стране в больших масштабах ведется капитальное строительство. Объем капиталовложений для развития ведущих отраслей промышленности, жилищного строительства возрастает с каждым годом. В связи с этим повысилось значение быстрого, правильного и экономически обоснованного проектирования, невозможного без широкого применения тщательных инженерно-геологических исследований, дающих основной материал о природных условиях территорий, в пределах которых планируется строительство.

1.2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ.

Характеристика основных породообразующих минералов. Физические свойства минералов. Основные сведения о горных породах. Классификация. Свойства (магматических, осадочных, метаморфических горных пород). Элементы грунтоведения. Инженерно-геологические свойства горных пород. Тектонические движения земной коры.

1.3. ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ.

Виды подземных вод и их характеристика. Режим грунтовых вод. Основной закон движения подземных вод. Учет притока воды к водозаборам, скважинам, строительным котлованам. Борьба с грунтовыми водами.

1.4. ПРИРОДНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ.

Процессы выветривания и геологическая деятельность ветра. Геологическая деятельность текучих поверхностных вод. Геологическая деятельность морей, озер и болот. Геологическая деятельность ледников. Движение горных пород на склонах рельефа и в строительных котлованах. Явления карст, плывуны. Мерзлота.

1.5. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ.

Методы инженерно-геологических изысканий. Инженерно-геологические изыскания для различных видов строительства. Поиск и разведка строительных материалов и источников водоснабжения.

Глава 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ

2.1. ФОРМА И РАЗМЕРЫ ЗЕМЛИ

Современные представления о форме и размерах Земли по­явились не сразу. Так, древние индийцы представляли Землю в виде плоскости, лежащей на спинах слонов. А вавилоняне изображали Землю в виде круглой горы, окруженной морем, на которое, как опрокинутая чаша, опирается твердое небо. Древние греки, судя по поэмам Гомера «Одиссея» и «Илиада», представляли Землю в виде слегка выпуклого диска, обтекае­мого со всех сторон рекой — Океаном. А над Землей, по их представлениям, находится медный небосвод, по которому дви­жется Солнце, поднимаясь ежедневно из вод Океана на во­стоке и погружаясь в них на западе.

Впервые к выводу о шарообразности Земли пришел древ­негреческий ученый Пифагор (ок. 580—500 до н. э.) в 530 г. до н. э. А научно доказал это Аристотель (384—322 до н. э.) в IV в. до н. э. Он говорил, что если бы Земля не имела форму шара, то тень, которую она отбрасывает на Луну при ее затме­нии, не была бы ограничена дугой окружности. Во II в. до н. э. древнегреческий ученый Эратосфен Киренский (ок. 276—«194 до н. э.) впервые сравнительно точно определил средний ради­ус земного шара.

На рубеже XVII—XVIII вв. английский ученый И. Ньютон (1643—1727) доказал, что Земля не может иметь форму точ­ного шара. По расчетам Ньютона Земля вследствие вращения вокруг своей оси и преобладания в связи с этим у экватора действия центробежной силы над силой тяжести должна при­нять форму эллипсоида вращения, сжатого у полюсов. Это под­твердилось впоследствии. Но в действительности, поверхность Земли существенно отличается от поверхности идеального эл­липсоида вращения. Она имеет крупные неровности, амплитуда которых достигает 20 км. Например, вершина Гималаев — гора Джомолунгма — имеет высоту 8848 м над уровнем моря, а глубина Марианской впадины в Тихом океане равна 11 034 м. По сравнению с размером всей Земли эти неровности являют­ся очень незначительными. Поэтому обычно ими пренебрегают и ограничивают геометрическую фигуру Земли поверхностью океана, мысленно распространенной на всю Землю.

Такая фигура называется геоидом. Она характеризуется двумя размерами: большой, или экваториальной, полуосью (6378246 м) и малой, или полярной, полуосью (6356863 м). Отношение разности между большой и малой полуосями к большой полуоси называется полярным сжатием, или сплю­щенностью Земли. Оно равно 1: 298,3.

Площадь поверхности Земли составляет около 510 млн. км², а объем — 1083 млрд. км³. Длина земного меридиана равна 40 008,6 км, длина экватора — 40 075,7 км.

2.2. ОБОЛОЧКИ ЗЕМНОГО ШАРА

Земной шар состоит из воздушной (атмосфера), водной (гидросфера), каменной (литосфера, или земная кора) и про­межуточной (мантия) оболочек. В центре Земли выделяется земное ядро. Каждая из оболочек характеризуется определенным химическим составом и физическим состоянием. Нижней границей атмосферы (греч. атмэ — воздух и сфе­ра — шар) является поверхность суши и воды, а верхняя ее граница условно проводится на высоте 2000 км. Атмосфера со­стоит из механической смеси в основном азота (78,03%) и кис­лорода (20,99%) с небольшим количеством аргона (0,94%), углекислого газа (0,03%) и ничтожного количества паров во­ды, инертных газов, озона, аммиака и других газов, а также пылевидных частиц.

Гидросфера (греч. гидор — вода) представляет собой сово­купность всех природных вод — морей, океанов, рек и озер, покрывающих 70,8% земной поверхности, а также подземных вод, насыщающих горные породы.

Земная кора, промежуточная оболочка и ядро Земли выде­лены в основном по результатам изучения распространения внутри Земли упругих колебаний. При естественных землетря­сениях или искусственных сотрясениях Земли (путем взрыва) частицы горных пород испытывают упругие колебания. Эти ко­лебания, называемые сейсмическими волнами, возникают в очаге землетрясения или взрыва и передаются затем с опре­деленной скоростью во все стороны. Различают продольные, поперечные и поверхностные сейсмические волны.

Продольные волны возникают в жидкой и газообраз­ной средах как следствие их реакции на внезапное изменение объема. Частицы вещества в них колеблются в плоскости, со­впадающей с направлением движения волны. Скорость рас­пространения продольных волн достигает 5—8 км/сек. Попе­речные колебания частиц возникают в результате изме­нения формы среды. Они происходят в плоскости, перпендику­лярной направлению движения упругой волны. Жидкости и газы формы не сопротивляются. Поэтому поперечные волны могут распространяться только в твердом веществе. Скорость распространения их обычно 3—5 км/сек. Поверх­ностные волны могут возникнуть, например, у поверхности раздела двух таких различных по упругим свойствам сред, как земля и воздух или вода. По мере удаления от этой поверхно­сти они быстро затухают. Скорость распространения поверх­ностных волн 3—4 км/сек.

Если бы Земля состояла до самого ядра из однородного ве­щества, то скорость распространения упругих колебаний с глу­биной не изменялась бы и была всюду одинаковой. В действи­тельности сейсмические (Волны, распространяясь от пункта взрыва в глубь Земли, встречают на различной глубине грани­цы раздела неоднородных по составу сред. Частично отражаясь от них, как от экрана, одни волны возвращаются на по­верхность Земли. Такие сейсмические волны называются от­раженными. Другие сейсмические волны, преломляясь на по­верхности раздела сред с различными упругими свойствами, проходят затем далее в глубь Земли. Такие волны называют­ся преломленными. Они могут, в свою очередь, отразиться за­тем от более глубокой границы.

Возвратившиеся к земной поверхности отраженные и пре­ломленные волны записываются в виде графиков—сейсмограмм на специальных сейсмических станциях. Обработка этих сейсмограмм позволяет определить глубину залегания границ, отражающих и преломляющих сейсмические волны. В некото­рых случаях можно получить также данные о свойствах гор­ных пород, через которые проходили сейсмические волны.

Неравномерная скорость прохождения сейсмических волн по разрезу Земли привела ученых к мысли о неоднородном, слоистом строении земного шара. Предполагается, что это обусловлено различной плотностью глубинного вещества Зем­ли. На этом основании, в частности, проводится граница меж­ду земной корой и мантией.

Земная кора, или литосфера (греч. литос — камень), — это твердая каменная оболочка Земли. Толщина ее составляет менее 1% земного радиуса и колеблется от 5—10 км в океанах до 70—80 км на материках. По скоростям распространения сей­смических волн в земной коре выделяют три слоя — осадоч­ный, «гранитный» и «базальтовый», различающиеся химиче­ским составом и физическими свойствами слагающих их гор­ных пород.

Верхний, осадочный слой сложен продуктами разру­шения пород среднего слоя, условно названного «гранитным». Он покрывает почти всю поверхность Земли. В наиболее по­груженных прогибах земной коры толщина осадочного слоя достигает 20—30 км, а в пунктах выхода на поверхность Земли гранитных пород уменьшается до нуля.

Средний слой земной коры назван «гранитным» потому, что скорость прохождения через него сейсмических волн совла­дает со скоростью упругих колебаний, полученных в лаборато­риях для образцов гранитных пород. В действительности этот слой, кроме гранита, содержит и другие породы, физические свойства которых близки к свойствам гранита. К ним относят­ся, например, гнейсы и кристаллические сланцы. Нижняя гра­ница «гранитного» слоя на континентах расположена на глу­бине 15—30 км. На дне Тихого океана и в глубоких впадинах Атлантического и Индийского океанов «гранитный» слой от­сутствует.

Нижний, «базальтовый» слой земной коры покрывает весь земной шар. «Базальтовым» слой назван потому, что ско­рости прохождения через него сейсмических волн соответствуют скоростям упругих колебаний, полученным эксперимен­тальным путем для базальтов. Но, по-видимому, в состав «ба­зальтового» слоя входят также и другие породы. Толщина слоя на континентах достигает 10—20 км, а под океанами — 3—7 км.

Мантия является промежуточной оболочкой между твердой земной корой и, по-видимому, размягченным ядром. У нижней границы земной коры при переходе в мантию наблюдается скачкообразное изменение скорости продольных сейсмических волн от 6,5—7,0 до 7,7—8,2 км/сек. Эта граница получила название поверхности Мохоровичича (сокращенно Мохо) по имени югославского ученого, впервые установившего этот раздел. Граница мантии с ядром проводится на глубине 2900 км. Область мантии до глубины 900 км называется верх­ней мантией.

В последние годы в верхней мантии на глубинах 100— 200 км под континентами и 50—400 км под океанами обнару­жена зона, в пределах которой отмечается понижение скорости прохождения сейсмических волн на 3—5%. Эта зона получила название астеносферы, или волновода. Ниже волновода скорость продольных сейсмических волн вновь резко возрас­тает. Полагают, что в золе волновода вещество обладает мень­шей плотностью и вязкостью, чем в остальной части верхней мантии.

Ядро Земли. На границе мантии и ядра происходит скачко­образное понижение скорости продольных сейсмических волн с 13,2—13,7 до 8,1—8,5 км/сек. При этом к центру Земли про­ходят только продольные волны, а поперечные волны не прохо­дят. Это означает, что вещество, слагающее внешнюю часть ядра, не является твердым телом. Предполагают, что оно на­ходится в расплавленном состоянии. Ниже границы мантии и ядра скорость распространения продольных сейсмических волн затем вновь постепенно нарастает до 10,2 км/сек, а на глубине 5080 км скорость скачкообразно возрастает до 11 км/сек и по­том до центра Земли почти не.изменяется. Это послужило ос­нованием для выделения твердого внутреннего «ядрышка» с радиусом 1290 км.

2.3. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗЕМЛИ

Плотность Земли. Горные породы, слагающие земную кору, обладают плотностью, не превышающей 3,3 г/см³. Плотность вещества глубинных частей Земли должна быть значительно большей, так как с глубиной резко возрастает давление. По подсчетам ученых, у границы мантии и ядра на глубине 2900 км плотность вещества Земли равна 5,7 г/см³. А непосред­ственно ниже этой границы она скачкообразно возрастает до 9,3—9,7 г/см³. В центре Земли плотность достигает 12,2— 12,5 г/см³.

Давление внутри Земли. Давление в любой точке внутри Земли измеряется весом столбика вещества с поперечным се­чением 1 см² и длиной, равной расстоянию от данной точки до земной поверхности. Оно быстро возрастает с глубиной и у нижней границы земной коры достигает 13 тыс. атм, на гра­нице мантии и ядра—1,4 млн. атм и в центре Земли—более 3 млн. атм.

Температура Земли. На поверхности Земли температура ко­леблется в широких пределах. Например, в среднеазиатских пустынях почва летом нагревается до +70° С и более, а зимой промерзает до —30° С. Но с глубиной сезонные колебания тем­пературы постепенно сглаживаются и в среднем температура нарастает на 1°С при углублении на 33 м. Глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1°, принято называть геотермической ступенью. А изменение тем­пературы в градусах на единицу длины называется геотерми­ческим градиентом.

Если бы температура повышалась до центра Земли даже с минимальным геотермическим градиентом, то в центре пла­неты она равнялась бы 46000° С. Но на определенной глубине нарастание геотермического градиента почти прекращается. По мнению некоторых ученых, температура в центре Земли не превышает 4000—5000° С.

Тот факт, что температура с глубиной повышается, говорит о том, что из недр Земли к ее поверхности непрерывно идет ло­ток тепла, который излучается Землей в мировое пространст­во. В результате этого Земля, по подсчетам ученых, должна была бы охладиться за 40 млн. лет, но эта потеря тепловой энергии постоянно восполняется за счет внутреннего тепла Земли. Источниками этого тепла являются: энергия распада радиоактивных элементов, энергия, освобождающаяся при хи­мических реакциях и тектонических движениях, энергия пере­хода вещества из одного фазового состояния в другое и т. п.

В последние годы установлено, что в верхней части мантии на глубине 50—100 км образуется зона минимальной тепло­проводности. Она как бы запирает тепло в глубоких недрах Земли и препятствует его быстрому оттоку. В связи с этим вы­сказывается мнение, что земная кора, по-видимому, уже нахо­дится в стадии медленного охлаждения, в то время как глубо­кие части земного шара могут еще разогреваться.

Земной магнетизм. Вокруг Земли существует магнитное по­ле, называемое магнитосферой. Оно характеризуется двумя элементами: магнитным склонением и магнитным наклонени­ем. Магнитное склонение измеряется углом отклонения магнитной стрелки от географического меридиана данного пункта. Линии, соединяющие одинаковые склонения (изого­ны), на юге и севере сходятся в магнитных полюсах, которые не совпадают с географическими полюсами. В Северном полушарии магнитный полюс лежит в точке 70°5'3^// северной ши­роты и 96°45'3^// западной долготы, а южный магнитный полюс расположен в точке 75°6⁷ южной широты и 154°8^/ восточной долготы. Несовпадение магнитных и географических полюсов некоторые исследователи объясняют неравномерным распре­делением на Земле суши и воды.

М а г н и т н о е н а к л о н е н и е — это угол наклона магнит­ной стрелки к горизонту (в Северном полушарии к горизонту наклоняется северный конец стрелки, а в Южном полушарии — южный). Наклонение увеличивается от экватора к полюсам. Линия нулевых наклонений называется магнитным экватором. Магнитный экватор пересекает географический экватор в двух точках — на 169° восточной долготы и на 23° западной долготы, отступая к югу от географического экватора в Западном полу­шарии и к северу — в Восточном. В магнитных полюсах накло­нение достигает 90°.

Действительное распределение элементов земного магнетиз­ма нередко отличается от среднего значения для данной мест­ности. Такие отклонения называются магнитными аномалиями. Они могут быть обусловлены, в частности, залежами подзем­ных магнитных пород и руд. Примером может служить круп­нейшая Курская магнитная аномалия, в пределах которой под земной поверхностью скрывается уникальное месторождение железистых кварцитов.

2.4. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ

Среди ученых нет единого мнения о химическом составе оболочек и ядра Земли. Предполагается, что химический со­став Земли в целом аналогичен составу метеоритов. Но со­став земной коры существенно отличается от состава метеор­ного вещества. Это можно объяснить тем, что между земной корой и более глубокими зонами Земли существует обмен эле­ментами. В частности, из глубин к поверхности Земли подни­маются кремний, кальций, натрий, калий, алюминий, радиоак­тивные и другие элементы. А из земной коры в глубь Земли проникают железо, магний, сера и др.

Долгое время в науке господствовали идеи норвежского геохимика В. М. Гольдшмидта. Он развивал свои представле­ния о химическом составе Земли, опираясь на космогоническую гипотезу Канта—Лапласа и исходя из предположения о первич­но огненно-жидком состоянии Земли. Гольдшмидт полагал, что первоначально расплавленное вещество Земли распределялось на оболочки по аналогии с процессом плавки железных руд в доменной печи (разделение на металл и шлак) под влиянием силы тяжести. На этом основании в центре Земли выделялось тяжелое железо-никелевое ядро, а над ним — промежуточная окисно-сульфидная оболочка и наружная сиалическая (по элементам Si и А1) оболочка.

В настоящее время наиболее хорошо изучен химический состав осадочного и верхней части «гранитного» слоев земной коры. Они сложены главным образом соединениями кремния, алюминия, кальция, магния и щелочных металлов. Верхняя часть земной коры обогащена соединениями алюминия и щелочных металлов, а в ее нижней части с глубиной постепенно возрастает содержание соединений магния и железа. Характерной особенностью земной коры является обогащенность радиоактивными элементами — ураном, торием и др.

Около 99% состава земной коры приходится на восемь важнейших химических элементов: кислород (47%), кремний (29,5 %), алюминий (8,05 %), железо (4,66 %), кальций (2,96%), натрий (2,5%), калий (2,5%), магний (1,87%). Не большая доля приходится на такие элементы, как водород (0,15%), титан (0,45), углерод (0,02%), хлор (0,02%). К лишь 0,33% составляют все остальные элементы, содержащиеся в земной коре в тысячных и миллионных долях.

Среднее содержание химических элементов в земной коре рассчитанное на весь ее объем и выраженное в весовых или объемных процентах, называется кларком. Это названа предложено советским академиком А. Е. Ферсманом в честь американского геохимика Ф. В. Кларка, впервые на рубеж XIX и XX в. определившего среднее содержание в земной коре наиболее распространенных химических элементов. В природа встречаются участки, кларки которых выше или ниже среднего кларка земной коры. Например, для Северного Урала повышены кларки магния и никеля, для Рудного Алтая — кларки свинца, цинка, серебра и т. д. Повышенные кларки того или иного района часто находят свое выражение в наличии место рождений соответствующих элементов.

Некоторые химические элементы, входящие в состав вещества Земли, со временем изменяются. В результате такие, на пример, радиоактивные элементы, как уран и торий, превращаются в конечном итоге в устойчивые элементы — свинец и гелий. В минувшие геологические эпохи кларки урана и тория были, очевидно, значительно выше, а кларки свинца ниже, чек сейчас. По-видимому, это относится и ко всем другим элементам, подверженным превращениям.

Со временем меняется изотопный состав некоторых химических элементов. Например, U²³⁸ имеет период полураспад; 4,5*10⁹ лет, а U²³⁵ — 7,1*10⁸ лет. По подсчетам советского геохимика А. А. Саукова, 700 млн. лет назад атомов изотопа U²³⁵ было в 2 раза больше, а 2 млрд, лет назад — почти в 6 раз больше, чем теперь. По данным другого советского ученого Г. В Войткевича, 3 млрд. лет назад U²³⁵ было в 18 раз, а К⁴⁰ — в 5,3 раза больше, чем в настоящее время. За это же время количество U²³⁸ уменьшилось примерно на ¹/4 часть, а количестве тория — лишь на несколько процентов.

Химический состав земной коры в целом непостоянен во времени. Земля, с одной стороны, постоянно получает космиче­ское вещество в форме метеоритов и космической пыли, по хи­мическому составу отличающееся от земной коры. С другой стороны, Земля сама постоянно отдает в мировое пространство часть своих элементов — гелий, неон, возможно, водород, азот и другие газообразные элементы и соединения.