Понятие о литосфере

В современном понимании это земная кора совместно с самой верхней частью мантии. Всё это представляется, как «каменная» единая оболочка. Мощность литосферы неопределённа и колеблется, вероятно, от 50 до 200 км.

1.2. Тепловое состояние земной коры.

Тепло в земную кору поступает за счёт солнечной радиации (99,5%), которая обогревает Землю с поверхности, и тепла, поступающего из недр Земли (0,5%). Внутреннее тепло связано с радиоактивными процессами и проявляется, в основном, разогревании внутренних геосфер Земли.

Эти два основных источника тепла в земной коре создают три температурных зоны: 1) переменных, 2) постоянных и 3) нарастания температур (рис. 3).

Рис. 3. Температурные зоны в земной коре

Зона переменных температур. Солнце в течение 1 мин отдаёт на 1 см² земной поверхности, ориентированной перпендикулярно солнечным лучам, примерно, 8,1 Дж тепла. Эта величина называется солнечной постоянной.

Под влиянием солнечной радиации происходят геологические процессы на поверхности Земли и в земной коре – круговорот воды, разрушение и созидание минеральных тел при выветривании. Это тепло играет основную роль в жизни органического мира на Земле. Амплитуды колебаний температур на земной поверхности изменяются в широких пределах: от -90оС (Антарктида) до +65оС (Африка).

Температуры на различных участках одной и той же широты Земли не одинаковы и зависят от рельефа местности, растительного покрова.

В зоне переменных температур различают колебания температур:

1) вековые, 2) годовые, 3) сезонные, 4) месячные и 5) суточные.

Для строительных целей наибольшее значение имеют сезонные колебания температур.

Из рис. 3 видно, что влияние солнечного тепла в зоне 1 сказывается лишь до определенной глубины и проникает в земную кору примерно до глубины 25 м. Температура в этой зоне определяется среднегодовой температурой воздуха данной местности, например, для Москвы она равна +4,2^оС и зафиксирована на глубине 20 м.

Суточные колебания температур практически не сказываются глубже 1,5 м. На территориях, где не бывает морозной зимы, температуры в зоне 1 всегда положительные (рис. 3, кривая «а»), а в районах с морозными зимами в зоне 1 появляется подзона 1а, где грунты в зимнее время замерзают. Это сезонная мерзлота. В ней дисперсные и техногенные грунты замерзают за счёт перехода в их порах воды в твёрдое состояние (лёд). В скальных грунтах вода замерзает в трещинах и активно их разрушает за счёт расклинивающего действия образующегося льда (увеличение объёма льда достигает 9,1%).

В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и несвязные грунты за счёт ледяного цемента приобретают повышенную прочность, несколько увеличивают свой объём и становятся водонепроницаемыми. Предел прочности при сжатии мёрзлых суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие трудности при их механической разработке. При небольшой влажности (например, в песках) свойства грунтов при переходе от положительной к отрицательной температуре меняются незначительно.

В весеннее время лёд в грунтах растаивает. Грунты теряют прочность, становятся водонасыщенными. Особенно сильно это проявляется на глинистых, органоминеральных и органических грунтах. Илы и глинистые грунты могут переходить в разжиженное состояние с весьма малой несущей способностью. Такие грунты могут выдавливаться из-под дорожных одежд и фундаментов зданий.

В строительстве сезонное промерзание грунтов всегда учитывается, определяется глубина промерзания (df). Величина df колеблется от нескольких сантиметров до 2-3 м. Её определяют: 1) по карте СНиПа, где показывается среднее значение по каждой местности, 2) по расчётным формулам и 3) по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глубиной промерзания в данной местности. Искомое значение используют при проектировании сооружений. Для градостроительных и промышленных площадок, которые значительны по размерам, величина dfдля различных участков может иметь неодинаковые значения.

Зона постоянных температур располагается под зоной 1. Она ориентировочно лежит в умеренных широтах на глубине от 15 до 40 м. В этой зоне температуры круглый год одни и те же и соответствуют среднегодовой температуре данной местности. Под Москвой зона 2 начинается с глубины 20 м, а в Санкт-Петербурге с 19,6 м. Постоянство тепла в зоне 2 объясняется равномерным его притоком из глубин земной коры. Приток тепла за счёт солнечной радиации отсутствует.

Зона нарастания температур по глубине располагается под зоной 2. В этой зоне 3 под влиянием внутреннего тепла Земли температура с глубиной непрерывно повышается. Для характеристик этого повышения введено два понятия – геотермический градиент и геотермическая ступень.

Геотермический градиент – это величина, на которую повышается температура горных пород с увеличением глубины на каждые 100 м. В среднем этот градиент равен +3оС. Геотермическая ступень – это интервал глубины земной коры в метрах, на котором температура повышается на +1оС.

Геотермическая ступень колеблется в широких пределах, что связано с различным составом и различным залеганием горных пород, движением подземных вод, близостью вулканических очагов и т.д. В среднем для толщ осадочных пород она принимается равной 33 м, а в действительности колеблется от 5 до 160 м (на территории России чаще от 20 до 100 м).

Строгая закономерность в нарастании температур отсутствует, поэтому истинные значения температур чаще всего определяются с помощью буровых скважин. Так в Ставрополе, на глубине 1000 м, температура равна +70^оС, в Невинномыске – на глубине 1500 м около 109^оС, в Гурьеве – на 3000 м почти 108^оС, а в Москве на 1600 м - 41^оС.

Постоянство температуры в зоне 2 и увеличение температуры с глубиной представляет практический интерес при проходке дорожных тоннелей, особенно, в горных районах, а также при строительстве метрополитенов. При строительстве объектов величины возможных температур определяются в процессе бурения скважин и по расчётным формулам.