ГЕОЛОГИЯ И ГИДРОГЕОЛОГИЯ
Пособие по одноименной дисциплине для слушателей специальности 1-70 05 75 «Трубопроводный транспорт, хранение и реализация нефтегазопродуктов»
Гомель 2017
УДК 55+556,3
ББК 33.361-11+26.35
Рекомендовано кафедрой «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений и транспорт нефти» ГГТУ им.П.О. Сухого (протокол №6 от 14.12.2016 г.)
Рецензент: В.Г. Жогло, доктор геолого-минералогических наук, доцент, заведующий кафедрой «Разработка, эксплуатация нефтяных месторождений и транспорт нефти» Гомельского государственного технического университета имени П.О. Сухого
Порошин В.Д.
Геология и гидрогеология: пособие по одноим. курсу для слушателей специальности 1-70 05 75 «Трубопроводный транспорт, хранение и реализация нефтегазопродуктов» заочной формы обучения / В.Д. Порошин – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2017 - 128 с.
В учебном пособии излагаются общие сведения о геологии, минералах и горных породах, основы общей и инженерной геологии, а также гидрогеологии, материалы по процессам внутренней и внешней динамики Земли, методам гидрогеологических и инженерно-геологических исследований.
Предназначено для слушателей Института повышения квалификации и переподготовки.
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие по изучению дисциплины «Геология и гидрогеология» предназначено для слушателей Института повышения квалификации и переподготовки (ИПКиП) по специальности «Трубопроводный транспорт, хранение и реализация нефтепродуктов». Пособие подготовлено в соответствии с «Образовательным стандартом Республики Беларусь ОСРБ 1 - 70 05 75 – 2016 «Переподготовка руководящих работников и специалистов, имеющих высшее образование» по вышеназванной специальности (утвержден и введен в действие постановлением Министерства образования Республики Беларусь от 26.08.2016г., №84).
Для усвоения курса слушатели должны владеть, по меньшей мере, основами трех самостоятельных геологических дисциплин (общая геология, инженерная геология, гидрогеология) и им приходится вести поиск необходимой информации по различным учебникам, пособиям, отдельным разрозненным публикациям и т.д. К тому же такая информация должна быть адаптирована к специальности переподготовки 1 – 70 05 75 «Трубопроводный транспорт, хранение и реализация нефтепродуктов». Специальные учебники и учебные пособия по курсу «Геология и гидрогеология» для данной специальности в настоящее время отсутствуют. Поэтому основной целью данного пособия является лаконичное изложение учебной программы в необходимом объеме в рамках одной небольшой работы.
Структура, объем и содержание изложенного в пособии материала прошли апробацию при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий в ИПКиП Гомельского государственного технического университета имени П.О. Сухого. Автор надеется, что опыт его научной и производственной деятельности, а также опыт, полученный при подготовке и проведении занятий по дисциплине «Геология и гидрогеология», позволили скомпоновать необходимый материал согласно вышеназванной Учебной программе с необходимой полнотой, доступностью и, вместе с тем, краткостью изложения.
Методы в геологии
Геология как наука обладает большим количеством методов, позволяющих изучать глубокие недра Земли, современные геологические процессы и историю развития различных участков ее территории, исследовать разнообразные свойства горных пород и подземных вод, слагающих земную кору, вести поиск разведку и разработку различных полезных ископаемых. Каждое из перечисленных в предыдущем разделе направлений в геологии обладает своим набором методов, которые основаны на использовании новейших достижений естественных наук – физики, химии, биологии, геофизики, географии и др.
Изучение внутреннего строения Земли производится различными геологическими и геофизическими методами. Геологические методы основаны на изучении естественных обнажений горных пород в горно- пересеченной местности, разрезов глубоких шахт и рудников, продуктов извержения вулканов, а также метеоритов и образцов пород, доставленных с Луны, Марса, Венеры.
Среди геологических методов познания недр Земли особо необходимо отметить глубокое и сверхглубокое бурение, позволяющее отбирать для изучения образцы горных пород и пластовых флюидов с больших глубин, изучать пластовую температуру, физико-химические и геофизические свойства геологического разреза. Несмотря на то, что самая глубокая скважина, пробуренная на Кольском полуострове, достигла глубин только в 12,3 тысяч метров, полученные материалы глубокого бурения позволяют более объективно применять для изучения недр геофизические методы исследований.
Изучая прохождение сейсмических волн при землетрясениях и проводя геофизические, геохимические, космические и другие исследования, геолог раскрывает тайны строения глубоких горизонтов земной коры и Земли как планеты в целом.
В настоящее время наука располагает комплексом геофизических методов исследования земных недр, основанных на использовании свойств материи Земли, полученных геологическими методами (электрических, магнитных, тепловых, гравитационных, сейсмических). Наиболее информативными для решения этих задач оказались данные исследования сейсмических волн землетрясений, обвалов, искусственных взрывов (метод глубинного сейсмического зондирования).
Исследования показывают, что при подземных толчках возникает три рода сейсмических волн: продольные поперечные и поверхностные. Продольные волны распространяются в направлении колебания частиц горных пород. На границе слоев с разной плотностью они испытывают преломление и частичное отражение. Поперечные волны распространяются только в твердых средах, в направлении перпендикулярном колебательным движениям частиц. На границе с газообразной и жидкой средой поперечные волны испытывают полное отражение. По продольным и поперечным сейсмическим волнам методом глубинного сейсмического зондирования установлено строение земной коры, мантии и ядра Земли (см. разд. 1.3).
Сопоставление скоростей сейсмических волн в земной коре со скоростями, измеренными в образцах горных пород позволило установить, что под покровом осадочных пород, составляющих верхние слои земной коры, залегают гранитные породы, затем базальтовые и еще ниже перидотитовые.
Из геофизических методов для изучения земной коры применяются также гравиметрические, магнитометрические, ядерные, геотермические и другие методы. Гравиметрические методы позволяют определить плотность горных пород, установить аномалии силы тяжести, магнитометрические – выявить на глубине распределение магнитных масс, геотермические – величину тепловых потоков, поднимающихся из глубинных зон Земли.
В целях изучения геологического прошлого Земли применяется принцип актуализма, основанный на том, что процессы, происходившие в прошлые геологические эпохи, и явления, вызывавшиеся этими процессами, имеют много общего с современными геологическими процессами и явлениями. Поэтому, изучая современные процессы и результаты их действия, можно приближенно восстановить ход древних процессов и явления, с ними связанные. Естественно геологи, пользуясь принципом актуализма, переносят ход современных геологических процессов в прошлое не механически, а с учетом того, что условия среды (климат, органический мир, атмосфера, распределение океанов и морей) в прошлом непрерывно менялись.
Каждая самостоятельная геологическая дисциплина использует не только общие для геологии методы исследований, но и свои собственные методы, адаптированные к решению конкретных задач. Так, в инженерной геологии для изучения и оценки физико-механических свойств горных пород применяют геологические, полевые и лабораторные методы.
Геологические методы заключаются в изучении возраста, происхождения, характера, состава и мощности горных пород непосредственно в условиях их естественного залегания. При этом описываются естественные обнажения горных пород, бурят скважины, проводят проходку шурфов и штолен для отбора образцов горных пород и их осмотра, выполняют геофизические исследования, определяют выдержанность состава и мощности пород и разреза по площади, изменение степени трещиноватости и т.д. Полевые методы основаны на использовании специальных установок, позволяющих оценить свойства горных пород в условиях их естественного залегания. Лабораторными методами изучают инженерно-геологические свойства пород (сжимаемость, сопротивление сжатию и сдвигу, размокаемость и т.д.) на образцах в лабораторных условиях.
1.3. Земля как планета. Происхождение и строение Земли
Земля – одна из планет Солнечной системы. Солнечная система входит в состав одной из звездных подсистем Галактики и располагается где-то посредине между центром и краем ее диска /2/. Вокруг Солнца по элиптическим орбитам вращается девять планет Солнечной системы, большинство из которых имеют один или несколько (до 17) спутников. Между Марсом и Юпитером располагается пояс астероидов, который делит планеты Солнечной системы на две группы. Ближе к Солнцу расположены малые планеты типа Земли: Меркурий, Венера, Земля и Марс; за поясом астероидов – планеты гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон (рисунок 1.1.) Впрочем по размеру Плутон трудно отнести к гигантам.
Рис. 1.1. Относительные размеры Солнца и планет Солнечной системы
Планеты типа Земля характеризуются: малыми размерами, высокой плотностью, небольшими массами, медленным вращением вокруг своих осей, преобладанием в их составе более тяжелых химических элементов. Планеты гиганты (за исключением Плутона) отличаются от малых планет, состоящих из кислорода, кремния, алюминия, железа и некоторых других химических элементов. Они образованы преимущественно аммиаком, метаном, водородом и гелием. Ниже приведены общие сведения о физических параметрах Солнца и планет Солнечной системы (таблица 1.1).
Таблица 1.1
Физические параметры планет Солнечной системы ска?)
| Объект | М/МЗем | R/RЗем | σ, г/см3 | g, м/с2 | Магнит-ное поле, Эрстед | Коли-чество спут-ников | Период враще-ния |
| Солнце | 99,9% | - | - | - | - | - | - |
| Меркурий | 0,055 | 0,38 | 5,44 | 3,7 | 0,03 | - | 59 сут |
| Венера | 0,82 | 0,95 | 5,25 | 8,87 | 0,25 | - | 243 сут. обратн. |
| Земля | 1,0 | 1,0 | 5,52 | 9,8 | 0,5 | 1,0 | 1,0 сут. |
| Марс | 0,107 | 0,53 | 3,94 | 3,73 | 0,07 | 2 | 1,03 сут. |
| Юпитер | 318 | 11,2 | 1,33 | 23 | 660 | 16 | 10 час. |
| Сатурн | 95 | 9,4 | 0,7 | 9,1 | 370 | 17 | 9,1 час. |
| Уран | 15 | 4,1 | 1,26 | 7,8 | 32 | 5 | 15 час. |
| Нептун | 17 | 3,9 | 1,67 | 11 | 30 | 2 | 18 час. |
| Плутон | 0,1 | 0,2 | 4,9 | - | - | 1 | - |
Рассматривая Землю, как одну из планет солнечной системы, отметим некоторые закономерности, выявленные в строении этой системы.
1. Все планеты вращаются вокруг Солнца в том же направлении, в каком вращается Солнце.
2. Орбиты планет проходят как бы в одной плоскости (отклонение имеет лишь орбита Плутона).
3. Более плотные малые планеты расположены в непосредственной близости от Солнца: состоят они из более плотного вещества и удалены друг от друга на относительно небольшие расстояния (по сравнению с планетами гигантами.
4. Малые планеты имеют более разреженные атмосферы, состоящие преимущественно из углекислого газа, азота, кислорода, водорода и почти лишены спутников.
5. Планеты расположены на безопасных, с точки зрения взаимного притяжения, расстояниях. Эти расстояния находятся в прямой зависимости от масс планет, т.е. чем больше массы соседних планет, тем больше расстояние между их орбитами.
Земля имеет одного спутника – Луну, которая отдалена от нее на расстояние более 365 тыс. км. Форма Луны шарообразная, вытянутая в сторону Земли, диаметр ее 3467 км, средняя плотность 3,3 г/см3. Один оборот вокруг Земли и вокруг своей оси она совершает за 27,33 земных суток. Луна обращена к Земле одной стороной. Атмосфера у Луны отсутствует. Температура на поверхности Луны в лунный полдень +1200С, ночью -1500С. На поверхности Луны четко прослеживается лунный рельеф, основными формами которого являются лунные моря, кратеры, кольцевые горы и лучевые горные системы. Лунный грунт имеет серый или коричневый цвет и состоит из тонкопесчаного материала и отдельных камней. Тонкий лунный материал представлен обломками пород, кристалликами и стеклянными шариками, в составе которых преобладает железо, титан, торий, цирконий, Возраст Луны, по данным исследования лунного грунта, около 4,5 млд. лет.
На рис.1.2 показано сравнение химического состава земных и лунных пород, полученных в результате космических исследований.
Рис.1.2. Элементный состав земных и лунных пород
В целом наблюдается значительное сходство по составу пород Луны и Земли, хотя в лунных образцах значительно больше титана и нет воды. Следует также отметить значительное сходство пород Земли, Марса и метеоритов, что свидетельствует о единстве состава Земли, Луны и других малых планет Солнечной системы. Вместе с тем наша планета занимает среди планет солнечной системы особое положение – у нее есть жидкая вода (гидросфера), биосфера и ноосфера (органическая и разумная жизнь).
Вопрос о происхождении Земли является весьма сложным и пока не решенным.
Космогоническая гипотеза Канта была первой научной гипотезой, рассматривающей развитие космоса и происхождения Земли на основе действия физических сил (1755г.). Несколько поздней появилась схожая гипотеза Лапласа. Согласно этим гипотезам, космическая материя первоначально состояла из элементарных частиц. Под влиянием сил притяжения и отталкивания они в пределах всего космического пространства стали приходить в определенный порядок, стягиваясь к центрам притяжения и приобретая вращательное движение. В результате такого сгущения массы большой вращающейся туманности из периферической части туманности возникли планеты, из центральной – Солнце. Предполагалось, что первоначально Земля находилась в огненно-жидком состоянии, а затем происходило ее остывание. В гипотезах Канта и Лапласа в последствии обнаружились противоречия физического характера.
В СССР в 30-х годах ХХ столетия широкое распространение получила гипотеза О.Ю. Шмидта, рассматривающая облака метеорной пыли как материал для возникновения планет, а движение Солнца, как условия захвата и уплотнения этого материала. Вначале размеры Земли были меньше современных и постоянно увеличивались за счет падающих метеоритов. Земля рассматривается как твердое тело со сравнительно постоянной во времени температурой.
Однако и в гипотезе О.Ю. Шмидта отмечено ряд противоречий. Она явно преувеличивает роль метеоритов в образовании планет и недоучитывает роль физико-химических процессов, происходящих на Солнце.
Более совершенной выглядит гипотеза академика В.Г. Фесенкова. Вопросы об эволюции звезд и происхождении Солнечной системы В.Г. Фесенков рассматривает неразрывно друг от друга. Солнце и планеты образовались из газово-пылевой туманности, которая прошла стадию уплотнения, консолидации и стадию волокнистой туманности. Звездообразное сгущение, возникшее из уплотненного волокна, первоначально находилось в окружении газово-пылевой материи. Последняя, вращаясь вокруг сгущения, образовало уплотнения, протопланеты, а затем и сами планеты.
В соответствии с этой гипотезой, далеко расположенные от Солнца планеты гиганты сохранили свой первоначальный состав до настоящего времени. Причиной этому является твердое состояние газов в их мощных и очень холодных атмосферах. Планеты, расположенные близко к Солнцу (в т. ч. и Земля), утратили свой первоначальный состав. Легкие элементы у них под давлением солнечных лучей рассеялись в межпланетном пространстве. До настоящего времени сохранились лишь ядра этих протопланет, состоящие из тяжелых элементов.
Большинство ученых США, Англии, Франции и некоторых других стран придерживаются мнения, что планеты земного типа образовались за счет аккумуляции твердых космических частиц и тел, тогда как планеты-гиганты сформировались за счет кристаллизации газов.
Земля вместе с другими планетами Солнечной системы совершает во вселенной сложный круг движений. Вращаясь вокруг своей оси, она одновременно обращается вокруг Солнца и вместе с ним вокруг центра нашей Галактики, которая называется «Млечный путь». Обращение вокруг Солнца происходит по элиптической орбите с периодом 365 солнечных суток, вращение вокруг оси Земля совершает за 23ч 56 мин 4 сек.
Земля имеет шарообразную форму, близкую к форме трехосного элипсоида вращения, точнее геоида. Геоид (землеподобный) представляет собой условную поверхность, направление силы тяжести в любой точке которой перпендикулярно этой поверхности. Иначе говоря это поверхность, которую бы принял уровень воды, если бы вся Земля была покрыта океаном (т.е. совпадает с уровнем воды в Мировом океане, который мысленно проводится под континентами).
По существующим данным, Земной шар может быть подразделен на ряд концентрических сфер. Эти сферы называются оболочками Земли или геосферами. Можно выделить наружные геосферы, доступные непосредственному изучению – атмосферу, гидросферу, биосферу, а также частично земную кору, и ряд внутренних, границы раздела между которыми выделены по резким скачкообразным изменениям скоростей распространения сейсмических волн, вызванных изменением упругих характеристик и плотности вещества (рис. 1.3).
В упрощенном виде в Земле выделяется ядро, радиусом около 3400 км, мантия или промежуточная оболочка толщиной примерно 2900 км и земная кора, мощность которой колеблется от 5 до 75 км. Каждая из этих геосфер, в свою очередь, неоднородна и подразделяется на субоболочки, отличающиеся по своим физико-химическим свойствам.
Рис.1.3. Земля, ее строение и состав
Представление о неоднородном строении земного шара первоначально базировались на сравнении величин плотности горных пород, наиболее широко встречаемых в природе, со средней плотностью Земли. Средняя плотность Земли была вычислена после установления ее размеров и составила 5,52 г/см3, что значительно превышает плотность веществ, наиболее часто встречающихся на поверхности планеты (около 2,7 г/см3). Следовательно недра Земли сложены веществами, имеющими плотность, превышающую 5,52 г/см3.
Последующие геофизические исследования показали, что плотность вещества Земли с глубиной изменяется не только постепенно, но на определенных глубинах и резко.
Ядро Земли – центральное тело нашей планеты, ограниченное поверхностью раздела на глубине около 2900 км. На этой глубине скорость продольных волн скачкообразно понижается (с 13,7 до 8 км/с), а поперечные волны ядро не пропускает. По современным представлениям это тело состоит из внешнего ядра, находящегося в расплавленном состоянии, и внутреннего (с глубины 5100 км), вероятно твердого. Ядро, как предполагают ученые, имеет железоникелевый состав.
Промежуточная оболочка (мантия) располагается между земной корой и ядром Земли в интервале глубин 50 – 2900 км. Скорости распространения сейсмических волн в ней достигают 13,7 км/с (для продольных волн) и 7,3 км/с (для поперечных). В целом вещество ее имеет ультраосновной состав (ультраосновные магматические породы). В верхней части мантии предполагается наличие первичных магматических очагов.
Земная кора обладает довольно резко изменяющейся мощностью и непостоянным строением. Выделяют земную кору континентального и океанического типов. В отдельных районах (Прикаспийская впадина) наблюдается субокеаническая и субконтинентальная (окраинные моря) земная кора. В районе Прикаспийской впадины, осадочная толща мощностью до 20 км и более залегает непосредственно на базальтовом слое, также как и в областях дна внутренних морей (Черное, Средиземное, Японское, Берингово и др.).
Континентальная кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоя (рис. 1.4). Осадочный слой прерывистым чехлом покрывает земную кору с поверхности. Его мощность местами достигает 15 – 18 км, при среднем значении около 3 км.
Рис.1.4. Основные типы строения земной коры и ее главные структурные элементы (по Е.В. Хаину, 1964):
1 –осадочный слой, 2 – гранитный слой,3 – базальтовый слой, 4 – верхняя мантия, 5 – характеристика слоев (в числителе – средняя мощность в км, в знаменателе – средние скорости сейсмических волн, км/с).
Высоко поднятые участки залегания кристаллических пород почти не несут на себе осадочного слоя (щиты, кристаллические массивы), в то время как во впадинах мощность осадков резко увеличивается. Например, в Баренцевом море, где в прибрежной части развит континентальный тип коры, в 150 км от берега мощность осадочного слоя достигает 18 км.
Гранитный слой также не выдержан по мощности. В молодых горах (Альпы, Кавказ, Карпаты, Гималаи и др.) мощность его увеличена и может достигать 25 – 30 км, а в районах более древней складчатости (Урал, Алтай) имеет место уменьшение мощности гранитного слоя.
Базальтовый слой распространен повсеместно, но его мощность также изменчива и в определенной мере коррелируется с мощностью гранитного слоя.
Океанический тип земной коры в отличии от континентального состоит из осадочного и базальтового слоя. Осадочный слой распространен почти повсеместно, исключая рифтовые зоны срединно-океанических хребтов. Мощность его колеблется в пределах сотен и тысяч метров. Базальтовый слой под дном океанов имеется везде и его мощность обычно колеблется в пределах 5 – 10 км. Граница между континентальной и океанической корой может быть как резкой (глубинные разломы), так и постепенной.
Геологическая хронология
Для определения возраста отдельных слоев земной коры пользуются методами относительной и абсолютной геохронологии.
Метод определения относительного возраста основан на изучении последовательности залегания слоев, сравнении их петрографического состава и органических остатков. Для того чтобы расчленить слои земной коры по возрасту, необходимо было в первую очередь установить последовательность их образования и залегания в ненарушенных условиях различных участков Земли. Этим вопросом занимается одна из отраслей геологии – стратиграфия. Для стратиграфического расчленения толщ осадочных горных пород и установления их возраста в геологии пользуются палеонтологическим методом исследования, основанным на изучении ископаемых остатков вымерших организмов. Для каждого геологического периода характерен свой комплекс фауны и флоры. В связи с этим находки в горных породах тех или иных ископаемых остатков позволяют судить об их возрасте.
В последние годы большим успехом пользуются методы определения абсолютного возраста с применением радиологических исследований. Они основаны на изучении конечных продуктов распада радиоактивных элементов. По количеству распавшегося вещества и времени распада (оно постоянно для определенного элемента) судят о возрасте горных пород. В практике успешно применяются изотопный, гелиевый, аргоновый, стронциевый и другие радиологические методы определения абсолютного возраста пород.
Время, необходимое для распада на 50% какого-либо изотопа, называется периодом полураспада. Например урановый метод основан на том, что период полураспада изотопа урана с атомным весом 238 и переходом его в свинец достигает 4,5 млд. лет. Определяя соотношение содержания в породе данного изотопа урана и свинца и зная скорость распада, можно установить продолжительность протекания этого процесса, а значит и возраст породы.
Периоды полураспада радиоактивных элементов существенно различаются, что позволяет исследователям пользоваться тем или иным методом для установления возраста древних и даже современных отложений. Так, период полураспада тория 232 – 13,9 млд. лет, урана с атомным весом 235 – 891 млн. лет, а радиоактивного изотопа углерода с атомным весом 14 – 5 568 лет. Последнее позволяет широко использовать углеродный метод в четвертичной геологии. Определив содержание изотопа в растительных остатках, этот метод позволяет установить их возраст с точностью до 200 лет /11/.
Абсолютный и относительный возраст горных пород был положен в основу геохронологических подразделений земной коры. Геологическое время делится на эры, периоды, эпохи, века. Каждому отрезку времени соответствуют определенные толщи горных пород.
По сведениям о последовательности накопления осадков, их петрографическом составе и органическим остаткам вся толща земной коры разделена на группы, группы – на системы, системы – на отделы, отделы – на ярусы. Эти подразделения, называемые стратиграфическими единицами, составляют международную стратиграфическую шкалу земной коры. Стратиграфической шкале соответствует геохронологическая шкала (таблица 1.2).
Таблица 1.2
Геохронологическая таблица
| Группа (эра) | Система (период) | Отдел (эпоха) | |||
Возраст,
Млн лет
Цвет
Кайно-зойская KZ
галоцен Q4
плейстоцен верх. Q3
плейстоцен сред. Q2
плейстоцен ниж. Q1
0-2
желтовато-светло-серый, зеленоватый
Плиоцен N2
Миоцен N1
2-10
10-35
Светло-желтый
Олигоцен ᵱ3
Эоцен ᵱ2
Палеоцен ᵱ1
35-40
40-70
40-70
Темно-желтый
Оранжево-желтый
Мезозойская MZ
Верхний K2
Нижний К1
70-100
100-140
зеленый
Верхний J3
Средний J2
Нижний J1
140-185
синий
Верхний Т3
Средний Т2
Нижний T1
185-225
фиолетовый
Палеозойская PZ
Верхний Р2
Нижний Р1
225-270
оранжевый
Верхний С3
Средний С2
Нижний C1
270-320
серый
Верхний D3
Средний D2
Нижний D1
320-400
коричневый
Верхний S2
Нижний S1
400-424
Светло-серо-зеленый
Верхний О3
Средний О2
Нижний O1
424-468
Темный серо-зеленый, оливковый
Верхний Cm3
Средний Cm2
Нижний Cm1
468-600
Лиловый, голубовато-зеленый
600 до 1900
1900 до 3500
Возраст Земли
Около 4600
Для сокращенного обозначения стратиграфических и геохронологических единиц применяют индексы. Например палеозойская эра (группа) обозначается буквами PZ, пермская система (период) – буквой Р. Отделы (эпохи) той или иной системы (периода) обозначаются цифрой, которая ставится у основания индекса. Обозначения, принятые в таблице 1.2 повсеместно используются в геологической практике, при составлении геологических карт, разрезов и т.д. Для удобства чтения геологических документов применяются цветовые знаки, соответствующие стратиграфическим и геохронологическим подразделениям.
Всего в геологической истории Земли выделено пять групп (эр): архейская, протерозойская, палеозойская, мезозойская и кайнозойская.
Определение абсолютного возраста горных пород позволило установить длительность эр, периодов, эпох, веков, а также возраст земной коры.
МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Земная кора состоит из минералов и горных пород. Минералы представляют собой природные химические соединения, обладающие определенными физическими и химическими свойствами. Горные породы – это минеральные агрегаты, занимающие большие объемы в земной коре.
Структуры
Размер
Зерен, мм
Несцементированные
Сцементиро-ванные
Несвязные
Грубообломочная (псефитовая)
Песок различной крупности
−
Тонкая (пелито-
вая)
0,005
−
Алевриты занимают промежуточное положение между обломочными и глинистыми породами. Из алевритов наибольшее значение имеют лесы. Сцементированные алевритовые частицы образуют достаточно прочную породу – алевролит.
Глинистые породы составляют около 60% общего объема осадочных пород. В зависимости от содержания коллоидно-дисперсных глинистых минералов и частиц с крупностью до 0,005 мм они подразделяются на глины (более 30%), суглинки (10 – 30%) и супеси (от 3 до 10%). В свою очередь, по этому же показателю глины делятся на тяжелые и средние, суглинки и супеси – на тяжелые, средние, легкие и пылеватые. По минеральному составу глины так же бывают мономинеральными и полиминеральными. Выделяют три основные группы глинистых минералов – каолинитовые, монтмориллонитовые и гидрослюдистые.
Химические (хемогенные) породы. К ним относятся прежде всего минеральные соли: галит (поваренная соль), гипс, сильвинит, бишофит, мирабилит и др. Процесс садки солей осуществляется в основном в условиях жаркого сухого климата, когда влаги в водоем попадает меньше, чем ее испаряется. Типичным примером региона в котором в настоящее время происходят эти процессы может служить залив Кара-Богаз-Гол, расположенный в Туркменистане. Практически отделившийся от Каспийского моря бассейн содержит рассолы, концентрация минеральных солей в котором достигает 25 -30% (на порядок больше, чем в океане).
Органогенные породы. К этой группе пород относят породы состоящие из скоплений твердых скелетных остатков различных организмов. По химическому составу они могут быть карбонатными (известняки, мел, доломиты, ракушечник) и кремнистые (диатомит, трепел, опока, яшма). В особую подгруппу выделены горючие породы угольного ряда (торф, уголь, сапропель, горючие сланцы) и битумного ряда (озокерит, асфальт и т.д.).
Основными формами залегания осадочных пород являются пласт (слой), линза и прослойка. Слой (пласт) – это плитообразное тело, ограниченное приблизительно параллельными поверхностями, распространенное на большой территории. Линза – небольшой по площади распространения пласт, выклинивающийся по краям. Прослойка (пропласток) – тонкий пласт, залегающий в толще более мощных слоев. Для органогенных (рифогенных, водорослевых и т.д.) известняков и вторичных доломитов, образующих органогенные постройки, характерна массивная форма залегания в виде своеобразных куполов.
Типы скальных грунтов
Грунты с жесткими связями, как явствует из самого их названия, обладают прочными связями между зернами составляющих их минералов. Это твердые, компактные скальные и полускальные породы. Под действием внешних нагрузок от сооружений они ведут себя как твердые упругие тела, практически несжимаемые. При нарушении связи не восстанавливаются. В невыветрелом состоянии эти грунты способны выдерживать нагрузки от любых сооружений.
Класс скальных грунтов, как уже отмечалось, объединяет магматические, метаморфические и осадочные сцементированные горные породы.
Магматические породы. Эти породы являются продуктом остывания и кристаллизации магматических масс. Минералогический состав их, структуру, текстуру и прочность определяют условия застывания магмы и ее химический состав.
По условиям застывания магматические породы подразделяются на глубинные – интрузивные, застывшие на больших глубинах от поверхности земли и излившиеся – эффузивные, застывшие на ее поверхности (см. разд. 2.2.1). Эти классы грунтов обычно заметно различаются по инженерно-геологическим свойствам. Глубинные породы характеризуются главным образом равномернозернистой, крупно и среднезернистой структурой, монолитностью, весьма малой пористостью. При отсутствии тектонической трещиноватости в невыветрелом состоянии они практически водонепроницаемы, обладают весьма высокой прочностью на раздавливание. Наибольшей прочностью обладают породы с мелкокристаллической равномернозернистой структурой, наименьшей – неравномернозернистой порфировидной структурой. При выветривании они теряют свою первоначальную прочность. Уменьшение прочности под влиянием выветривания зависит прежде всего от структурных особенностей. Наибольшему разрушению подвержены неравномернозернистые породы. Наиболее прочные породы с мелко- и скрытокристаллической структурой, полностью раскристаллизованные, без крупных вкраплений и стекла.
Глубинные породы характеризуются высокой однородностью свойств и могут служить надежным основанием для любых инженерных сооружений, поэтому при строительстве наземных гражданских и промышленных сооружений инженерно- геологическая сторона этих пород особых затруднений не вызывает. При строительстве туннелей, шахт и других подземных сооружений, а также при гидроэнергетическом строительстве основные исследования бывают направлены на изучение степени выветрелости, трещиноватости и выявление зон тектонических нарушений в массивах этих пород.
Излившиеся породы отличаются большим разнообразием свойств. Эта группа магматических пород объединяет два основных типа грунтов: палеотипные (измененные), в высшей степени плотные, вязкие породы (диабазы, порфириты и др.), и кайнотипные (свежие, сохранившиеся), сильно пористые, «ноздреватые» и хрупкие породы (трахиты, пемза, андезиты и др.) /16/.
В структурном отношении излившиеся породы весьма разнообразны. Среди них встречаются всевозможные переходы от нераскристаллизованных аморфных вулканических стекол к микрозернистым кристаллическим и скрытокристаллическим разностям.
В текстурном отношении большинство эффузивов характеризуется различными и резко выраженными формами отдельности. Наиболее типичны для эффузивов столбчатая, пластинчатая и шаровая текстуры.
Эффузивные породы, как и интрузивные, в невыветрелом состоянии являются надежным основанием для различных сооружений и могут выдерживать большие нагрузки. При оценке их инженерно-геологических свойств основное значение имеет трещиноватость и отдельность, обусловливающие высокую водопроводимость, а также тектонические нарушения таких пород. Залегание молодых эффузивов в виде покровов среди осадочных, более слабых грунтов, значительно снижает их устойчивость в массиве, особенно при наклонном залегании.
Метаморфические породы также характеризуются значительным разнообразием инженерно-геологических свойств.
Метаморфизм магматических пород часто вызывает появление в них полосчатых и слоистых текстур, сланцеватости, повышает трещиноватость, увеличивает водопроницаемость и уменьшает устойчивость против морозного выветривания. Метаморфизм осадочных пород, прежде всего глинистых, приводит к обезвоживанию, уплотнению отложений, уменьшению пористости, увеличению их прочности, превращению их при высокой степени метаморфизации в скальные породы.
В большинстве своем метаморфические породы отличаются большой прочностью и однородностью инженерно-геологических свойств. Однако среди них встречаются разности, растворимые в воде (мрамор).
Слабометаморфизованные породы характеризуются сохранением формы залегания материнских пород и их структурно-текстурных особенностей. К этому типу пород относятся филлиты (глинисто-слюдистые и серицитовые сланцы) и разнообразные глинистые сланцы: глинистые, песчаные и др.
Прочность слабометаморфизованных пород в увлажненном состоянии значительно меньше, чем в сухом. Они относятся к размягчаемым породам, отличаются резкой неоднородностью физико-механических свойств в разных направлениях. Так, предел прочности на сжатие параллельно сланцеватости может быть в 5-10 раз меньше предела прочности в направлении, нормальном сланцеватости. Та же самая закономерность наблюдается и в отношении сопротивления сдвигающим усилиям и фильтрационных свойств.
Осадочные породы объединяют разнообразные грунты. Две подгруппы осадочных грунтов весьма близки по своим свойствам к магматическим и метаморфическим горным породам. Это обломочные, химические и органогенные породы с жесткими связями между зернами (сцементированные). К группе сцементированных грунтов следует отнести также глинистые отвердевшие породы. От магматических и метаморфических пород они отличаются относительно меньшей прочностью и характером взаимодействия с водой. Некоторые из них под влиянием воды размягчаются, набухают или растворяются. В то же время осадочные грунты в целом отличаются повышенной устойчивостью против выветривания.
Подгруппа обломочных сцементированных пород представлена брекчиями, конгломератами, песчаниками различной зернистости и с цементом различного состава (кремнистым, железистым, карбонатным, гипсовым, глинистым и др.).
Прочность обломочных сцементированных пород определяется прочностью слагающих ее обломков (зерен), составом цемента и характером цементации. Породы с глинистым и гипсовым цементом размягчаются под действием воды, а некоторые разности при наличии в цементе легкорастворимых солей частично растворяются и теряют связи между зернами (обломками), превращаются в несцементированные породы.
Подгруппа химических и биохимических пород. К этой подгруппе относятся породы, которые образовались в морях и замкнутых бассейнах в результате выпадения из воды растворенных в ней веществ, а также жизнедеятельности различных организмов. Физико-механические свойства химических и биохимических пород очень пестрые и зависят от минералогического состава, плотности и зернистости. Очень важным показателем инженерно-геологических свойств этих пород является растворимость, что относится в основном к карбонатным (известняк, доломит, мел), сульфатным и галоидным (гипс, ангидрит, галит, сильвин) грунтам.
Весьма большое инженерно-геологическое значение имеет характер содержания солей в породах: рассеянное или в виде скоплений (прослои, небольшие линзы среди глин и других пород). В этом случае устойчивость сооружений, возводимых на соленосных породах, зависит от возможности растворения солей. Растворение приводит к образованию в породах карстовых пещер, полостей, пор и других пустот, увеличивает водопроницаемость этих пород и снижает их прочность.
Подгруппа глинистых и пылеватых отвердевших грунтов. Грунты этой подгруппы обладают специфическими особенностями, благодаря которым они являются как бы переходными между классом пород с жесткими связями и классом пород без жестких связей. Глинистые и пылеватые отвердевшие породы часто обладают свойствами, характерными для обоих указанных классов. Например, обладая жесткими связями, они резко теряют свою прочность в воде, размягчаются, а некоторые их типы размокают в воде, что совершенно нехарактерно для скальных пород. В сухом состоянии они обладают относительно неплохой прочностью, практически несжимаемы, отличаются небольшой эффективной пористостью. К этой группе пород относят аргиллиты, алевролиты, мергелистые глины, кремнистые сланцы и др. В связи с такими свойствами эти грунты относятся к классу полускальных.
Нескальные грунты
К нескальным грунтам относится значительная часть дисперсных пород, отличающихся большим разнообразием состава и свойств. Они подразделяются на три группы: осадочные породы, почвы и искусственные грунты. Каждая из этих групп характеризуется своими особенностями и физико-механическими свойствами, определяемыми происхождением, минералогическим, гранулометрическим составом и другими факторами.
Почвы
Почвы выделяют в самостоятельную группу грунтов, они отличаются от любых других горных пород тем, что кроме минеральных частиц содержат сложное органическое вещество (до 20%) и различные живые организмы, являющиеся важнейшим фактором почвообразования.
Почвы служат полотном грунтовых дорог, нередко основанием для аэродромов и дорог с различными покрытиями, основанием фундаментов зданий и легких сооружений.
Почвы имеют различный гранулометрический состав. Как правило, они обладают более рыхлым сложением, чем породы, на которых они развиваются (материнские породы). Мощность почв обычно не превышает 2 метра и редко достигает 5 и более метров. Физико-технические свойства почв определяются их составом, макроструктурой, строением и степенью увлажнения. В ходе почвообразовательного процесса на однородной в генетическом отношении материнской породе образуется почва, расчленяющаяся на ряд генетических горизонтов, различных по составу и строению, а следовательно и по физико-техническим свойствам. Так, в верхнем горизонте происходят основные процессы накопления и разрушения органического вещества. Окрашен он в более темный цвет, чем нижележащие горизонты. В нем, как правило, отсутствуют легкорастворимые соли, которые из него вымываются. Нижняя часть этого горизонта называется горизонтом вымывания или элювиальным горизонтом /15/.
Ниже залегает горизонт, называемый горизонтом вмывания или иллювиальным горизонтом. По окраске он напоминает материнскую породу. В этом горизонте накапливаются вещества, приносимые водой из перекрывающего верхнего горизонта. Он обычно более плотный, чем вышележащий горизонт. Здесь происходит накопление различных солей, а также минеральных и органических коллоидов.
Самый нижний почвенный горизонт представляет собой слабо затронутую почвообразовательным процессом материнскую породу.
Характер почвообразовательного процесса зависит от физико-географических, геологических и биологических факторов (характера пород, климата, геоморфологии, растительного покрова, глубины залегания грунтовых вод и др.), поэтому основные типы почв обнаруживают зональный характер распределения на земном шаре. Наряду с этим наблюдаются почвы, распределение которых на поверхности Земли не подчиняется закону зональности, поэтому все почвы в инженерно-геологической классификации подразделяют на две группы: зональные и интразональные.
Зональные почвы приурочены к различным физико-географическим зонам с характерной растительностью и особенностям климата. Выделяются следующие типы почв, сменяющие друг друга в направлении с севера на юг: тундровые, подзолистые и дерново-подзолистые, болотные, лесостепные черноземные, каштановые, бурые, сероземные и латеритные (красноземные), которые образуются в тропических условиях.
Интразональные почвы формируются под влиянием местных условий почвообразования. Они залегают обычно небольшими площадями среди зональных почв. К интразональным почвам относятся черноземовидные и засоленные почвы. Черноземовидные почвы содержат повышенное количество гумуса по сравнению с зональными почвами, среди которых они развиты. Засоленные почвы содержат большое количество легкорастворимых солей натрия. Они широко распространены в пустынях и полупустынях. В сухом состоянии засоленные почвы обладают значительной твердостью, во влажном «раскисают».
Искусственные грунты
К искусственным или антропогенным относятся грунты, образующиеся в результате многообразной хозяйственной деятельности человека: строительства различных сооружений, проведения мелиоративных мероприятий, работы промышленных предприятий, разработки месторождений полезных ископаемых и пр.
Искусственные грунты отличаются исключительной неоднородностью состава, различными условиями залегания, часто содержат много органических веществ и в большинстве случаев имеют рыхлое сложение. Дать какую-либо количественную характеристику их свойств не представляется возможным. В то же время в этой своеобразной группе грунтов можно выделить несколько подгрупп, отличающихся друг от друга условиями накопления.
Культурный слой, как уже отмечалось, образуется в результате разнообразной деятельности человека – мусор, строительные материалы, засыпанные мостовые, остатки разнообразных зданий, намывные грунты и т.д.
Искусственно улучшенные грунты включают горные породы, подвергшиеся искусственному воздействию в целях повышения их прочности, уменьшения водопроницаемости и др.
Искусственно ухудшенные грунты возникают в результате разрыхления, обводнения, нарушения структуры в результате хозяйственной деятельности человека (распахивания, подтопления водами водохранилищ и пр.).
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
Вода на нашей планете представлена подземными и поверхностными водами. В отличие от поверхностных вод, подземные воды располагаются ниже поверхности суши и заполняют поры, трещины и другие полости в горных породах. Атмосферная вода и поверхностные воды, просачиваясь в землю, распределяются в ней соответственно геологическим условиям: структуре земной коры, водопроницаемости горных пород, температуре, образуя таким образом в верхней части земной коры подземные воды. Кроме атмосферных в земной коре имеются воды глубинного происхождения. Изучением подземных вод занимается наука о подземных водах – гидрогеология.
Водные свойства пород
Одна из задач грунтоведения связана с изучением влияния воды на горные породы в отношении устойчивости, сохранения структуры и прочности, а также способности пород поглощать воду и пропускать ее через себя, т.е. так называемые водные свойства пород. Ниже рассмотрены влажность, пластичность, набухание, усадка, размокание, растворимость и другие свойства.
Влажность породы (w) называют отношение массы воды, содержащейся в порах породы, к массе сухой породы m1 (высушивание ведется при t = 105 – 107°C в течение 8 ч).
(5.2)
где m – масса породы в естественном состоянии вместе с содержащейся в ней водой.
Степенью влажности или относительной влажностью породы называется степень заполнения ее пор водой.
Пластичностью называется способность породы изменять под действием внешних сил свою форму (деформироваться без разрыва сплошности) и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы прекратилось.
Деформируемость глинистых пород под действием давления зависит от их консистенции (относительной влажности). Для того чтобы выразить в числовых показателях пределы влажности породы, при которой она обладает пластичностью, введены понятие о верхнем и нижнем пределах пластичности.
Нижним пределом пластичности (границей раскатывания) называется такая степень влажности глинистой породы, при которой глинистое тесто, замешанное на дисцелированной воде, при раскатывании его в жгуте диаметром 3 мм начинает крошиться вследствие потери пластических свойств.
Верхний предел пластичности (граница текучести) представляет собой такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистое тесто, положенное в фарфоровую чашку и разрезанное глубокой бороздой, сливается после трех легких толчков чашки ладонью. При большой степени влажности тесто течет без встряхивания или при одном – двух толчках.
Разница между верхним и нижним пределами пластичности получила название числа пластичности, которое для разных пород составляет : глины – 17 и более, суглинки 7 – 17, супеси 0 – 7, пески – 0.
Набуханием называется способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Коэффициент набухания k обычно определяют лабораторным способом по приросту объема породы в процессе насыщения ее водой.
(5.3)
где V – объем набухшей от воды породы; V1 - объем воздушно сухой породы.
Набухание учитывают при строительных работах. Явление набухания дисперсных пород наблюдается в котлованах, выемках, строительстве платин и водохранилищ, когда изменяются гидрогеологические условия района.
Усадкой породы называется уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от ее естественной влажности: чем больше влажность, тем больше усадка.
Размоканием называется способность глинистых пород в соприкосновении со стоячей водой терять связность и разрушаться – превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности.
Растворимость пород. Подземные воды обладают большой растворяющей способностью. Теоретически почти все горные породы растворяются в подземных водах, однако степень и скорость растворения различны. Одни породы растворяются быстро (например каменная соль), другие медленно (известняки), а третьи растворяются настолько медленно, что практически считаются нерастворимыми (граниты). Процесс растворения зависит от характера породы, свойств воды – ее химического состава, общей минерализации, температуры, скорости движения, растворенных в воде газов и отдельных компонентов.
Способность воды растворять минералы или горные породы, а также цемент, бетон и т.д. называют агрессивной способностью. Вода обладает агрессивной способностью по отношению к данной породе только в том случае, если она не насыщена по данным минералам. Так, вода насыщенная карбонатом кальция, не будет растворять при данных температуре и давлении известняк, вода, насыщенная сульфатом кальция, не растворяет гипс.
При больших скоростях и турбулентном движении, а также при повышенной температуре воды, растворяющая способность ее при прочих равных условиях увеличивается.
Водопроницаемость. Под водопроницаемостью понимают способность пород пропускать (фильтровать) воду по имеющимся в них порам, трещинам и другим пустотам.
Водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации под которым понимают количество воды, проходящее в единицу времени через сечение, равное единице, при напорном градиенте, равном единице (либо скорость фильтрации при напорном градиенте равном единице).
Более подробно это понятие будет рассмотрено в разделе 5.5.
Влагоемкость и водоотдача пород. Способность пород принимать, вмещать и удерживать определенное количество воды называется влагоемкостью.
По степени влагоемкости дисперсные породы разделяются на три группы: влагоемкие (глинистые породы), средне влагоемкие (супеси, мелкозернистые пески) и невлагоемкие (пески, гравий и другие крупнообломочные породы).
Суммарное содержание в породе всех видов воды при полном заполнении всех пустот называется полной влагоемкостью породы.
Все виды влагоемкости выражают обычно отношениями массы воды, содержащейся в породе, к массе минеральных частиц (скелета) породы (показатель абсолютной влажности) или же отношением объема воды к объему пор (показатель относительной влажности породы) – коэффициент влажности.
Свойство пород, насыщенных водой, отдавать ее путем свободного стекания называется водоотдачей. Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы, наименьшей – тонкозернистые пылеватые пески. Водоотдача глинистых пород ничтожна, и практически они считаются породами, не обладающими водоотдачей.
Водоотдача горных пород характеризуется коэффициентом водоотдачи, который определяется опытным путем в поле в результате наблюдений за режимом подземных вод или специальных откачек [16].
Определение водоотдачи пород имеет важное практическое значение при расчете осушения горных выработок, строительстве дренажных сооружений, подсчете запасов подземных вод и др.
Гравитационные процессы
На естественных склонах и откосах искусственных выемок под воздействием собственной массы, поверхностных и подземных вод могут возникнуть оползни, обвалы, осыпи, оплывины, курумы. Наибольший ущерб застроенным территориям причиняют оползни.
Оползни – смещение масс горных пород по естественному склону или искусственному откосу под действием силы тяжести по ясно выраженной поверхности скольжения, связанное во многих случаях с деятельностью поверхностных и подземных вод.
Оползни широко распространены в природе и нередко проявляются в грандиозных масштабах. Как правило они происходят на берегах рек, морей, оврагов, озер, а также откосах искусственных выемок – каналов, строительных котлованов и т.д. Оползневые явления представляют большую угрозу для гидротехнических сооружений, очень опасны на склонах речных долин в местах берегового примыкания плотин. В результате оползней могут разрушаться каналы, проходящие на косогорных участках, трубопроводы, железные и шоссейные дороги, различные здания и сооружения.
Причины образования оползней, помимо благоприятного геологического строения, в общем случае могут быть следующими: гидродинамическое действие подземных вод на породы склона и выветривание горных пород; подмывание склона рекой или морем; подрезка склонов при строительстве каналов, дорог, трубопроводов и других сооружений; застройка склонов различными сооружениями, нарушающими равновесие склонов вследствие увеличения нагрузки. Особенно опасно воздействие на породы динамических нагрузок, например от массы проходящих поездов; интенсивное увлажнение пород осадками, фильтрационными водами из канав, поливными и грунтовыми водами, в результате чего возрастает масса пород, а силы сцепления в породе уменьшаются; недопустимая крутизна склонов; землетрясения.
Поверхность по которой происходит движение оползня, называется поверхностью скольжения или смещения. Плоскость пересечения поверхности скольжения со склоном ниже оползня называют подошвой оползня. Она может быть на уровне основания склона, выше и ниже его. В результате оползней склоны приобретают характерное очертание – почти отвесную плоскость отрыва в верхней части склона, внизу – бугристую массу тела оползня.
Для оценки возможности возникновения оползня пользуются коэффициентом устойчивости склона, который показывает соотношение сил сопротивления оползневому смещению и активных сдвигающих сил. Оползни возможны, когда коэффициент устойчивости склона (переменный во времени в зависимости от различных факторов), уменьшаясь, становится равным единице.
В образовании оползней выделяют четыре стадии:
Подготовка оползня, во время которой уменьшается коэффициент устойчивости склона и нарастает деформация пород, предшествующая их разрушению;
Основного смещения оползня, во время которой вслед за разрушением пород вдоль поверхности скольжения происходит за сравнительно короткий срок большая часть оползневого смещения;
Вторичных смещений – период, в который в теле оползня смещаются породы, не пришедшие во второй стадии в устойчивое состояние;
Устойчивости (стабилизации) – горные породы не испытывают деформаций, коэффициент устойчивости склона постоянный или возрастает.
Скорость движения оползней изменяется от долей миллиметра в сутки до нескольких десятков метров в час.
Оползневые явления широко развиты на высоких берегах Волги, Днепра, Сожа и многих других рек, на побережье Черного и других морей, в горных районах Средней Азии, Закавказья и др. Оползни в комплексе с обвалами являются причиной образования завальных озер в речных долинах, прорыв которых может грозить катастрофой для расположенных ниже селений.
Для прогноза оползней применяют расчетные методы, основанные на определении коэффициента устойчивости склона путем сравнения напряжения в склоне с прочностью слагающих его пород, учете баланса земляных масс и др. Все эти методы рассматриваются в специальных руководствах.
Обвал – это внезапное отделение массы горных пород на крутом склоне с углом большим угла естественного откоса, происходящее вследствие потери сцепления в результате выветривания или потери опоры из за эрозии или абразии в основании склона. Обвалы относя к гравитационным движениям без участия воды. Они часто вызываются сейсмическими толчками.
Глыбы отвалов, накапливающиеся у подножья склонов, иногда представляют угрозу для строений и инженерных сооружений, расположенных на этих участках: гидроэлектростанций, трубопроводов, линий электропередач, шоссейных и железных дорог.
Осыпи – накопление продуктов выветривания горных пород у подножья склонов (обычно обломки не отсортированы, остроугольные) – одна из форм делювиальных отложений. Они смещаются к основанию склона под действием собственной массы, что часто вызывается осадками.
Осовы – отличаются от осыпей тем, что щебенистый материал их состоит из смеси твердых и мягких пород. Присутствующие в осовах мягкие породы (мергели, кремнистые глины, опоки и глинистые сланцы) благодаря их малой проницаемости в отличие от осыпей задерживают воду. Осовы движутся вследствие насыщения их водой, но их движение не носит, как у оползней, характера пластического течения. Какая-то часть их тела вдруг, смещаясь, оседает вниз, образуя обрыв на границе смещения; вслед за этим смещается следующий участок. Вероятными факторами образования осовов являются насыщение их водой и уменьшение трения.
Курумы – скопления крупных обломков скальных пород, образованных в результате выветривания у подножия склонов; представляют поля каменных глыб.
Оплывины – это смещение со склонов различных земных масс. Разжижение может происходить вследствие насыщения глинистой породы водой и перехода ее в текучее состояние. Особенно подвержены этому процессу легко размокающие породы, например лесы и лесовидные суглинки.
Лавины представляют собой обрушение снежных масс с горных склонов. Снежные лавины иногда представляют собой большую угрозу, например при падении их в водохранилище вблизи плотин на горных реках. Исследование лавин является одним из важных и серьезных вопросов инженерной геологии.
Подвижки горных пород на склонах принадлежат к числу явлений, опасных для зданий и сооружений, как в процессе строительства, так и эксплуатации. Каждый тип гравитационных подвижек в определенных горно-геологических условиях вызывает необходимость проведения мероприятий строго соответствующих условиям оползания или осыпания. Как правило, все мероприятия по борьбе с подвижками горных масс на склонах должны быть направлены к тому, чтобы исключить действие условий, вызывающих подвижки.
У оползней, поверхность скольжения которых проходит ниже подошвы склона (детрузивных) и при движении оползня образуется характерный бугор выпирания, усиливают удерживающее противооползневое давление этого грунта отсыпкой контрбанкетов или прошивкой железобетонными шпильками. Для оползней, не имеющих бугра выпирания, перед склоном (деляпсивных оползней), предусматривают строительство подпорных стенок, которое сопровождается дренирующими устройствами.
При недостаточной плотности сложения движущейся массы возможно закрепление склона пропиткой твердеющими растворами (силикатизация). Одним из распространенных методов борьбы с подвижками горных пород является применение дренирующих и водоотводящих устройств.
Во избежание излишнего увлажнения склона следует не допускать вырубки растущих на нем деревьев и кустарников, производить посадку растений с мощной корневой системой и запрещать распашку почвы.
Меры борьбы с обвальными явлениями сводятся к расчистке склонов от глыб, камней и к взрывным работам. При невозможности проведения таких мероприятий предусматривают варианты подземного расположения сооружений или устройство мощных перекрытий над надземными.
Решение вопроса о выборе мероприятий по борьбе с движением горных масс на склонах и увеличении их устойчивости каждый раз должно быть найдено на основе тщательного изучения всех условий возникновения и существования подвижек для данного склона. Предполагаемое к осуществлению мероприятие должно быть тщательно проанализировано и должен быть составлен прогноз режима и существования склона после проведения принятых мероприятий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пешковский Л.М. Инженерная геология: Учебное пособие для студентов вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. /Л.М. Пешковский, Т.М. Перескокова. – М.: Высшая школа, 1982. – 341с.
2. Горбачев А.М. Общая геология. Учебник для геологоразведочных техникумов. /А.М. Горбачев. – М.: Высшая школа,1973. – 317с.
3. Общая геология. /ред. Г.Д. Ажгирей. – М.: Просвещение, 1974. – 479с.
4. Мельничук В.С. Общая и историческая геология: учебник. /В.С. Мельничук, М.С. Арабаджи. – М.: Недра, 1979. – 195с.
5. Абрикосов И.Х. Общая, нефтяная и нефтепромысловая геология. /И.Х. Абрикосов, И.С. Гутман. – М.: Недра, 1974. – 360с.
6. Пинчук А.П. Основы геологии: курс лекций по дисциплине «Общая геология» для студентов специальности 1-51 02 02 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений». /А.П. Пинчук. – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2009. – 97с.
7. Скабаланович И.А. Гидрогеология, инженерная геология и осушение месторождений: Учебник для техникумов. 4-е издание. / И.А. Скабаланович, М.В. Седенко. – М.: Недра, 1980. – 205с.
8. Гальперин А.М. Гидрогеология и инженерная геология: Учебник для вузов. /А.М. Гальперин, В.С. Зайцев, Ю.А. Норватов. – М.: Недра,1989. – 383с.
9. Богомолов Г.В. Гидрогеология с основами инженерной геологии. Изд. 3-е. Учебное пособие для студентов геологических специальностей. /Г.В. Богомолов. – М.: Высшая школа,1975. – 317с.
10. Карцев А.А. Гидрогеология нефтяных и газовых месторождений. Изд. 2-е. /А.А. Карцев. – М.: Недра, 1972. – 280с.
11. Кац Д.М. Основы геологии и гидрогеологии. Изд. 2-е. /Д.М. Кац. – М.: Колос,1981. – 351с.
12. Белый Л.Д. Инженерная геология. Учебник для строительных специальностей вузов. /Л.Д. Белый. – М.: Высшая школа, 1985. – 231с.
13. Флоренский П.В. Основы литологии: Учебное пособие. /П.В. Флоренский, Л.В. Милосердова, В.П. Балицкий. – М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003. – 105с.
14. Сергеев Е.М. Инженерная геология. /Е.М. Сергеев. – М.: МГУ, 1978. -418с.
15. Справочник по инженерной геологии. /Под общей редакцией М.В. Чуринова. – М.: Недра, 1968. – 540с.
16. Чоповский Е.Г. Инженерная геология (Основы инженерно-геологического изучения горных пород. Учебное пособие для студентов геол. спец. вузов. /Е.Г. Чоповский. – М.: Высшая школа,1975. – 296с.
СОДЕРЖАНИЕ
| Введение | 3 |
| 1. Основные сведения о геологии | 4 |
| 1.1. Геология как наука, ее содержание и ее подразделения | 4 |
| 1.2. Методы в геологии | 6 |
| 1.3. Земля как планета. Происхождение и строение Земли | 9 |
| 1.4. Геологическая хронология | 17 |
| 2. Минералы и горные породы | 20 |
| 2.1. Минералы, их физические свойства, классификация. Главнейшие породообразующие минералы | 20 |
| 2.2. Горные породы, их классификация по генезису | 22 |
| 2.2.1. Магматические горные породы, общая характеристика. Формирование свойств. | 23 |
| 2.2.2. Осадочные горные породы, их классификация по условиям образования. Условия залегания | 26 |
| 2.2.3. Метаморфические горные породы. Классификация метаморфических пород | 29 |
| 2.3. Трещиноватость пород и ее значение для строительства | 30 |
| 2.4. Инженерно-геологическая оценка генетических групп горных пород | 32 |
| 3. Введение в инженерную геологию. Грунтоведение | 33 |
| 3.1. Понятие о грунтах. Классификация грунтов | 35 |
| 3.2. Типы скальных грунтов | 36 |
| 3.3. Нескальные грунты | 40 |
| 3.4. Классификация грунтов осадочного происхождения, основные определяющие признаки подгрупп и генетических типов | 40 |
| 3.5. Почвы | 43 |
| 3.6. Искусственные грунты | 45 |
| 3.7. Физико-механические свойства грунтов | 45 |
| 4. Процессы внутренней динамики Земли (эндогенные процессы) | 47 |
| 4.1. Деформация горных пород. Природа тектонических движений | 48 |
| 4.2. Общие сведения о нарушениях в залегании горных пород | 50 |
| 4.3. Тектонические движения земной коры | 55 |
| 4.4. Землетрясения, их воздействие на горные породы и сооружения. Сейсмическое районирование территории | 57 |
| 5. Подземные воды | 61 |
| 5.1. Основы гидрогеологии. Общие сведения о подземных водах. Гидрогеология как наука | 61 |
| 5.2. Химический состав, формирование и классификация подземных вод | 64 |
| 5.3. Водные свойства пород | 70 |
| 5.4. Водоносный слой и его основные характеристики | 73 |
| 5.5. Движение и режим подземных вод | 74 |
| 5.6. Методы определения характеристик водопроницаемости | 79 |
| 5.7 Методы борьбы с грунтовыми водами | 81 |
| 6. Физико-геологические процессы и явления, влияющие на устойчивость грунтов и сооружений (процессы внешней динамики Земли) | 84 |
| 6.1. Гравитационные процессы | 84 |
| 6.2. Процессы, связанные с деятельностью поверхностных вод | 88 |
| 6.3. Процессы связанные с деятельностью подземных вод | 92 |
| 6.4. Процессы связанные с деятельностью подземных и поверхностных вод | 96 |
| 6.5. Влияние выветривания на инженерно-геологические свойства пород | 99 |
| 7. Инженерно-геологические исследования | 105 |
| 7.1. Состав и задачи инженерно-геологических исследований | 105 |
| 7.2. Инженерно-геологические изыскания для строительства трубопроводов | 107 |
| 7.3. Полевые и лабораторные исследования грунтов | 112 |
| 7.4. Камеральная обработка полевых материалов | 116 |
| 8. Геологические процессы, вызываемые инженерной деятельностью человека | 119 |
| 8.1. Понятие о технической мелиорации грунтов | 120 |
| Литература | 125 |
ГЕОЛОГИЯ И ГИДРОГЕОЛОГИЯ
Пособие по одноименной дисциплине для слушателей специальности 1-70 05 75 «Трубопроводный транспорт, хранение и реализация нефтегазопродуктов»
Гомель 2017
УДК 55+556,3
ББК 33.361-11+26.35
Рекомендовано кафедрой «Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений и транспорт нефти» ГГТУ им.П.О. Сухого (протокол №6 от 14.12.2016 г.)
Рецензент: В.Г. Жогло, доктор геолого-минералогических наук, доцент, заведующий кафедрой «Разработка, эксплуатация нефтяных месторождений и транспорт нефти» Гомельского государственного технического университета имени П.О. Сухого
Порошин В.Д.
Геология и гидрогеология: пособие по одноим. курсу для слушателей специальности 1-70 05 75 «Трубопроводный транспорт, хранение и реализация нефтегазопродуктов» заочной формы обучения / В.Д. Порошин – Гомель: ГГТУ им. П.О. Сухого, 2017 - 128 с.
В учебном пособии излагаются общие сведения о геологии, минералах и горных породах, основы общей и инженерной геологии, а также гидрогеологии, материалы по процессам внутренней и внешней динамики Земли, методам гидрогеологических и инженерно-геологических исследований.
Предназначено для слушателей Института повышения квалификации и переподготовки.
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие по изучению дисциплины «Геология и гидрогеология» предназначено для слушателей Института повышения квалификации и переподготовки (ИПКиП) по специальности «Трубопроводный транспорт, хранение и реализация нефтепродуктов». Пособие подготовлено в соответствии с «Образовательным стандартом Республики Беларусь ОСРБ 1 - 70 05 75 – 2016 «Переподготовка руководящих работников и специалистов, имеющих высшее образование» по вышеназванной специальности (утвержден и введен в действие постановлением Министерства образования Республики Беларусь от 26.08.2016г., №84).
Для усвоения курса слушатели должны владеть, по меньшей мере, основами трех самостоятельных геологических дисциплин (общая геология, инженерная геология, гидрогеология) и им приходится вести поиск необходимой информации по различным учебникам, пособиям, отдельным разрозненным публикациям и т.д. К тому же такая информация должна быть адаптирована к специальности переподготовки 1 – 70 05 75 «Трубопроводный транспорт, хранение и реализация нефтепродуктов». Специальные учебники и учебные пособия по курсу «Геология и гидрогеология» для данной специальности в настоящее время отсутствуют. Поэтому основной целью данного пособия является лаконичное изложение учебной программы в необходимом объеме в рамках одной небольшой работы.
Структура, объем и содержание изложенного в пособии материала прошли апробацию при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий в ИПКиП Гомельского государственного технического университета имени П.О. Сухого. Автор надеется, что опыт его научной и производственной деятельности, а также опыт, полученный при подготовке и проведении занятий по дисциплине «Геология и гидрогеология», позволили скомпоновать необходимый материал согласно вышеназванной Учебной программе с необходимой полнотой, доступностью и, вместе с тем, краткостью изложения.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИИ
1.1. Геология как наука, ее содержание и ее подразделения
Геология (гео – Земля, логос – учение) – наука о происхождении, строении и истории развития Земли, о геологических процессах, в результате которых формируется земная кора, о зарождении и эволюции жизни на Земле, процессах, протекающих в ее недрах и на поверхности, химическом и вещественном составе земной коры, условиях формирования и закономерностях распространения полезных ископаемых.
Начиная с глубокой древности люди стали изучать строение Земли, состав и свойства ее пород и процессы, непрерывно изменяющие земную поверхность. К концу 18 века накопился столь значительный запас сведений о Земле, что смогла сформироваться самостоятельная наука, получившая название «геогнозия» (землевладение), а в 19 веке – геология (наука о Земле) / 1/.
Геология не изолирована от других областей знаний. Наоборот, геология, как многоотраслевая наука, привлекает для изучения или объяснения тех или иных геологических процессов и закономерностей данные таких наук, как физика, химия, математика, биология, планетология, космофизика и др. Из науки описательной она превращается в науку, опирающуюся на точные физико–математические и другие методы исследований.
Интенсивное развитие геологии привело к накоплению большого количества фактических материалов, в результате чего отдельные разделы геологической науки стали обособляться в самостоятельные научные дисциплины. Возникли минералогия (наука о составе, происхождении и свойствах природных соединений – минералов, слагающих земную кору), петрография (наука об агрегатах минералов – горных породах, их составе, строении, происхождении и условиях залегания), литология (наука о формировании и свойствах осадочных пород), динамическая геология, изучающая процессы изменяющие облик Земли, стратиграфия (учение о последовательности залегания различных слоев Земли и времени их образования), тектоника, изучающая структурные изменения земной коры и литосферы, историческая геология, исследующая историю развития земной коры с начала ее формирования до настоящего времени, серия геологических наук, изучающих условия формирования и закономерности распространения отдельных видов полезных ископаемых (геология нефти и газа, геология рудных полезных ископаемых и т.д.). Среди перечисленного ряда геологических наук достойное место занимает общая геология, гидрогеология и инженерная геология, о которых в основном пойдет речь в данном пособии.
Общая геология рассматривает общие сведения о Вселенной и Земле, начиная от положения Земли в мировом пространстве и кончая различными процессами, которые происходят на поверхности планеты и в ее недрах. Первый раздел общей геологии рассматривает вопросы строения Земли, химический состав и физические свойства планеты, ее внешние оболочки (атмосфера, гидросфера, биосфера), вещественный состав земной коры (минералы и горные породы), дает краткие сведения по истории развития земной коры. Следующие разделы общей геологии посвящены процессам внешней (геологическая деятельность ветра, поверхностных и подземных вод, морей, озер и ледников) и внутренней динамики Земли (магматизм, движения земной коры, тектонические нарушения, метаморфизм), а также сведениям о геологической документации /2-6/.
Гидрогеология – наука о подземных водах, т.е. водах, находящихся ниже поверхности земли в газообразном, твердом и, главным образом, в жидком виде, приуроченных к различным горным породам. Она изучает происхождение и развитие подземных вод, условия их залегания и распространения, законы движения, взаимодействие с вмещающими породами, физические и химические свойства, их газовый состав и агрессивность /7–10/.
Инженерная геология – наука изучающая земную кору как возможную среду инженерной деятельности человека. Возводимые объекты (в т.ч. трубопроводы, насосные станции, подземные резервуары для хранения нефти и газа) вызывают определенные изменения природно–геологических условий, а измененная природная обстановка в сочетании с естественной, в свою очередь, влияет на условия строительства. Отсюда следует, что теоретической и практической задачей инженерной геологии является прогнозирование геологических процессов, вызываемых хозяйственной деятельностью человека и разработка мероприятий, обеспечивающих нормальную работу различных предприятий (в т.ч. нефтегазового профиля), а также устойчивость и нормальную эксплуатацию различных сооружений, возводимых как в благоприятных, так и в неблагоприятных геологических условиях /8, 12/.
Инженерная геология самым тесным образом связана с учением о подземных водах – гидрогеологией. Развитие гидрогеологии началось несколько раньше инженерной геологии и идет параллельно с ней.
В современных условиях инженеры-строители (в т. ч. занимающиеся возведением различных трубопроводов и хранилищ углеводородов) обычно сами не ведут инженерно-геологические исследования – для этого существуют специализированные инженерно-геологические организации. Однако при проектировании, финансировании и осуществлении строительства они должны знать, понимать и учитывать инженерно-геологические и гидрогеологические условия строительной площадки или трасс трубопроводов. Инженеры строители должны уметь правильно и вовремя поставить перед геологом задачи инженерно-геологических исследований, должны принимать правильные решения о проведении инженерно-строительных мероприятий, необходимых в конкретных геологических условиях, а также оценивать качество проводимых геологических и гидрогеологических исследований. Поэтому изучение дисциплины «Геология и гидрогеология» является обязательным для слушателей Института повышения квалификации и переподготовки по специальности «Трубопроводный транспорт, хранение и реализация нефтепродуктов»
Методы в геологии
Геология как наука обладает большим количеством методов, позволяющих изучать глубокие недра Земли, современные геологические процессы и историю развития различных участков ее территории, исследовать разнообразные свойства горных пород и подземных вод, слагающих земную кору, вести поиск разведку и разработку различных полезных ископаемых. Каждое из перечисленных в предыдущем разделе направлений в геологии обладает своим набором методов, которые основаны на использовании новейших достижений естественных наук – физики, химии, биологии, геофизики, географии и др.
Изучение внутреннего строения Земли производится различными геологическими и геофизическими методами. Геологические методы основаны на изучении естественных обнажений горных пород в горно- пересеченной местности, разрезов глубоких шахт и рудников, продуктов извержения вулканов, а также метеоритов и образцов пород, доставленных с Луны, Марса, Венеры.
Среди геологических методов познания недр Земли особо необходимо отметить глубокое и сверхглубокое бурение, позволяющее отбирать для изучения образцы горных пород и пластовых флюидов с больших глубин, изучать пластовую температуру, физико-химические и геофизические свойства геологического разреза. Несмотря на то, что самая глубокая скважина, пробуренная на Кольском полуострове, достигла глубин только в 12,3 тысяч метров, полученные материалы глубокого бурения позволяют более объективно применять для изучения недр геофизические методы исследований.
Изучая прохождение сейсмических волн при землетрясениях и проводя геофизические, геохимические, космические и другие исследования, геолог раскрывает тайны строения глубоких горизонтов земной коры и Земли как планеты в целом.
В настоящее время наука располагает комплексом геофизических методов исследования земных недр, основанных на использовании свойств материи Земли, полученных геологическими методами (электрических, магнитных, тепловых, гравитационных, сейсмических). Наиболее информативными для решения этих задач оказались данные исследования сейсмических волн землетрясений, обвалов, искусственных взрывов (метод глубинного сейсмического зондирования).
Исследования показывают, что при подземных толчках возникает три рода сейсмических волн: продольные поперечные и поверхностные. Продольные волны распространяются в направлении колебания частиц горных пород. На границе слоев с разной плотностью они испытывают преломление и частичное отражение. Поперечные волны распространяются только в твердых средах, в направлении перпендикулярном колебательным движениям частиц. На границе с газообразной и жидкой средой поперечные волны испытывают полное отражение. По продольным и поперечным сейсмическим волнам методом глубинного сейсмического зондирования установлено строение земной коры, мантии и ядра Земли (см. разд. 1.3).
Сопоставление скоростей сейсмических волн в земной коре со скоростями, измеренными в образцах горных пород позволило установить, что под покровом осадочных пород, составляющих верхние слои земной коры, залегают гранитные породы, затем базальтовые и еще ниже перидотитовые.
Из геофизических методов для изучения земной коры применяются также гравиметрические, магнитометрические, ядерные, геотермические и другие методы. Гравиметрические методы позволяют определить плотность горных пород, установить аномалии силы тяжести, магнитометрические – выявить на глубине распределение магнитных масс, геотермические – величину тепловых потоков, поднимающихся из глубинных зон Земли.
В целях изучения геологического прошлого Земли применяется принцип актуализма, основанный на том, что процессы, происходившие в прошлые геологические эпохи, и явления, вызывавшиеся этими процессами, имеют много общего с современными геологическими процессами и явлениями. Поэтому, изучая современные процессы и результаты их действия, можно приближенно восстановить ход древних процессов и явления, с ними связанные. Естественно геологи, пользуясь принципом актуализма, переносят ход современных геологических процессов в прошлое не механически, а с учетом того, что условия среды (климат, органический мир, атмосфера, распределение океанов и морей) в прошлом непрерывно менялись.
Каждая самостоятельная геологическая дисциплина использует не только общие для геологии методы исследований, но и свои собственные методы, адаптированные к решению конкретных задач. Так, в инженерной геологии для изучения и оценки физико-механических свойств горных пород применяют геологические, полевые и лабораторные методы.
Геологические методы заключаются в изучении возраста, происхождения, характера, состава и мощности горных пород непосредственно в условиях их естественного залегания. При этом описываются естественные обнажения горных пород, бурят скважины, проводят проходку шурфов и штолен для отбора образцов горных пород и их осмотра, выполняют геофизические исследования, определяют выдержанность состава и мощности пород и разреза по площади, изменение степени трещиноватости и т.д. Полевые методы основаны на использовании специальных установок, позволяющих оценить свойства горных пород в условиях их естественного залегания. Лабораторными методами изучают инженерно-геологические свойства пород (сжимаемость, сопротивление сжатию и сдвигу, размокаемость и т.д.) на образцах в лабораторных условиях.
1.3. Земля как планета. Происхождение и строение Земли
Земля – одна из планет Солнечной системы. Солнечная система входит в состав одной из звездных подсистем Галактики и располагается где-то посредине между центром и краем ее диска /2/. Вокруг Солнца по элиптическим орбитам вращается девять планет Солнечной системы, большинство из которых имеют один или несколько (до 17) спутников. Между Марсом и Юпитером располагается пояс астероидов, который делит планеты Солнечной системы на две группы. Ближе к Солнцу расположены малые планеты типа Земли: Меркурий, Венера, Земля и Марс; за поясом астероидов – планеты гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон (рисунок 1.1.) Впрочем по размеру Плутон трудно отнести к гигантам.
Рис. 1.1. Относительные размеры Солнца и планет Солнечной системы
Планеты типа Земля характеризуются: малыми размерами, высокой плотностью, небольшими массами, медленным вращением вокруг своих осей, преобладанием в их составе более тяжелых химических элементов. Планеты гиганты (за исключением Плутона) отличаются от малых планет, состоящих из кислорода, кремния, алюминия, железа и некоторых других химических элементов. Они образованы преимущественно аммиаком, метаном, водородом и гелием. Ниже приведены общие сведения о физических параметрах Солнца и планет Солнечной системы (таблица 1.1).
Таблица 1.1
Физические параметры планет Солнечной системы ска?)
| Объект | М/МЗем | R/RЗем | σ, г/см3 | g, м/с2 | Магнит-ное поле, Эрстед | Коли-чество спут-ников | Период враще-ния |
| Солнце | 99,9% | - | - | - | - | - | - |
| Меркурий | 0,055 | 0,38 | 5,44 | 3,7 | 0,03 | - | 59 сут |
| Венера | 0,82 | 0,95 | 5,25 | 8,87 | 0,25 | - | 243 сут. обратн. |
| Земля | 1,0 | 1,0 | 5,52 | 9,8 | 0,5 | 1,0 | 1,0 сут. |
| Марс | 0,107 | 0,53 | 3,94 | 3,73 | 0,07 | 2 | 1,03 сут. |
| Юпитер | 318 | 11,2 | 1,33 | 23 | 660 | 16 | 10 час. |
| Сатурн | 95 | 9,4 | 0,7 | 9,1 | 370 | 17 | 9,1 час. |
| Уран | 15 | 4,1 | 1,26 | 7,8 | 32 | 5 | 15 час. |
| Нептун | 17 | 3,9 | 1,67 | 11 | 30 | 2 | 18 час. |
| Плутон | 0,1 | 0,2 | 4,9 | - | - | 1 | - |
Рассматривая Землю, как одну из планет солнечной системы, отметим некоторые закономерности, выявленные в строении этой системы.
1. Все планеты вращаются вокруг Солнца в том же направлении, в каком вращается Солнце.
2. Орбиты планет проходят как бы в одной плоскости (отклонение имеет лишь орбита Плутона).
3. Более плотные малые планеты расположены в непосредственной близости от Солнца: состоят они из более плотного вещества и удалены друг от друга на относительно небольшие расстояния (по сравнению с планетами гигантами.
4. Малые планеты имеют более разреженные атмосферы, состоящие преимущественно из углекислого газа, азота, кислорода, водорода и почти лишены спутников.
5. Планеты расположены на безопасных, с точки зрения взаимного притяжения, расстояниях. Эти расстояния находятся в прямой зависимости от масс планет, т.е. чем больше массы соседних планет, тем больше расстояние между их орбитами.
Земля имеет одного спутника – Луну, которая отдалена от нее на расстояние более 365 тыс. км. Форма Луны шарообразная, вытянутая в сторону Земли, диаметр ее 3467 км, средняя плотность 3,3 г/см3. Один оборот вокруг Земли и вокруг своей оси она совершает за 27,33 земных суток. Луна обращена к Земле одной стороной. Атмосфера у Луны отсутствует. Температура на поверхности Луны в лунный полдень +1200С, ночью -1500С. На поверхности Луны четко прослеживается лунный рельеф, основными формами которого являются лунные моря, кратеры, кольцевые горы и лучевые горные системы. Лунный грунт имеет серый или коричневый цвет и состоит из тонкопесчаного материала и отдельных камней. Тонкий лунный материал представлен обломками пород, кристалликами и стеклянными шариками, в составе которых преобладает железо, титан, торий, цирконий, Возраст Луны, по данным исследования лунного грунта, около 4,5 млд. лет.
На рис.1.2 показано сравнение химического состава земных и лунных пород, полученных в результате космических исследований.
Рис.1.2. Элементный состав земных и лунных пород
В целом наблюдается значительное сходство по составу пород Луны и Земли, хотя в лунных образцах значительно больше титана и нет воды. Следует также отметить значительное сходство пород Земли, Марса и метеоритов, что свидетельствует о единстве состава Земли, Луны и других малых планет Солнечной системы. Вместе с тем наша планета занимает среди планет солнечной системы особое положение – у нее есть жидкая вода (гидросфера), биосфера и ноосфера (органическая и разумная жизнь).
Вопрос о происхождении Земли является весьма сложным и пока не решенным.
Космогоническая гипотеза Канта была первой научной гипотезой, рассматривающей развитие космоса и происхождения Земли на основе действия физических сил (1755г.). Несколько поздней появилась схожая гипотеза Лапласа. Согласно этим гипотезам, космическая материя первоначально состояла из элементарных частиц. Под влиянием сил притяжения и отталкивания они в пределах всего космического пространства стали приходить в определенный порядок, стягиваясь к центрам притяжения и приобретая вращательное движение. В результате такого сгущения массы большой вращающейся туманности из периферической части туманности возникли планеты, из центральной – Солнце. Предполагалось, что первоначально Земля находилась в огненно-жидком состоянии, а затем происходило ее остывание. В гипотезах Канта и Лапласа в последствии обнаружились противоречия физического характера.
В СССР в 30-х годах ХХ столетия широкое распространение получила гипотеза О.Ю. Шмидта, рассматривающая облака метеорной пыли как материал для возникновения планет, а движение Солнца, как условия захвата и уплотнения этого материала. Вначале размеры Земли были меньше современных и постоянно увеличивались за счет падающих метеоритов. Земля рассматривается как твердое тело со сравнительно постоянной во времени температурой.
Однако и в гипотезе О.Ю. Шмидта отмечено ряд противоречий. Она явно преувеличивает роль метеоритов в образовании планет и недоучитывает роль физико-химических процессов, происходящих на Солнце.
Более совершенной выглядит гипотеза академика В.Г. Фесенкова. Вопросы об эволюции звезд и происхождении Солнечной системы В.Г. Фесенков рассматривает неразрывно друг от друга. Солнце и планеты образовались из газово-пылевой туманности, которая прошла стадию уплотнения, консолидации и стадию волокнистой туманности. Звездообразное сгущение, возникшее из уплотненного волокна, первоначально находилось в окружении газово-пылевой материи. Последняя, вращаясь вокруг сгущения, образовало уплотнения, протопланеты, а затем и сами планеты.
В соответствии с этой гипотезой, далеко расположенные от Солнца планеты гиганты сохранили свой первоначальный состав до настоящего времени. Причиной этому является твердое состояние газов в их мощных и очень холодных атмосферах. Планеты, расположенные близко к Солнцу (в т. ч. и Земля), утратили свой первоначальный состав. Легкие элементы у них под давлением солнечных лучей рассеялись в межпланетном пространстве. До настоящего времени сохранились лишь ядра этих протопланет, состоящие из тяжелых элементов.
Большинство ученых США, Англии, Франции и некоторых других стран придерживаются мнения, что планеты земного типа образовались за счет аккумуляции твердых космических частиц и тел, тогда как планеты-гиганты сформировались за счет кристаллизации газов.
Земля вместе с другими планетами Солнечной системы совершает во вселенной сложный круг движений. Вращаясь вокруг своей оси, она одновременно обращается вокруг Солнца и вместе с ним вокруг центра нашей Галактики, которая называется «Млечный путь». Обращение вокруг Солнца происходит по элиптической орбите с периодом 365 солнечных суток, вращение вокруг оси Земля совершает за 23ч 56 мин 4 сек.
Земля имеет шарообразную форму, близкую к форме трехосного элипсоида вращения, точнее геоида. Геоид (землеподобный) представляет собой условную поверхность, направление силы тяжести в любой точке которой перпендикулярно этой поверхности. Иначе говоря это поверхность, которую бы принял уровень воды, если бы вся Земля была покрыта океаном (т.е. совпадает с уровнем воды в Мировом океане, который мысленно проводится под континентами).
По существующим данным, Земной шар может быть подразделен на ряд концентрических сфер. Эти сферы называются оболочками Земли или геосферами. Можно выделить наружные геосферы, доступные непосредственному изучению – атмосферу, гидросферу, биосферу, а также частично земную кору, и ряд внутренних, границы раздела между которыми выделены по резким скачкообразным изменениям скоростей распространения сейсмических волн, вызванных изменением упругих характеристик и плотности вещества (рис. 1.3).
В упрощенном виде в Земле выделяется ядро, радиусом около 3400 км, мантия или промежуточная оболочка толщиной примерно 2900 км и земная кора, мощность которой колеблется от 5 до 75 км. Каждая из этих геосфер, в свою очередь, неоднородна и подразделяется на субоболочки, отличающиеся по своим физико-химическим свойствам.
Рис.1.3. Земля, ее строение и состав
Представление о неоднородном строении земного шара первоначально базировались на сравнении величин плотности горных пород, наиболее широко встречаемых в природе, со средней плотностью Земли. Средняя плотность Земли была вычислена после установления ее размеров и составила 5,52 г/см3, что значительно превышает плотность веществ, наиболее часто встречающихся на поверхности планеты (около 2,7 г/см3). Следовательно недра Земли сложены веществами, имеющими плотность, превышающую 5,52 г/см3.
Последующие геофизические исследования показали, что плотность вещества Земли с глубиной изменяется не только постепенно, но на определенных глубинах и резко.
Ядро Земли – центральное тело нашей планеты, ограниченное поверхностью раздела на глубине около 2900 км. На этой глубине скорость продольных волн скачкообразно понижается (с 13,7 до 8 км/с), а поперечные волны ядро не пропускает. По современным представлениям это тело состоит из внешнего ядра, находящегося в расплавленном состоянии, и внутреннего (с глубины 5100 км), вероятно твердого. Ядро, как предполагают ученые, имеет железоникелевый состав.
Промежуточная оболочка (мантия) располагается между земной корой и ядром Земли в интервале глубин 50 – 2900 км. Скорости распространения сейсмических волн в ней достигают 13,7 км/с (для продольных волн) и 7,3 км/с (для поперечных). В целом вещество ее имеет ультраосновной состав (ультраосновные магматические породы). В верхней части мантии предполагается наличие первичных магматических очагов.
Земная кора обладает довольно резко изменяющейся мощностью и непостоянным строением. Выделяют земную кору континентального и океанического типов. В отдельных районах (Прикаспийская впадина) наблюдается субокеаническая и субконтинентальная (окраинные моря) земная кора. В районе Прикаспийской впадины, осадочная толща мощностью до 20 км и более залегает непосредственно на базальтовом слое, также как и в областях дна внутренних морей (Черное, Средиземное, Японское, Берингово и др.).
Континентальная кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоя (рис. 1.4). Осадочный слой прерывистым чехлом покрывает земную кору с поверхности. Его мощность местами достигает 15 – 18 км, при среднем значении около 3 км.
Рис.1.4. Основные типы строения земной коры и ее главные структурные элементы (по Е.В. Хаину, 1964):
1 –осадочный слой, 2 – гранитный слой,3 – базальтовый слой, 4 – верхняя мантия, 5 – характеристика слоев (в числителе – средняя мощность в км, в знаменателе – средние скорости сейсмических волн, км/с).
Высоко поднятые участки залегания кристаллических пород почти не несут на себе осадочного слоя (щиты, кристаллические массивы), в то время как во впадинах мощность осадков резко увеличивается. Например, в Баренцевом море, где в прибрежной части развит континентальный тип коры, в 150 км от берега мощность осадочного слоя достигает 18 км.
Гранитный слой также не выдержан по мощности. В молодых горах (Альпы, Кавказ, Карпаты, Гималаи и др.) мощность его увеличена и может достигать 25 – 30 км, а в районах более древней складчатости (Урал, Алтай) имеет место уменьшение мощности гранитного слоя.
Базальтовый слой распространен повсеместно, но его мощность также изменчива и в определенной мере коррелируется с мощностью гранитного слоя.
Океанический тип земной коры в отличии от континентального состоит из осадочного и базальтового слоя. Осадочный слой распространен почти повсеместно, исключая рифтовые зоны срединно-океанических хребтов. Мощность его колеблется в пределах сотен и тысяч метров. Базальтовый слой под дном океанов имеется везде и его мощность обычно колеблется в пределах 5 – 10 км. Граница между континентальной и океанической корой может быть как резкой (глубинные разломы), так и постепенной.
Геологическая хронология
Для определения возраста отдельных слоев земной коры пользуются методами относительной и абсолютной геохронологии.
Метод определения относительного возраста основан на изучении последовательности залегания слоев, сравнении их петрографического состава и органических остатков. Для того чтобы расчленить слои земной коры по возрасту, необходимо было в первую очередь установить последовательность их образования и залегания в ненарушенных условиях различных участков Земли. Этим вопросом занимается одна из отраслей геологии – стратиграфия. Для стратиграфического расчленения толщ осадочных горных пород и установления их возраста в геологии пользуются палеонтологическим методом исследования, основанным на изучении ископаемых остатков вымерших организмов. Для каждого геологического периода характерен свой комплекс фауны и флоры. В связи с этим находки в горных породах тех или иных ископаемых остатков позволяют судить об их возрасте.
В последние годы большим успехом пользуются методы определения абсолютного возраста с применением радиологических исследований. Они основаны на изучении конечных продуктов распада радиоактивных элементов. По количеству распавшегося вещества и времени распада (оно постоянно для определенного элемента) судят о возрасте горных пород. В практике успешно применяются изотопный, гелиевый, аргоновый, стронциевый и другие радиологические методы определения абсолютного возраста пород.
Время, необходимое для распада на 50% какого-либо изотопа, называется периодом полураспада. Например урановый метод основан на том, что период полураспада изотопа урана с атомным весом 238 и переходом его в свинец достигает 4,5 млд. лет. Определяя соотношение содержания в породе данного изотопа урана и свинца и зная скорость распада, можно установить продолжительность протекания этого процесса, а значит и возраст породы.
Периоды полураспада радиоактивных элементов существенно различаются, что позволяет исследователям пользоваться тем или иным методом для установления возраста древних и даже современных отложений. Так, период полураспада тория 232 – 13,9 млд. лет, урана с атомным весом 235 – 891 млн. лет, а радиоактивного изотопа углерода с атомным весом 14 – 5 568 лет. Последнее позволяет широко использовать углеродный метод в четвертичной геологии. Определив содержание изотопа в растительных остатках, этот метод позволяет установить их возраст с точностью до 200 лет /11/.
Абсолютный и относительный возраст горных пород был положен в основу геохронологических подразделений земной коры. Геологическое время делится на эры, периоды, эпохи, века. Каждому отрезку времени соответствуют определенные толщи горных пород.
По сведениям о последовательности накопления осадков, их петрографическом составе и органическим остаткам вся толща земной коры разделена на группы, группы – на системы, системы – на отделы, отделы – на ярусы. Эти подразделения, называемые стратиграфическими единицами, составляют международную стратиграфическую шкалу земной коры. Стратиграфической шкале соответствует геохронологическая шкала (таблица 1.2).
Таблица 1.2
Геохронологическая таблица
| Группа (эра) | Система (период) | Отдел (эпоха) | |||
Возраст,
Млн лет
Цвет
Кайно-зойская KZ
галоцен Q4
плейстоцен верх. Q3
плейстоцен сред. Q2
плейстоцен ниж. Q1
0-2
желтовато-светло-серый, зеленоватый
Плиоцен N2
Миоцен N1
2-10
10-35
Светло-желтый
Олигоцен ᵱ3
Эоцен ᵱ2
Палеоцен ᵱ1
35-40
40-70
40-70
Темно-желтый
Оранжево-желтый
Мезозойская MZ
Верхний K2
Нижний К1
70-100
100-140
зеленый
Верхний J3
Средний J2
Нижний J1
140-185
синий
Верхний Т3
Средний Т2
Нижний T1
185-225
фиолетовый
Палеозойская PZ
Верхний Р2
Нижний Р1
225-270
оранжевый
Верхний С3
Средний С2
Нижний C1
270-320
серый
Верхний D3
Средний D2
Нижний D1
320-400
коричневый
Верхний S2
Нижний S1
400-424
Светло-серо-зеленый
Верхний О3
Средний О2
Нижний O1
424-468
Темный серо-зеленый, оливковый
Верхний Cm3
Средний Cm2
Нижний Cm1
468-600
Лиловый, голубовато-зеленый
600 до 1900
1900 до 3500
Возраст Земли
Около 4600
Для сокращенного обозначения стратиграфических и геохронологических единиц применяют индексы. Например палеозойская эра (группа) обозначается буквами PZ, пермская система (период) – буквой Р. Отделы (эпохи) той или иной системы (периода) обозначаются цифрой, которая ставится у основания индекса. Обозначения, принятые в таблице 1.2 повсеместно используются в геологической практике, при составлении геологических карт, разрезов и т.д. Для удобства чтения геологических документов применяются цветовые знаки, соответствующие стратиграфическим и геохронологическим подразделениям.
Всего в геологической истории Земли выделено пять групп (эр): архейская, протерозойская, палеозойская, мезозойская и кайнозойская.
Определение абсолютного возраста горных пород позволило установить длительность эр, периодов, эпох, веков, а также возраст земной коры.
МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Земная кора состоит из минералов и горных пород. Минералы представляют собой природные химические соединения, обладающие определенными физическими и химическими свойствами. Горные породы – это минеральные агрегаты, занимающие большие объемы в земной коре.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 507.
