Гипотезы о происхождении Земли

Инженерная геология, как наука, и ее значение для строительства

инженерная геология — наука, изучающая свойства горных пород (грунтов), природные геологические и техногенно-геологические (инженер­но-геологические) процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека.

Главная цель инженерной геологии — изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологиче­ской среде, и в первую очередь в породах, в процессе строитель­ства и при эксплуатации сооружений. В современных условиях ни одно здание или сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться (а в последствии может быть ликвидировано или реконструировано) без достоверных и полных инженерно-геологических материалов.

Все это определяет основные задачи, которые стоят перед ин- женерами-геологами в процессе изыскательских работ еще до на­чала проектирования объекта (при принятии решения о строите­льстве, об инвестировании проекта и т. п.), а именно:

• выбор оптимального (благоприятного) в геологическом отно­шении места (площадки, района) строительства данного объекта;

• выявление инженерно-геологических условий в целях опреде­ления наиболее рациональных конструкций фундаментов и объекта в целом, а также технологии производства строительных работ;

• выработка рекомендаций по необходимым мероприятиям и со­оружениям инженерной защиты территорий и охране геологической среды при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

Гипотезы о происхождении Земли

Вопрос о происхождении Земли — важнейший вопрос естест­вознания. Более 100 лет пользовалась признанием гипотеза Кан­та — Лапласа, согласно которой Солнечная система образовалась из огромной раскаленной газоподобной туманности, вращавшей-

ся вокруг оси, а Земля вначале была в жидком состоянии, а по­том стала твердым телом.

Дальнейшее развитие науки показало несостоятельность этой гипотезы. В 40-х годах XX в. акад. О.Ю. Шмидт выдвинул новую гипотезу происхождения планет Солнечной системы, в том числе и

Земли, согласно которой Солнце на своем пути пересекло и за­хватило одно из пылевых скоплений Галактики, поэтому планеты образовались не из раскаленных газов, а из пылевидных частиц, вращающихся вокруг Солнца. В этом скоплении со временем воз­никли уплотненные сгустки материи, давшие начало планетам.

Земля, по О.Ю. Шмидту, первоначально была холодной. Ра­зогрев ее недр начался, когда она достигла больших размеров. Это произошло за счет выделения теплоты в результате распада имеющихся в ней радиоактивных веществ. Недра Земли приобре­ли пластическое состояние, более плотные вещества сосредоточи­лись ближе к центру планеты, более легкие у ее периферии. Произошло расслоение Земли на отдельные оболочки. По гипо­тезе О.Ю. Шмидта, расслоение продолжается до настоящего вре­мени. По мнению ряда ученых, именно это является основной причиной движений в земной коре, т. е. причиной тектонических процессов.

Заслуживает внимания гипотеза В.Г. Фесенкова, который счи­тает, что в недрах звезд, в том числе и Солнца, протекают ядерные процессы. В один из периодов это привело к быстрому сжатию и увеличению скорости вращения Солнца. При этом образовался длинный выступ, который потом оторвался и распался на отдель­ные планеты. Обзор гипотез о происхождении Земли и наиболее вероятная схема ее происхождения детально рассмотрена в книге И.И. Потапова «Геология и экология сегодня» (1999).

Строение планеты Земля

В общем виде, как установлено современными геофизически­ми исследованиями на основании, в частности, оценок скоростей распространения сейсмических волн, изучения плотности земного вещества, массы Земли, результатов космических экспериментов по определению распределения воздушного и водного пространств и другими данными, Земля сложена как бы несколькими концент­рическими оболочками: внешними — атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера (область распространения живого вещества, по В.И. Вернадскому) и внутренними, которые называют собственно геосферами (ядро, мантия и литосфера)

5. Геосферы (от греч. гео — Земля, сфера — шар) — географические концентрические оболочки (сплошные или прерывистые), из которых состоит планета Земля. Выделяются следующие геосферы:

· атмосфера

· гидросфера

· литосфера

· земная кора

· мантия

· ядро Земли

Ядро Земли делится на внешнее ядро (жидкое) и центральное — субъядро (твердое).

6. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Земная кора имеет два основных источника тепла: от Солнца и от распада радиоактивных веществ в своей нижней части на границе с верхней мантией. В недрах же Земли температура уве­личивается с глубиной от 1300 °С в верхней мантии до 3700 °С в центре ядра. Увеличение температуры происходит по адиабатиче­скому закону: оно зависит от сжатия вещества под давлением при невозможности теплообмена с окружающей средой.

В земной коре различают три температурные зоны: /—пере­менных температур; II — постоянных температур; III — нараста­ния температур (рис. 4). Изменение температур в зоне перемен­

ных температур определяется климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубинах около 1,5 м, а го­довые (сезонные) — на глубинах 20—30 м. Для средних широт ха­рактерна кривая а (летний период) и кривая б (зимний период). В зимний период в зоне / образуется также подзона промерзания

Рис. 4. Зоны температур в земной коре (П — поверхность Земли)

зависит от климата, типа горных пород и колеблется от нескольких сантиметров до 2 м и более.

При строительстве необходимо устанавливать наличие на стройпло­щадках подзоны IA и величину глу­бины промерзания земли. Для реше­ния этих вопросов используют три пути: 1) по соответствующей карте в СНиПе определяют наличие подзо ны и глубину промерзания; величину промерзания при этом кор­ректируют по типу горных пород, например песок промерзает больше, чем глина; 2) величину промерзания можно определять по формулам или 3) использовать многолетние (более 10 лет) наблю­дения за промерзанием земли в данном районе.

Знание величины промерзания позволяет строителям опреде­лять необходимую глубину заложения фундаментов объектов и подземных водонесущих коммуникаций.

По мере углубления в землю влияние сезонных колебаний температур уменьшается и на глубине примерно 15—40 м нахо­дится зона постоянной температуры, которая соответствует сред­негодовой температуре данной местности. Под Москвой эта зона начинается на глубине 20 м, около Санкт-Петербурга с 19,6 м.

Зона постоянных температур может быть использована при различных видах подземного строительства.

В пределах зоны III температура с глубиной возрастает. Вели­чина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называет­ся геотермическим градиентом, а глубина, при которой температу­ра повышается на 1 °С, — геотермической ступенью. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м. Непосредствен­ные измерения показали, что величина геотермической ступени на разных участках Земли колеблется довольно в широких пределах: Мончетундра — 6,54 м, Донецкий бассейн — 30,68 м и т. д.

7.МИНЕРАЛЫ

В настоящее время следует различать два вида минералов: 1) природного происхождения, рождение которых связано с про­цессами в земной коре; 2) искусственного происхождения, кото­рые возникли в процессе техногенной деятельности человека (в том числе и целенаправленной).

Природные минералы. Под этими минералами понимают минеральные образования, сформировавшиеся в результате геохи­мических процессов, протекающих в земной коре. Каждый мине­рал имеет определенный химический состав, структуру и свои физические свойства

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального состава, структуры, а иногда и условий залегания в земной коре.

Грунт (нем. Grund — основа, почва) — любые горные породы, почвы, осадки, техногенные (антропогенные) образования, представляющие собой многокомпонентные, динамичные системы, являющиеся компонентами геологической среды и объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Различают:

· скальные и полускальные грунты — монолитные грунты с жесткими структурными связями;

· дисперсные грунты — раздельнозернистые грунты без жестких структурных связей: связные — глинистые, и несвязные — песчаные и крупнообломочные.

8. Происхождение минералов. Условия, в которых образуются ми­нералы в природе, отличаются большим разнообразием и слож­ностью. Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из маг­мы — силикатного огненно-жидкого расплава. Таким путем обра зуются, например, кварц и различные силикаты. Эндогенные ми­нералы обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс свойственен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше и в море. В первом случае их создание связано с процессом выветривания, т. е. разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры на эндогенные минералы. Таким образом образуют­ся глинистые минералы (гидрослюда, каолинит и др.), различные железистые соединения (сульфиды, оксиды и др.). Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химиче­ских осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.). В экзо­генном процессе ряд минералов образуется также за счет жизне­деятельности различных организмов (опал и др.).

Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В боль­шинстве случаев они имеют низкую твердость, активно взаимо­действуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфический процесс. Под воздействием высоких темпе­ратур и давлений, а также магматических газов и воды на неко­торой глубине в земной коре происходит преобразование мине­ралов, ранее образовавшихся в экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовыва- ются, приобретают плотность, прочность. Так образуются многие минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит и др.).

9. Происхождение и классификация. Магматическими (или извер­женными) горными породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остыва­нии в недрах Земли или на ее поверхности.

Большинство силикатов (как правило, минералы магматиче­ских пород — это силикаты) имеют ковалентную связь между основными структурными элементами, что и создает высокую прочность магматических пород. При этом наибольшие значения модуля упругости и наибольшая прочность проявляются у горных пород, имеющих плотную, компактную структуру с высокой ко­валентностью связи (дуниты, периодотиты, пироксениты).

Но не только это влияет на формирование прочности горных пород. Весьма важным является их последующее изменение в результате выветривания, скорость и интенсивность которого в значительной мере определяются особенностями минералогиче­ского состава.

10. В формировании осадочных горных пород участвуют различные геологические факторы: разрушение и переотложение продуктов разрушения ранее существовавших пород, механическое и химическое выпадение осадка из воды, жизнедеятельность организмов. Случается, что в образовании той или иной породы принимает участие сразу несколько факторов. При этом некоторые породы могут формироваться различным путём. Так, известняки, могут быть химического, биогенного или обломочного происхождения. Это обстоятельство вызывает существенные трудности при систематизации осадочных пород. Единой схемы их классификации пока не существует.

Однако для простоты изучения применяется сравнительно простая классификация, в основе которой лежит генезис (механизм и условия образования) осадочных пород. Согласно ей осадочные породы подразделяются на обломочные, хемогенные, органогенные и смешанные.

11.

ОБЛОМОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ, кластические горные породы (а. clastic rock, fragmented rock, detrital rock; н. klastische Gesteine, Trummergesteine; ф. roches detritiques, roches clastiques, roches agregees; и. rocas detriticas, rocas clasticas), — осадочные горные породы, состоящие целиком или преимущественно из обломков различных горных пород (магматических, метаморфических или осадочных) иминералов (кварц, полевые шпаты, слюды, иногда глауконит, вулканическое стекло и др.).

В основу классификации облицовочных горных пород положен структурный признак — размер обломков. Выделяются: грубообломочные породы, или псефиты, с размером обломков более 1 мм (несцементированные — глыбы, валуны, галька, щебень, дресва, гравий; сцементированные — конгломераты, брекчии, гравелиты и др.); песчаные породы, или псаммиты, с размером частиц 1-0,05 мм, по другой классификации, 1-0,1 (2-0,05 мм) (пески и песчаники); пылеватые породы, или алевриты, с размером частиц 0,05-0,005 мм (алевриты и алевролиты); глинистые породы, или пелиты, с размером частиц менее 0,005 мм (глины, аргиллиты и др.). Граница между алевритами и пелитами проводится по размеру частиц 0,005 (0,01 в других классификациях) мм. Глинистые породы могут быть как химические, так и обломочного происхождения. Выделяются также обломочные горные породы смешанного состава, сложенные обломками различной размерности, — песчаными, алевритовыми и глинистыми. К ним относятся широко распространённые, особенно среди современных континентальных отложений, различные суглинки и супеси. Дальнейшее подразделение обломочных горных пород в пределах структурных подтипов производится по минеральному составу обломков и другим признакам. К обломочным горным породам принадлежат также продукты вулканических извержений: вулканический щебень, пепел (рыхлые породы и их сцементированные разновидности — туфы), туфобрекчии и породы, переходные между обломочными и вулканогенными — туффиты и туфогенные породы (см. вулканогенно-осадочные породы).

12. Слоем называется более или менее однородный, первично обособленный осадок (или горная порода), ограниченный приблизительно параллельными поверхностями. Помимо термина «слой» и практике часто употребляется термин «пласт», обозначающий в сущности то же, что и «слой». Однако термин «пласт» применяется чаще для обозначения слоев полезных ископаемых, например угля, известняка, гематита и т. д. Однородность слоев может быть выражена в составе, окраске, текстурных признаках, присутствии одинаковых включений или окаменелостей.

Чередование слоев называется слоистостью. Она представляет собой проявление неоднородности в толще осадочных пород и указывает на изменение условий отложения осадка. Слоистость — одно из самых характерных и важных свойств осадочных горных пород. На ней основано изучение вопросов литологии, стратиграфии, гидрогеологии, инженерной геологии. Слоистость позволяет сопоставлять стратиграфические разрезы, определять направление и амплитуду вертикальных тектонических движений, вести поиски и прослеживать рудные залежи, скопления нефти, воды и др. Слоистостью обусловлено также возникновение складок в осадочных толщах. Знание слоистости является важнейшим условием при выборе системы эксплуатационных выработок.
При параллельной слоистости поверхности наслоения по строению близки к плоскостям. Этот вид слоистости свидетельствует об относительной неподвижности и покое среды; в которой накапливались осадки. Параллельная слоистость может быть полосовидной, прерывистой и ленточной.

^ Волнистая слоистость имеет волнистоизогнутые поверхности наслоения. Она формируется при движениях, имеющих периодическую смену или повторяемость в своем направлении, например при отливных и приливных течениях, волнениях в прибрежных мелководных зонах моря.

^ Косой слоистостью (или слойчатостью, по. Н. Б. Вассоевичу) называется слоистость с прямолинейными и криволинейными поверхностями наслоения, под различными углами которых внутри слоя располагается более мелкая слоистость. Этот вид слоистости образуется при движении среды в одном направлении, например реки, потока, морского течения или при движении воздуха.

^ Линзовидная слоистость характеризуется разнообразием форм и изменчивостью мощности отдельных слоев. При этом нередко происходит полное выклинивание слоя, что приводит к его разобщению на отдельные части или линзы. При резком выклинивании поверхности наслоения линзы нередко оказываются изогнутыми.

Линзовидная слоистость образуется при быстром и изменчивом движении водной или воздушной среды, например в речных потоках или в приливно-отливной полосе моря. Нередко линзовидная слоистость связана с размывом ранее отложенного материала и неровностями дна. Мелкая линзовидная слоистость может образоваться и в спокойном водоеме при периодическом привносе в него более грубозернистого материала.

13. Метаморфические горные породы — горные породы, образованные в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных и магматических горных пород вследствие изменения физико-химических условий. Благодаря движениям земной коры, осадочные горные породы имагматические горные породы подвергаются воздействию высокой температуры, большого давления и различных газовых и водных растворов, при этом они начинают изменяться.

14.

16. Наиболее крупные структурные элементы литосферы — континенты и впадины океанов. Они существенно отличаются друг от друга своим строением и почти везде ограничены глубинными (сверхглубинными) разломами с глубиной заложения до 700 км, проходящими вдоль континентальных склонов на дне океанических впадин.
Отдельные участки земной коры, занимающие большие площади континентов, испытывают радиальные тектонические движения с небольшими амплитудами — несколько тысяч метров за огромные промежутки времени, охватывающие целые периоды и эры. Их называют платформами. Существенным для платформ является отсутствие интрузивного и, как правило, эффузивного магматизма, своеобразные структуры и специфические формации. Тектонические движения участков земной коры, образующих узкие (несколько сотен километров) зоны между платформами, отличаются большими (десятки километров) амплитудами и контрастностью движений, когда рядом с погружающейся земной корой может находиться участок, воздымающийся также интенсивно. Такие участки — геосинклинальные пояса, нередко имеющие глобальное распространение, обычно состоят из нескольких ёедсинклинальных систем. Здесь Широко и разнообразно проявляется магматизм; структуры геосинклинальных систем, как правило, сложны, а формации чрезвычайно разнообразны.
В последнее время ряд ученых самыми крупными структурами литосферы называют литосферные плиты, которые сплошь составляют всю земную кору. По разным данным их 6 или 8 и несколько более мелких. Границы между плитами проходят по Дну океанов вдоль срединных океанических хребтов, а переходя на континенты протягиваются по узким зонам максимальной сейсмичности, с большим числом очагов землетрясений. Континентальные рифты являются частью этих границ.

17. 18. 19. Тектонические движения можно разделить на два типа: радиальные — колебательные, или эпейрогенические движения, и тангенциальные, орогенические. В первом типе движений напряжения передаются в направлении, близком к радиусу Земли, во втором—по касательной к поверхности оболочек земной коры. Очень часто эти движения бывают взаимосвязаны, или один тип движений порождает другой. В результате этих типов движений создаются три вида тектонических деформаций: 1) деформации крупных прогибов и подняли; 2) складчатые и 3) разрывные.

Первый тип тектонических деформаций, вызванный радиальными движениями в чистом виде, выражается в пологих поднятиях и прогибах земной коры, чаще всего большого радиуса. Колебания, вызывающие образование подобных форм, в отличие от сейсмических колебаний совершаются относительно медленно, ощутимых разрушений не приносят и непосредственным наблюдениям человека не поддаются.
Складчатые деформации вызываются тангенциальными движениями и выражаются в виде складок, образующих длинные или широкие пучки, иногда короткие, быстро затухающие морщины.

Третий тип тектонических деформаций характеризуется образованием разрывов в земной коре и перемещением отдельных участков ее вдоль трещин этих разрывов. Разрывные нарушения очень часто являются производными от первых двух типов в большей мере от складчатых. Установить причину той или т деформации не всегда удается, так как, кроме вышеуказанных типов движений, деформации могут образоваться вязи с внедрением магмы и т. п. Поэтому нарушения в земной коре классифицируют не по типу вызвавших их движений, а по форме или каким-либо другим особенностям самих нарушений.