Лекция1. Литосфера Земли

Форма Земли близка к шару, но сплюснута у полюсов. Такую форму называют сфероидом, но в связи с тем, что земная поверхность имеет впадины и горы, её назвали геоидом. Наша планета имеет концентрическое строение и состоит из ядра и оболочек. На поверхности земли находится водяная оболочка – гидросфера и атмосфера.

Гидросфера – водная оболочка покрывает до 70% земной поверхности. Наибольшая глубина 11521 метров (Марианская впадина). Температура воды зависит от широты и глубины местности. Самая высокая +35,60 в Персидском заливе, самая низкая -2,80 в Ледовитом океане.
Биосфера – это среда жизнедеятельности организмов и связана с литосферой, гидросферой и атмосферой.
Атмосфера – окружает землю на высоте 3000 км. Она состоит из 3-х оболочек: тропосфера, стратосфера, ионосфера.
Тропосфера – приземной слой от 6-ти км до 18-ти км (у экватора). С удалением от поверхности температура резко падает и на высоте 10 - 12 км составляет 50 градусов.
Стратосфера – следующий слой высотой 80 - 90 км.
Ионосфера – верхняя часть атмосферы, переходящая на высоте З000 км в межпланетное пространство. Она имеет малую плотность и высокую ионизацию.
Ядро земли предположительно имеет силикатный состав с большим содержанием железа. Радиус ядра примерно 3500 км, температура ядра 2000…25000. Промежуточная оболочка – границей является глубина 2900 км состоит в основном из кремния, железа, магния. За промежуточной оболочкой, залегает перидотитовая, состоящая из силикатных пород, с преобладанием кремния и магния. Её верхняя часть содержит расплавленные массы. Здесь рождаются сейсмические явления. Наружная часть земли глубиной до 50…70 км, называется литосферой, она является источником минерального сырья.
Известно 10 миллионов химических соединений, среди них – несколько тысяч неорганических соединений. Минералов описано около четырех тысяч. Существует 3000 разновидностей минералов, которые возникают из-за примесей и вариаций в структуре кристаллической решетки.

Минерал - природное химическое соединение кристаллической структуры, образовавшееся на Земле как результат геологических и геохимических процессов или эквивалентных процессов на внеземных телах Вселенной.

Свойства минералов: однородны, упорядочены, кристаллическая структура.

Литосфера на 75 % состоит из силикатов и содержит всего 200 безводных минералов. На Луне обнаружено 90 минералов, в метеоритах – 175. В Земной коре образовалось более 2000 минералов, содержащих воду и группы ОН.

Современная классификация минералов основана на их химическом составе. Самый распространенный класс минералов - силикаты и алюмосиликаты - включают 800 минералов и составляют 75% массы Земной коры (МЗК), в том числе слоистые силикаты -

1,1% МЗК. Силикаты составляют 50% массы осадочных горных пород.

По генезису минералы делят:

1. Эндогенные (Силикаты, кварц, оливин…), образуются из магмы.

2. Экзогенные (гипс, кальцит, глинистые минералы…) – продукты экзогенных процессов (воздействие воды, колебания температур и др.)

3. Метаморфические минералы (слюды, роговая обманка, хлорит…), формируются при высоких давлениях и температурах в Земной коре.

Сведения о составе, строении и свойствах минералов используются в строительстве. От них зависит важные свойства горных пород — прочность, сжимаемость, устойчивость в агрессивных средах. Минералы определяют качество сырья для производства строительных материалов. Свойства минералов используют для прогноза динамики геологической среды.

Горные породы - природные минеральные агрегаты с устойчивым составом и структурой, залегающие в виде самостоятельных тел в Земной коре. Горные породы повторяют системную организацию минералов на новом уровне. Горные породы состоят из структурных элементов — минералов. Для минералов структурными элементами являются атомы. Строение горных пород определяется устойчивыми пространственными сочетаниями минералов (у минералов - геометрическая упорядоченность атомов). Форма горных пород – самостоятельные тела в Земной коре (у минералов - правильные многогранники).

По условиям формирования горные породы объединяют в три группы: магматические, осадочные, метаморфические.

Магматические горные породы образуются при застывании магмы. Их состав и строение определяются химическим составом магмы, термодинамическими условиями и динамикой ее охлаждения в Земной коре.

Магматические горные породы диагностируются по ассоциации минералов и структуре.

По условиям формирования магматические породы делят на интрузивные, эффузивные, пирокластические. Первые образуются на большой глубине, остывают медленно с образованием полнокристаллических структур. Вторые – возникают из магмы в верхних слоях Земной коры при быстром остывании и обладают стекловатыми, порфировыми и скрытокристаллическими структурами. Пирокластические породы образуются при литификации вулканического пепла.

Формы залегании магматических горных пород - дайка, силл, лаполит, лакколит, шток, батолит.

Общие свойства пород - высокая прочность, водонепроницаемость, инертность по отношению к агрессивным средам, нерастворимость в воде, возможна трещиноватость.

Осадочные горные породы распространены на три четверти поверхности континентов.

Механизм образования: переотложение продуктов выветривания минералов и горных пород в поверхностных частях Земной коры под действием физических, химических и органических факторов. Процесс формирования осадочных пород включает разрушение - перенос - осаждение. Он определяет состав, форму, размер обломков, их структурную организацию.

По условиям формирования осадочные горные породы делятся на три группы: обломочные, хемогенные, органогенные.

Обломочные горные породы классифицируют по размерам и окатанности обломков (рыхлые) и наличию связывающего цемента (сцементированные).

Хемогенные породы составляют 14% от объема всех осадочных отложений. Образуются при выпадении солей из концентрированных растворов (в усыхающих морях и лагунах, минеральных источниках), а также в ходе реакций гидролиза, окисления – восстановления. Прочность пород зависит от состава и структуры.

Органогенные горные породы - продукт жизнедеятельности организмов (моллюски, планктон, фораминиферы, микроорганизмы).

Прочность и структура органогенных пород определяются минеральными органическими остатками и их цементацией.

Общие свойства осадочных горных пород: чаще всего высокая пористость; низкая прочность; хорошая водопроницаемость.

Структура пород определяет их прочность и сжимаемость. Структуры осадочных горных пород разнообразны: обломочные, пелитовые, кристаллические, слоистые, зернистые, аморфные, органогенные и др.

Формы залегания осадочных горных пород.

Слой (пласт) - геологическое тело, однородная осадочная горная порода, ограниченная двумя параллельными поверхностями напластования, имеющий постоянную мощность и большую площадь распространения.

Положение слоев в пространстве: горизонтальное – наклонное (моноклинальное). Сочетание слоев в пространстве может быть согласным, если вышележащий слой повторяет залегание нижнего слоя, а относительный возраст пластов плавно изменяется снизу вверх и несогласным в случае отклонений. Если в вертикальной последовательности пластов отсутствуют слои некоторых возрастных интервалов, то возникает стратиграфическое (возрастное) несогласие. Причиной тому является размыв слоев или перерыв осадконакопления. Угловое несогласие формируется, если слои образовавшиеся до перерыва в осадконакоплении залегают под наклоном, а покрывающие их слои горизонтальны.

Дислокации (деформации) - нарушение первоначального залегания слоев.

Пликативные дислокации: складка (антиклинальная и синклинальная).

Типы складок - прямые, наклонные, лежачие, ветвящиеся и т.д..

Значение в инженерной геологии. При деформациях растяжения (например, замок складки) формируется трещиноватость, увеличивается водопроницаемость, снижается прочность, увеличивается сжимаемость, ускоряется выветривание горных пород. При сжатии (ядро складки) породы становятся более плотными, водонепроницаемыми, возможны разрывные нарушения.

Дизъюнктивные (разрывные) Д Дислокации (деформации): сдвиг, сброс, взброс, горст, грабен. Образуются при активных движениях Земной коры.

В природе возникают сложные сочетания пликативных и дизъюнктивных нарушений залегания осадочных отложений. Закономерные сочетания структурных нарушений помогают разобраться в причинах и механизмах тектонических движений и деформаций. Такой анализ необходим для оценки свойств горных пород и прогноза их изменения при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог, зданий и сооружений.

Метаморфизм – существенное изменение структуры, минерального и химического состава горных пород под воздействием глубинных растворов, газов, температуры и давления.

Типы метаморфизма: региональный, контактовый, динамо-метаморфизм.

Региональный метаморфизм. Факторы: эволюционный рост температуры и давления на обширных пространствах при прогибаниях Земной коры.

Контактовый метаморфизм. Факторы: высокое давление, температура, перегретые газы и растворы на контакте с магматическими телами, внедрившимися в Земную кору.

Динамо-метаморфизм. Факторы. Высокие давления и температура, формирующиеся локально, в зонах интенсивного складкообразования в Земной коре.

Структуры, характерные для метаморфических горных пород: полнокристаллические, зернистые, ориентированные сланцеватые, плойчатые, очковые.

Общие свойства метаморфических горных пород: высокая прочность; высокая упругость; анизотропия свойств; сланцеватость; возможна трещиноватость; низкая устойчивость на склонах.

Горные породы (ГП) одного вида могут формироваться в разных условиях. Например, глина: морская, озерная, речная. С другой стороны, в одной физико-географической обстановке могут отлагаться породы разного состава, например, в море - песок, глина, галька, ракушечник.

Генетический тип ГП: совокупность отложений, образовавшихся в результате деятельности ограниченной группы геологических факторов. Примеры: речные отложения – работа рек, морские – работа моря.

Генезис происхождение горных пород, т.е. формирование их под влиянием ограниченного набора факторов в ходе геологических процессов.

Горные породы одного генетического типа могут обладать сходными свойствами и формами залегания. Изучая распределение генетических типов горных пород в пространстве, мы можем реконструировать древние ландшафты и дать прогноз распространению типов горных пород и их свойств.

Рассмотрим с этой точки зрения генетические типы осадочных горных пород.

- Морские. Состав: галька, гравий, песок, глина. известняк, мергель.

Свойства: высокая однородность, хорошие основания для устройства фундаментов, строит материалы.

- Озерные. Состав: глины, суглинки, супеси. Свойства: однородные, выдержанные по площади тонкозернистые глинистые осадки. Могут быть насыщены водой, пластичны. Это снижает их прочностные характеристики.

- Элювий “Eluvio” - вымываю. Продукты разрушения коренных пород, остающиеся на месте. Состав: неоднородный, слабо-сцементированный материал (глина, дресва,

щебень, глыбы).Свойства зависят от состава исходной горной породы. Мощность - первые метры. Проблема - неоднородность.

- Коллювий, “Colluvio” - скопление. Продукты выветривания, смещенные вниз по склону под влиянием силы тяжести. Состав: глыбы, щебень, дресва. Распространение: подножия гор. Особенности: часто обводнены и неустойчивы.

- Пролювий, «Proluo» => “промываю”- продукты выветривания горных пород, переотложенные временными водными горными потоками. Состав: щебень, песчано-глинистый заполнитель, далее супеси, суглинки. Распространение: cлагают конусы выносов и пролювиальные шлейфы. Особенности: от вершины конусов к основанию растет дисперсность и сортировка пород; плохая сортировка, слабая окатанность; обводненность; неоднородность.

- Делювий,“Deluo“ - смываю – продукты выветривания, смещенные со склонов плоскими потоками дождевых, талых и снеговых вод. Состав: дресва, супесь, суглинки, глины. Распространение: залегают шлейфами, выклиниваясь вверх по склону. Особенности: неоднородны, часто обводнены, низкая прочность.

- Аллювий,“ Alluere” - намывать, наносить - речные отложения. Состав: глыбы, валуны, галька, щебень, гравий, песок, супесь, суглинки, глины. Распространение: залегают линейно вдоль русел рек, заполняют речные долины, От истока к устью обломочный материал постепенно становится мельче. Особенности: однородность зависит от участка реки, часто обводнены. Худшие условия для строительства в поймах равнинных рек из-за водонасыщенности и неоднородности песчано-глинистого материала.

- Ледниковые. Продукты разрушения и переотложения горных пород ледниками. Состав: Глыбы, валуны, щебень, песок, глина, суглинок. Особенности: хорошее основание для фундаментов. Сложности строительства: неоднородность.

- Водно - ледниковые. Отложения, перемещенные талыми водами за пределы ледников. Состав: галька, гравий, косослоистый песок, супесь, суглинок, глина. Распространение: периферийная область ледников, равнины. Особенность: высокая сортировка. Проблема: грунтовые дороги пылят, размокают, налипает грязь.

- Эоловый. Отложения сформированные и перемещенные ветром. Состав: однородный песок. Мощность: от нескольких до десятков метров. Распространение: пустыни, побережья морей. Проблема - высокая миграционная способность. Необходимость защиты промышленных и гражданских сооружений от поглощения песком.