Температурный режим верхней части земной коры

Происхождение, форма и строение планеты Земля. Геосферы.

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, вращавшейся вокруг оси, а Земля вначале была в жидком состоянии, а потом стала твердым телом. В 40-х годах 20 века академик О.Ю. Шмидт выдвинул новую гипотезу, согласно которой Солнце на своем пути пересекло и захватило одно из пылевых скоплений Галактики, поэтому планеты образовались из пылевидных частиц, вращающихся вокруг Солнца. В этом скоплении со временем образовались сгустки материи, давшие начало планетам. Земля, по Шмидту, первоначально была холодной. Разогрев ее недр начался когда она достигла больших размеров. 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 этой гипотезе расслоение продолжается до настоящего времени. Заслуживает внимание 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.

Форма Земли обычно именуется Земным шаром. Установлено, что масса Земли равна 5,98*10^27 г, объем 1,083*10^27 см^3. Средний радиус 6371 км, средняя плотность 5,52 г/см^3, среднее ускорение силы тяжести 981 Гал. Форма Земли близка к трехосному эллипсоиду вращения с полярным сжатием: у современной Земли полярный радиус 6356,78 км, а экваториальный 6378,16 км. Длина земного меридиана составляет 40008,548 км, длина экватора 40075,704 км. Полярное сжатие обусловлена вращением Земли вокруг полярной оси и величина этого сжатия связана со скоростью вращения Земли. Для Земли есть собственное наименование формы, геоид. Геоид вне континентов совпадает с невозмущенной поверхностью Мирового океана, на континентах поверхность геоида рассчитана по гравиметрическим исследованиям и с помощью наблюдений из космоса. Земля обладает сложноорганизованным магнитным полем. Поверхность Земного шара на 70,8% занята поверхностными водами, суша составляет 29,2%.

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 геосферами (ядро, мантия и литосфера).

Земное ядро состоит из внешнего (жидкого) и внутреннего (твердого) ядра. Масса земного ядра составляет до 32% всей массы Земли, а объем всего примерно 16% от объема Земли. Земное ядро почти на 90% представляет собой железо с примесью кислорода, серы, углерода и водорода. Внутреннее ядро имеет железоникелевый состав.

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8 % от общей массы Земли. Мантия подразделена на верхнюю, переходный слой Голицына и нижнюю мантию. По современным представлениям мантия имеет ультраосновной состав, в связи с чем ее часто называют перидотитовой или «каменной» оболочкой.

Литосфера – это каменная оболочка Земли, объединяющая земную кору, подкоровую часть верхней мантии и подстилаемая астеносферой, в которой при высоких температурах вещество частично расплавлено. Характерным признаком литосферы является то, что в нее входят породы в твердом кристаллическом состоянии, и она обладает жесткостью и прочностью. Литосфера способна к движению относительно нижней мантии за счет ослабленности астеносферы.

Температурный режим верхней части земной коры.

Земная кора имеет два 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 глубины от 1300 градусов в верхней мантии до 3700 градусов 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; постоянных температур; нарастания температур. Изменение температур в зоне переменных температур определяется климатом местности.

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.

В пределах третьей зоны температура с глубиной возрастает. Величина нарастания температуры на каждые 100 м называется геотермическим градиентом, а глубина, при которой температура повышается на 1 градус, геотермической ступенью. Закономерное нарастание температуры с глубиной справедливо лишь до некоторой глубины.

Нарастание температуры с глубиной следует учитывать при проектировании сооружений глубокого заложения, при строительстве метрополитенов, при проектируемых хранилищах различного рода промышленных отходов, особенно радиоактивных.

3. Что называется минералом? Химический состав и физические свойства минералов.

Минерал – это природное химическое соединение, обладающее определенным постоянством состава, строения и свойства. Каждый минерал характеризуется определенным химическим составом. Химический состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показывает количественное соотношение элементов и характер их взаимной связи в пространственной решетке. Химическая формула аморфных минералов отражает только количественное соотношение элементов.

Каждый минерал имеет определенные физические свойства: внешняя форма, оптические характеристики(цвет, прозрачность, блеск), показатели твердости, спайность, излом, плотность.

Внешняя форма минералов разнообразна, в природных условиях они чаще всего приобретают неправильные очертания. Формы кристаллов: кубическая (пирит, каменная соль); столбчатая (кварц); игольчатая (асбест); листовая, таблетчатая, чешуйчатая (слюды, мусковит).

Цвет для очень многих минералов строго постоянен. Их условно подразделяют на светлые и темные. Прозрачность – способ минералов пропускать свет. Выделяют 4 группы: прозрачные (кварц, кальцит, мусковит); полупрозрачные (гипс, халцедон); просвечивающие (плагиоклаз); непрозрачные (графит, пирит). Блеск – способность поверхности минералов отражать в различной степени свет. Блеск: металлический (пирит, золото); полуметаллический (графит); неметаллический (алмаз, кварц); нет блеска (каолинит).

Твердость – способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Шкала твердости Мооса: мягкие: 1) тальк; 2) гипс; средние: 3) кальцит; 4) флюорит; твердые: 5) апатит; 6) ортоклаз; 7) кварц; очень твердые: 8)топаз; 9) корунд; 10) алмаз.

Спайность – способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием плоскостей раскола, обусловлено внутренним строением кристаллов. Виды спайности: весьма совершенная, совершенная, средняя, несовершенная, весьма несовершенная.

Излом характеризует поверхность разрыва и раскалывания минералов. Различают излом по спайности (кальцит), раковистый (кварц), землистый (каолинит).

Плотность минералов различна и колеблется в пределах от 0,6 до 19 г/см^3.

4. Что называется минералом? Происхождение минералов. Минералы магматических горных пород. Минералы садочных горных пород. Искусственные минералы.

Минерал – это природное химическое соединение, обладающее определенным постоянством состава, строения и свойства.

Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Различают 3 основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы. Таким путем образуются, например, кварц и различные силикаты. Такие минералы обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс свойствен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше и на море. В 1-ом случае их создание связано с процессом выветривания. Таким образом образуются глинистые минералы, различные железистые соединения. Во 2-ом случае минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов. Также минералы образуются за счет жизнедеятельности различных организмов. Экзогенные минералы различны по свойствам. В основном они имеют низкую твердость, активно взаимодействуют с водой и 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. Так образуются многие минералы – силикаты.

Минералы магматических горных пород: кварц, полевые шпаты: ортоклаз, альбит, анортит; плагиоклазы, слюды: мусковит, биотит; роговая обманка, авгит.

Минералы осадочных горных пород: опал, кальцит, доломит, магнезит, гипс, ангидрит, каолинит и др.

В результате производственной деятельности человеком создано более 150 искусственных минералов. Промышленность получает 2 вида искусственных минералов: аналоги и техногенные. Аналоги – это повторение природных минералов (алмаз, корунд, горный хрусталь и др.). Техногенные – это вновь созданные минералы с наперед заданными свойствами (алит – вяжущее свойство, муллит – огнеупорность).

5. Что называется горной породой? Магматические горные породы, их происхождение и классификация.

Горные породы – это естественные агрегатные соединения минералов одного или несколько наименований. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального состава, структуры, а иногда и условий залегания в земной коре. По своему происхождению их делят на 3 типа: магматические, осадочные, метаморфические.

Магматическими (или изверженными) горными породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остывании в недрах Земли или на ее поверхности. Температура магмы различна, но обычно 100 — 1300 °С.

История формирования магматических горных пород берет начало с образования магмы, которая затем последовательно изменялась. Процессы эти во многом завершаются при охлаждении или кристаллизации магмы с образованием агрегатов силикатных минералов. В зависимости от условий, в которых происходит охлаждение и застывание магмы, горные породы делят на интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся)

Некоторые геологи считают, что в основе зарождения магмы лежит единая первичная магма базальтового состава, дальнейшая же дифференциация ее привела к образованию различных по составу магматических пород.

Другие ученые говорят о том, что различные минералого-петрографические разности магматических горных пород обусловле­ны существованием нескольких первичных магм разного состава.

Некоторые специалисты считали, что возможно образование интрузивных пород (так называемых плутонов), особенно кисло­го состава, путем перекристаллизации ранее существовавших по­род под действием повышенных температур, давлений и сложных по химическому составу растворов.

Любая из этих гипотез обусловливает необходимость диффе­ренциации вещества магмы для формирования различных по со­ставу изверженных пород. Особенности дифференциации магмы образуют как одну, так и несколько типов горных пород. Пер­вичная базальтовая магма может сформировать габбро или же превратиться в целый ряд пород: габбро — диориты — гранодио- риты — граниты. Кроме того, особенности дифференциации вы­ражаются в виде реакции между кристаллами и расплавом и в сложном процессе межгравитационного разделения, сопровожда­ющегося оседанием или поднятием кристаллов при существен­ном газовом переносе вещества и ассимиляции магмой вмещаю­щих пород.

Весьма важным является их последующее изменение в результате выветривания, скорость и интенсивность которого в знаначительной мере определяются особенностями минералогиче­ского состава.

Классификация магматических пород, кроме деления их на глубинные и излившиеся, основана также на содержании в них кремнезема в пересчете на Si0₂.

Классификация магматических горных пород по Si02

Разделение магматических пород по SiО2 имеет практическое значение. Так, с уменьшением в SiО2 глубинных породах возрас­тает плотность, понижается температура плавления, породы луч­ше поддаются полировке, окраска их становится темнее.

В составе магматических пород основное место занимают по­левые шпаты, амфиболы, пироксены, кварц и слюды. В наиболее древних породах могут присутствовать вторичные минералы (кар­бонаты, глинистые), которые возникают в процессе выветрива­ния из первичных минералов. Количество этих минералов может служить показателем степени выветрелости породы.

6. Что называется магматической горной породой? Формы залегания магматических горных пород в земной коре, их минеральный состав, структура, текстура. Отдельности по трещинам в массиве.

Магматическими (или извер­женными) горными породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остыва­нии в недрах. В зависимости от условий, в которых происходит ох­лаждение и застывание (потеря подвижности) магмы, горные по­роды делят на интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившие­ся).

Глубинные горные по­роды залегают в виде батолитов — огромных массивов площадью до нескольких сотен километров, залегающих глубоко от земной поверхности; штоков — ответвлений от батолитов; лак­колитов — грибообразных форм, образованных при внедрении магмы между слоями осадочных толщ; жил, возникших при за­полнении магмой трещин в земной коре, и др.

Для излившихся горных пород характерными являются купо­ла — сводообразные формы; лавовые покровы, образовавшиеся в результате растекания магмы на поверхности Земли; пото­ки — вытянутые формы, возникшие в результате излияния магмы из вулканов.

При классификации магматических пород по хи­мическому составу используются данные о содержании в них диоксида кремния — БЮг (в % по массе): выделяют породы ульт- ракислого (>75 %), кислого (65—75 %), среднего (55—65 %), основного (45—55 %) и ультраосновного (<45 %) состава, для ко­торых характерны вполне определенные главные породообразую­щие минералы или их ассоциации.

В составе магматических пород основное место занимают полевые шпаты, амфиболы, пироксены, кварц и слюды. В наиболее древних породах могут присутствовать вторичные минералы (карбонаты, глинистые), которые возникают в процессе выветривания из первичных минералов.

Структура — внутреннее строение породы, обусловленное формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей — минералов. В магматических породах различают ряд структур, в частности: 1) зернистые, типичные для глубинных пород (рис. 18); 2) полукристаллические (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла); 3) стекловатые, типичные для излившихся пород (рис. 19).

Текстура (сложение) характеризует пространственное располо­жение частей породы в ее объеме? «рисунок» породы. Для магма­тических пород характерны следующие текстуры: 1) массивная — равномерное, плотное расположение минералов; 2) полосча­тая — чередование в породе участков различного минерального состава или различной структуры; 3) шлаковая — порода, содержа­щая видимые глазом пустоты.

При остывании магмы в связи с изменением объема в породах возникают тончайшие трещины, которые раз­бивают массив на отдельные участки (формы). В зависимости от системы расположения трещин возникают отдельности: столбча­тая (базальт), глыбовая (гранит), шаровая (диабаз) и др.

7. Осадочные горные породы: происхождение, классификация, формы залегания в земной коре. Общие особенности минерального состава и текстуры осадочных горных пород.

Осадочными горными породами называются породы, образующиеся в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трех процессов одновременно.

Любая находящаяся на зем­ной поверхности порода подвергается выветриванию, т. е. разру­шительному воздействию воды, колебаний температур и т. д. В результате даже самые массивные, прочные магматические поро­ды постепенно разрушаются, образуя обломки разных размеров и распадаясь до мельчайших частиц.

Осадочные породы слагают самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и мета­морфического происхождения. Несмотря на то что осадочные породы составляют всего 5 % земной коры, земная поверхность на 75 % своей площади покрыта именно этими породами, в свя­зи с чем строительство и производится в основном на осадочных породах. Инженерная геология этим породам уделяет наибольшее внимание.

Инженер­но-геологические свойства осадочных горных пород складывают­ся в процессе литогенеза.Под литогенезом принято понимать совокупность геологиче­ских процессов, определяющих современный состав, строение, состояние и свойства осадочных горных пород.

Процессы литогенеза достаточно условно подразделяют на ряд стадий:

• гипергенез — выветривание — разрушение кристаллических и других пород, образование новых минералов, обломков пород, об­ломков минералов, коллоидных и истинных растворов;

• седиментогенез — перенос и отложение материала — образо­вание осадка;

• диагенез — превращение осадка в осадочную породу;

• катагенез — начальные изменения осадочной породы;

• метагенез — глубокие изменения осадочной породы — обра­зование метаморфизованных осадочных пород.

Минеральный состав. В образовании осадочных пород, кроме минералов, из которых формировался рыхлый оса­док (кварц, полевые шпаты и др.), принимают участие минера­лы, возникающие в данной породе в процессе ее существования (кальцит, каолинит и др.). Во многих случаях они играют суще­ственную роль

Структура осадочных пород разнообразна. Почти каждый тип породы имеет свою, присущую только ему структуру. Для рыхлых пород характерны обломочные структуры, для сцементирован­ных — брекчиевидные и т. д.

Пористость типична для всех осадочных пород, за исключе­нием некоторых плотных химических осадков. Поры бывают мелкие, крупные и в виде каверн. Общая пористость может быть велика, например суглинки — 40—50 %, пески — 35—40 % и т. д. В порах могут располагаться вода, газ, органический материал.Осадочные породы залегают в виде слоев, которые образуются в процессе периодического накоп­ления осадков в водной и воздушной среде. В составе слоя может быть микрослоистость, отражающая осадконакопление в различ­ные времена года. Микрослоистость характерна для озерных и речных отложений. В слое горной породы могут быть также тон­кие слои других пород. Их называют прослоями. Например, в слое песка может быть тонкий прослой глины.

Комплекс слоев, объединенных сходством состава или возрас­та, или один слой, но значительной мощности, нередко называ­ют толщей. Слои образуются в процессе накопления осадков в морях, озерах, долинах рек и т. д. Это обусловливает образование слоев различной формы как по размеру в плане, так и по очертаниям

Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: 1) обломочные, 2) хими­ческого происхождения (хемогенные); 3) органогенные, возник­шие в результате жизнедеятельности организмов. Это деление не­сколько условно, так как многие породы имеют смешанное происхождение, например, отдельные известняки содержат в своем составе материал органогенного, химического и обломоч­ного характера.

Обломочные горные породы без жестких связей (дисперсные грунты), их наименования, размер и форма слагающих их частиц. Инженерно-геологические особенности обломочных горных пород без жестких связей.

Породы обломочного происхождения со­стоят из продуктов механического разрушения магматических и метаморфических пород, а также ранее образовавшихся осадоч­ных пород (песчаников, известняков и др.).

В табл. 6 приведена основная классификация обломочных по­род. В ее основе: размеры обломков — грубые, песчаные, пылева­тые, глинистые; внешние очертания обломков (угловатые или ока­танные) и наличие структурных связей между обломками (рыхлые скопления или сцементированные между собой обломки).

Инженерно-геологическая характеристика осадочных горных пород без жестких связей. Группа описываемых пород подразделяется на три крупные под­группы: первая объединяет глинистые и пылеватые, или связные, вторая — обломочные несцементированные, или несвязные, тре­тья — биогенные. В подгруппу связных входят глинистые и лессо­вые породы, для которых характерно

К связным относят различные глины, суглинки, супеси, лессы и лессовидные породы. Все они формируются преимущественно под влиянием процессов выветривания и денудации, когда на­ряду с агентами физического выветривания активно действуют агенты химического выветривания.

Благодаря этому изменяется не только минеральный состав пород, но и степень их дисперсности. Связные породы обладают целым рядом свойств, значительно отличающих их от других грунтов. К числу наиболее характерных особенностей следовало бы отнести изменение их свойств в за­висимости от влажности. Так, с ростом влажности прочность резко снижается, в сухом же состоянии эти породы способны выдерживать без разрушения весьма значительные нагрузки.

Пористость обычно высокая, однако, несмотря на это, водопроницаемость незначительна, так как пористость породы сформирована преи­мущественно замкнутыми микропорами.

Связные породы, в свою очередь, подразделяют на глини­стые, лессовые и алевритовые.

К глинистым относят породы, у которых содержание глини­стых частиц превышает 3 %. Эти грунты обладают хорошо выра­женными пластическими свойствами и способностью к набуханию в воде. Во влажном состоянии они практически водонепроницаемы.

По петрографическому составу глинистые грунты можно раз­делить на глины, суглинки и супеси.

К глинам обыкновенно относят породы, у которых содержа­ние глинистых частиц превышает 30 %. Встречаются глины, обладающие высокой дисперсностью, у них количество глинистых частиц может достигать 60 % и более. Как правило, в глинах со­держится много коллоидов. Среди глин преобладают полиминеральные.

Содержание глинистых частиц у суглинков меньше, чем у глин — около 10—30 %, в связи с этим количество коллоидов то­же не так велико. Свойства, характерные для глинистых пород, вы­ражены, естественно, в суглинках менее ярко.

Супеси содержат от 3 до 10 % глинистых частиц, вследствие чего по своим инженерно-геологическим свойствам они занима­ют как бы промежуточное положение между глинистыми и пес­чаными грунтами.

генезисом. Кроме того, ощутимое влияние на свойства глини­стых грунтов оказывают их возраст и условия залегания.

Пески Интенсивное использование песков в строительной практике в различных целях предопределяет необ­ходимость тщательного их изучения. Состав, строение и свойства песков определяются, как и у всех пород, их генезисом. Установлено, что разные генетические типы песков имеют различное распространение: в Европейской части СНГ, включая страны Балтии, 51 % площади занимают аллювиальные пески, 24 % —водноледниковые, 11,3 % — эоло­вые, 3,6 % —аллювиальные, 5—6 %—морские, 1,6 %—озерные, 1,5% — остальные типы.

Крупнообломочные породы представляют собой преимуществен­но обломки пород размером более 2 мм. Обломки эти несцементированы и аналогичны во взаимодействии друг с другом песча­ным грунтам, т. е. в них отсутствуют связи, характерные для глинистых грунтов и грунтов с жесткими кристаллизационными связями.