Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет» Н.В. Кожевникова, В.П. Петрищев, Г.А. Пономарева ГЕОЛОГИЯ Учебное пособие Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» для обучающихся по образовательной программе высшего образования по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование Оренбург 2021 УДК 551.1/4(075) ББК 26.32я73 К58 Рецензент кандидат географических наук, заместитель директора по научным вопросам Института степи УрО РАН (Оренбургский федеральный исследовательский центр УрО РАН) В.М. Павлейчик К58 Кожевникова, Н.В. Геология : учебное пособие / Н.В. Кожевникова, В.П. Петрищев, Г.А. Пономарева ; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург : ОГУ, 2021. - 107 с. ISBN В учебном пособии излагаются научно-методические основы геологии, используемые в решении задач экологии и природопользовании. Учебное пособие предназначено для обучающихся по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование геологогеографического факультета. УДК 551.1/4(075) ББК 26.32я73 ISBN Кожевникова Н.В., Петрищев В.П., Пономарева Г.А., 2021 ОГУ, 2021 2 Содержание Раздел 1. Введение 5 1.1 Объект, предмет, задачи и методы Общей геологии 5 1.2 Принцип метода актуализма и сравнительно-исторического метода 5 1.3 История развития геологических знаний 7 1.4 Основные достижения, проблемы и тенденции развития 13 1.5 Значение геологии в жизни современного общества, экологическая роль геологии 14 Раздел 2. Общие сведения о строении и составе Земли. Возраст земной коры. Абсолютное и относительное летоисчисление 15 2.1 Планетарное происхождение материков и океанов 2.2 Форма Земли 2.3 Внутреннее строение Земли 2.4 Тепловой режим Земли. Изменения температур с глубиной 2.5 Типы земной коры 2.6 Химический состав Земли 2.7 Возраст земной коры и периодизация истории Земли Раздел 3. Эндогенные процессы. Магматизм 15 17 18 20 22 26 27 29 3.1 Магматизм 30 3.2 Интрузивный магматизм 32 3.3 Эффузивный магматизм (вулканизм) 35 3.4 Типы вулканов (площадные и трещинные) 36 3.5 Типы вулканических извержений 37 Раздел 4. Тектонические движения и деформации земной коры. Землетрясения 41 4.1 Основные типы тектонических движений (эпейрогенические, орогенические) 41 4.2 Дислокации, виды дислокаций: пликативные, дизъюктивные 42 4.3 Землетрясения: очаг, параметры, механизм возникновения 45 4.4 Цунами, их образование 48 4.5 Сейсмическое районирование 49 Раздел 5. Метаморфизм: факторы, типы, фации 51 5.1 Общая характеристика 5.2 Основные факторы метаморфизма 5.3 Ультраметаморфизм: анатексис, палингенез, гранитизация Раздел 6. Экзогенные процессы. Процессы выветривания 52 53 55 55 6.1 Виды выветривания (физическое, химическое, органическое), факторы 6.2 Продукты физического выветривания 6.3 Гидролиз. Его суть и конечный результат 6.4 Соотношение между собой элювия и коры выветривания 3 их 56 58 59 59 6.5 Геологическая роль выветривания Раздел 7. Геологическая деятельность поверхностных вод 60 62 7.1 Виды поверхностных вод: плоскостной склоновый сток, деятельность временных русловых потоков, деятельность рек 62 7.2 Виды эрозии водотоков 67 7.3 Формирование речных долин и надпойменных террас 68 7.4 Отличие дельт, авандельт, эстуарий и лиман 70 7.5 Экологическая роль поверхностных вод 73 Раздел 8. Геологическая деятельность подземных вод 74 8.1 Формы существования воды в горных породах (гигроскопическая, капиллярная, гравитационная вода) 74 8.2 Коллекторские свойства горных пород 76 8.3 Происхождение и состав подземных вод 77 8.4 Условия залегания подземных вод 77 8.5 Воды нефтяных и газовых месторождений 79 8.6 Карстовые процессы: карстовые пещеры, карстовые воронки 81 8.7 Осадки подземных вод, отлагаемые на земной поверхности (известковые и кремнистые туфы, поваренная соль, железные и марганцевые руды) 82 8.8 Осадки, откладываемые подземными водами в пустотах горных пород (цементация отложений минеральным веществом) 83 8.9 Оползневые процессы 83 8.10 Роль и значение геологической и геоэкологической деятельности подземных вод в жизни планеты и человека 84 Раздел 9. Геологическая деятельность озер и болот 85 9.1 Происхождение озерных впадин 9.2 Генетическая классификация озерных котловин 9.3 Геологическая деятельность озер и водохранилищ 9.4 Геологическая деятельность болот 9.5 Экологическое значение озер, водохранилищ и болот Раздел 10. Геологическая деятельность в области криолитозоны 85 86 90 92 93 95 10.1 Географическое распространение многолетнемерзлых пород 96 10.2 Типы льда, встречающиеся в криолитозоне и их изменения с глубиной (погребенный, повторно-жильный) 97 10.3 Типы подземных вод, встречающиеся в криолитозоне: надмерзлотные, межмерзлотные, внутримерзлотные, подмерзлотные 97 10.4 Мерзлотно-геологические процессы и возникающие в результате их деятельности формы рельефа 98 Список литературы 103 4 Раздел 1. Введение 1.1 Объект, предмет, задачи и методы Общей геологии Геология - это наука о составе, строении, происхождении и развитии недр Земли, а также о закономерностях формирования и размещении полезных ископаемых. Таким образом, объектами исследования геологии являются: - состав и строение минералов и горных порода, а также в целом недр Земли; - процессы на поверхности и в глубинах Земли; - происхождение и этапы развития планеты Земля; - образование и строение месторождений полезных ископаемых. Основными задачами геологии являются: - разведка новых месторождений полезных ископаемых и новых технологий их добычи; - решение задач, связанных с изучением инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации различных строений; - охрана уникальных геологических объектов и рациональная разработка месторождений. 1.2 Принцип метода актуализма и сравнительно-исторического метода Актуализм (actualis - действительный, настоящий) - метод, применяющийся в геологии для познания истории развития Земли. Данный метод основан на предположении, что все геологические процессы и явления, вызванные данными процессами, очень схожи с современными. Согласно методу актуализма, можно при помощи изучения современных процессов узнать, что было в прошлом, сравнивая, например, современные осадки с древними, современные формы рельефа с захороненными и т.д. С помощью данного метода можно приближенно восстановить геологические процессы и физико-географические условия прошлых геологических эпох. Однако, так как Земля постоянно развивается и эволюционирует, то нельзя в полной мере говорить, что процессы прошлого и настоящего одинаковы. Так, например, некоторые процессы происходили на Земле один раз и больше не повторялись, в силу специфических условий, свойственных только одной геологической эпохе. Изучение геологического строения Земли показывает, что чем древнее геологическая эпоха, тем меньше общих черт она имеет с современной. Основоположником актуализма по одной из версий является Ломоносов. Он первый сделал вывод о происхождении различных пород исходя из образования современных осадков, а также высказал идею развития Земли в следствие 5 взаимодействий внутренних и внешних процессов. Он считал, что и геологические процессы изменяются со временем. По другой версии эти идеи были впервые изложены в 1795 году шотландским геологом Джеймсом Хаттоном в его работе «Теория Земли». Принцип актуализма был оформлен лишь в 1833 г. крупнейшим английским геологом Чарльзом Лайелем в книге «Основы геологии». Как писал Ч. Лайель, «настоящее - ключ к познанию прошлого», т. е. только тщательное изучение современных геологических процессов и сравнение их результатов с результатами геологических процессов далекого прошлого может указать правильный путь к пониманию сущности последних. На данный момент метод актуализма сильно изменился благодаря советским ученым, которые смогли придать ему более качественную форму сравнительно-исторического метода. Они начали сравнивать современные процессы с прошлыми не механически, а с учетом различий физико-географических условий и процессов. Советские геологи на основе диалектического материализма развивают и углубляют актуалистический метод и успешно применяют его в различных отраслях геологии. Большой вклад в развитие актуализма внесли отечественные учёные Н. И. Андрусов, А. Д. Архангельский, Н. М. Страхов, И. Вальтер в Германии, Л. Кайё во Франции и др., которые утвердили толкование актуализма как метода, а не как основополагающего принципа всей геологии. В общих чертах метод актуализма состоит в использовании современного для моделирования прошлого. Метод актуализма является полной противоположностью исторического метода, так как исторический метод основан на изучении прошлого, для познания настоящего. Однако, некоторые ученые утверждают, что метод актуализма является частью исторического метода. У этих двух методов есть общая черта - их основу составляет принцип эволюционного развития. Следствием этого принципа выступает ситуация, при которой настоящее более или менее отличается от прошлого. Именно для таких ситуаций, которые рассматриваются в качестве общего случая, действенны оба метода. Однако надо учитывать и крайние ситуации. Так, при практическом тождестве настоящего и прошлого, кажется, что применение обоих методов становится бессмысленным. Но оно действительно оказывается таковым только после установления самого факта этого тождества с помощью указанных методов. И для этого могут потребоваться долгие годы исследований. Возможен и другой крайний случай, при котором настоящее столь несходно с прошлым, что практически моментами сходства можно пренебречь. На первый взгляд, в этом случае актуализм теряет свою силу. Но само установление факта такой высокой степени различия настоящего и прошлого является не исходным пунктом, а результатом длительного исследования. В процессе же проведения этого исследования невозможно обойтись без метода актуализма и без исторического метода. Эти два независимых метода можно объединить как сравнительноисторический подход. 6 1.3 История развития геологических знаний Развитие геологических знаний сопровождает развитие человеческого общества на всем его протяжении. Использование горных пород определило изготовление кремниевых орудий в каменном веке. Поиски меди, олова и железной руды для выплавки бронзы и железа проводились в так и названных бронзовом и железном веках. Использование самородного золота и серебра для экономических операций стало основой первого обмена продуктами труда. Использование рудных ископаемых увековечено в клинописных трудах древних царств Месопотамии - Шумера, Аккада, Элама, Ассирии, в папирусах Древнего Египта. Первые описания горных пород и минералов с их характеристиками проводились в Китае в VII-IV веках до н.э. Грандиозные извержения вулканов и землетрясения способствовали развитию древнегреческой мифологии и философии. Многие философы и ученые Древней Греции (Фалес, Гераклит, Аристотель, Анаксимандр и др.), наблюдая за геологическими процессами, разработали собственные гипотезы о происхождении и строении Земли. Одним из первых о циклических трансгрессиях и регрессиях, вызванных климатическими колебаниями, высказал мысли греческий философ Аристотель (384-322 гг. до н.э.). При этом Аристотель признавал, что Земля существует вечно и постоянно изменяется. В период средних веков, в эпоху господства религиозных идей христианства и ислама развитие науки затормозилось. Сотворение мира богом, сравнительно небольшой возраст мира (около 9000 лет), его неизменность, препятствовали развитию геологии. Гораздо успешнее геология, как и в целом наука, развивалась на Ближнем Востоке и Средней Азии. Именно Средняя Азия стала центром развития минералогии, основателями которой стали таджикский врач Абу́ Али́ Хусе́йн ибн Абдулла́х ибн аль-Ха́сан ибн Али́ ибн Си́на или Авиценна (980-1037) и персидский философ Абу́ Рейха́н Мухамме́д ибн Ахме́д альБируни́ (973-1048). В трактатах этих ученых даются характеристики и свойства минералов, известных в это время. Рисунок 1 - Аристотель [29] Рисунок 2 - Абу́ Али́ Хусе́йн ибн Абдулла́х 7 ибн аль-Ха́сан ибн Али́ ибн Си́на (Авиценна) [30] Рисунок 3 - Абу́ Рейха́н Мухамме́д ибн Ахме́д альБируни́ [31] Эпоха Возрождения дала толчок развитию искусства, культуры и наук. В Европе интерес к геологии появился в связи с активной добычей различных руд - железных, медных, серебряных. Величайшим деятелем эпохи Возрождения в Северной Италии Леонардо да Винчи (1452 - 1519) отмечалось, что древние окаменелости, встречающиеся в известняках, являются свидетельством жизни животных в древних морях, что Земля развивается длительно и постепенно, что холодный и теплый климаты на Земле сменяют друг друга. Основатель горного дела в Германии металлург и минералог Георг Бауэр (Агрикола, 1494 -1555) описал многочисленные рудные тела и жилы, разработал новые технологии извлечения руд. Гелиоцентрическая концепция польского астронома Николая Коперника (1473 - 1543) заставила пересмотреть строение Солнечной системы, что в дальнейшем серьезно повлияло на оценку возраста Земли, ее происхождение и развитие. Рисунок 4 - Ленардо да Винчи [32] Рисунок 5 - ГеоргБауэр (Агрикола) [33] Рисунок 6 - Николай Коперник [34] XVIII век интересен тем, что религиозные постулаты христианства у большинства ученых смешивались с новыми геологическими концепциями. Ярким примером являются идеи сторонников всемирного потопа, свидетельства которого сохранились в форме окаменелостей морских животных, отложениях морского дна на суше и формах рельефа, отпрепарированных морским прибоем. Сторонником данной концепции, получившей название делювиальной гипотезы (лат. diluvium - потоп), стал немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716), в геологическом трактате которого на образование Земли отводилось 6 дней. Особая геологическая роль отводилась океану в работах ученых школы нептунистов, основателем которой стал профессор Фрайбергской горной академии в Саксонии Абраам Готлоб Вернер (1750-1817). Он предполагал, что Землю изначально покрывал океан, на дне которого отлагались различные породы, в том числе т.н. первичные - гранит и сиенит, давшие начало основному телу Земли. Учение нептунистов серьезно продвинуло развитие учения об оса8 дочных породах, влияние условий осадконакопления на фациальное формирование различных пород, внесло большой вклад в формирование описательной минералогии. Таким образом нептунисты признавали исключительную роль горизонтальных движений и отрицали значение внутренних сил Земли на формирование ее геологического строения. Противоположной точки зрения придерживались приверженцы школы плутонистов. Ярким представителем этой школы стал шотландский геолог Джеймс Геттон или Хаттон (1726-1797). Он выделял вертикальные движения земных недр, причиной которых являлось их раскаленное состояние. Расплавленные горные породы на глубине являлись причиной образования вулканов, магматических пород, образования лавовых жил. Плутонисты, однако, совсем не признавали процессов осадконакопления. Рисунок 7 - Го́тфрид Ви́льгельм Ле́йбниц [35] Рисунок 8 - Абраам Готлоб Вернер [36] Рисунок 9 – Джеймс Геттон (Хаттон) [37] Сторонником плутонистов оказался и русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765). В трактате «О слоях земных» (1763) он говорит о развитии земных недр, отрицает их божественное происхождение, объясняет происхождение горной слоистости в горах, образование вулканов, слоистость морских пород, образование рудных тел, происхождение угля и нефти. М.В. Ломоносов писал: «...напрасно многие думают, что все как видим, с начала творцом создано; будто не токмо горы, долы и воды, но и разные роды минералов произошли вместе со всем светом; и потому де не надобно исследовать причин, для чего они внутренними свойствами и положением мест разнятся. Таковые рассуждения весьма вредны приращению всех наук, следовательно, и натуральному знанию шара земного, а особливо искусству рудного дела». Процессы, изменяющие недра и поверхность Земли им разделены на внутренние и внешние: «Внешние действия суть сильные ветры, дожди, течение рек, волны морские, льды, пожары в лесах, потопы; внутреннее одно землетрясение». Объединение внешних и внутренних сил, признание их единства и дополнения друг друга М.В. Ломоносовым предвосхитило появление нового уче9 ния актуализма. При этом им был также описан весьма продуктивный для геологии метод изучения древних геологических процессов с помощью их сопоставления с современными явлениями. Благодаря М.В. Ломоносову в России формируется отечественная геологическая школа. Одним из ее представителей стал академик В.М. Севергин (1765-1826). Он в 1809 году опубликовал первое крупное обобщение всех минералогических исследований на территории Российской империи «Опыт минералогического землеописания государства Российского». В начале XIX века английский землемер Вильям Смит (1769-1839) при прокладывании каналов заметил различия в составе органики в верхних и нижних слоях, что позволило ему сделать вывод о том, что их возраст отличается. Он предположил, что на основе сохранившейся ископаемой фауны возможно определение возраста всего геологического пласта и о том, что древние пласты располагаются ниже, а молодые - выше. Им заложены основы определения коррелятных отложений и палеонтологического определения геологического возраста. В связи с работами Смита первая половина XIX века стала временем систематизации всех известных находок вымерших организмов. С 1822 по 1841 гг. сформирована для всей Земли геохронологическая шкала с ключевыми геологическими разделами осадочных отложений, которыми пользуются по сей день. Последователем Вильяма Смита стал французский ученый Жорж Кювье (1769-1832), общепризнанный основоположник новой науки палеонтологии. Палеонтология стала основой развития отдельной отрасли геологии - исторической геологии. Кювье признавал неизменность организмов, Встречавшиеся в горных породах скопления вымерших животных он объяснял мощными катастрофами. В связи с этим его взгляды дали начало новой теории - теории катастрофизма. Во многом взгляды Кювье подтверждаются в настоявшее время - в результате изучения Пермского вымирания или гибели фауны эпохи динозавров в меловой период. Рисунок 10 - М.В. Ломоносов [38] Рисунок 11 - Вильям Смит [39] 10 Рисунок 12 - Жорж Кювье [40] Особый вклад в геологию был внесен англичанином Чарльзом Лайелем (1797-1875). В книге «Основы геологии» (1833) он показал, что геологические процессы, действуя постепенно, производят очень глубокие и масштабные изменения в недрах и на поверхности Земли. При этом значение катастрофических явлений может быть минимальным. Ф. Энгельс считал, что Ч. Лайель «внес здравый смысл в геологию». Идеи эволюционизма в геологии утвердились с появлением в 1859 году труда Чарльза Дарвина (1809-1862) «Происхождение видов путем естественного отбора». Останки вымерших организмов представили прекрасное доказательство теории эволюции. Отныне палеонтология отражала родственные связи между организмами, жившими в разные геологические эпохи, и отражала закономерности в их развитии. В 70-х годах XIX века появились работы русского палеонтолога Ковалевского Владимира Онуфриевича (1842-1883). В них определены связи между различными древними организмами и представлены изменения природной среды, вызвавшие приспособленность организмов к ним. Рисунок 13 - Чарльз Лайель [41] Рисунок 14 - Чарльз Дарвин [42] Рисунок 15 В.О.Ковалевский [43] Успешное развитие палеонтологии способствовало появлению в начале ХХ века нового направления в геологии - палеогеографии. Эта наука выявляла закономерности в последовательной трансформации природной среды и восстанавливала общую картину ландшафтов прошлого. Также начало ХХ века ознаменовалось в связи с чрезвычайно быстрым накоплением различных геологических фактов и выявлением разнообразных закономерностей выделением в составе геологии новых направлений - петрографии, литологии, минералогии, гидрогеологии, геохимии и других. Успехи физики и химии способствовали появлению в геологии новых методов исследования структуры и свойств минералов и горных пород, строения недр Земли. 11 Геологические исследования в России изначально были жестко централизованы. Общая их координация осуществлялась с начала XIX века Департаментом горных и соляных дел, а с 1834 года - Штабом Корпуса горных инженеров. В 1882 году был организован Геологический комитет численностью 8 человек. Геолком широко развернул геологоразведочные работы на территории России, которые в дальнейшем перешли в разномасштабные виды геологической съемки. Таблица 1 - Специалисты Геолкома, принимавшие участие в изучении территории Российской империи Ученый-геолог Годы жизни Район исследований Никитин С.Н. 1851-1909 Русская платформа Павлов А.П. 1854-1929 Русская платформа Головкинский Н.А. 1834-1897 Русская платформа Карпинский А.П. 1847-1936 Урал Чернышев Ф.Н. 1856-1914 Урал Богданович К.И. 1864-1947 Кавказ Голубятников Д.В. 1866-1933 Кавказ Губкин И.М. 1871-1939 Кавказ Лутугин Л.И. 1864-1951 Донецкий бассейн Мушкетов И.В. 1850-1902 Средняя Азия Вебер В.Н. 1871-1940 Средняя Азия Исследования этих геологов являются не только описательными в отношении отдельных регионов, но и внесли колоссальный вклад в выявление крупных закономерностей, повлиявших на развитие геологии в целом. А.П. Павлов, например, занимаясь изучением четвертичных отложений Европейской части России, разработал общепринятую генетическую классификацию континентальных отложений и типов рельефа. Его исследования, посвященные оползням, их происхождению и классификации, заложили основы для развития инженерной геологии. А.П. Карпинский, бывший с 1885 по 1903 г. директором Геологического комитета, известен как основоположник многих направлений в различных областях геологии, особенно в палеогеографии, стратиграфии и др. И.В. Мушкетовым была написана книга «Физическая геология», не потерявшая значения до сих пор как один из лучших учебников по динамической геологии. В 1918 году в Томске было организовано Сибирское отделение Геологического комитета, у истоков которого стояли такие крупные геологи, как В.А. Обручев (1863-1956) и М.А. Усов (1883-1939). Это была первая производственная геологическая организация на территории Сибири. Наиболее значимым для развития геологии в России был советский период, одним из главных достижений которого стал беспрецедентный в мировой практике размах геологических исследований, который за несколько десятилетий превратил 1/6 часть суши из слабоизученной территории в крупнейшую кладовую полезных ископаемых. Задел был так велик, что, несмотря на распад СССР и трудности, переживаемые постсоветскими странами в результате просчетов 12 управления, созданная в советское время минерально-сырьевая база и в XXI веке послужит основой существования России и почти всех стран СНГ. 1.4 Основные достижения, проблемы и тенденции развития Открытие крупных месторождений многих полезных ископаемых во второй половине XIX и в XX веке во многом было обеспечено правильным теоретическим прогнозом преимущественно на основе достаточно разработанной теории геосинклиналей и понимания значения исторической последовательности геологических процессов. Геология становится многопрофильной наукой, в составе которой выделяются: литология, стратиграфия, минералогия, петрография, историческая геология, тектоника и другие дисциплины. Позже, с развитием новых технологий получили развитие геохимия, геофизика, металлогения и целый ряд других направлений, в том числе исследования из космоса. К настоящему времени геология вышла на достаточно высокий уровень развития и охватила широкий круг проблем. Приоритетным направлением научных и практических исследований является изучение проблем глобальных изменений в течение геологической истории Земли. Эти изменения выражаются через тектонику, магматизм, метаморфизм, вулканизм, атмосферные и гидросферные переносы и т.п., а также через процессы, связанные с активной деятельностью человека. Для понимания закономерностей большинства природных глобальных процессов и в связи с сокращением, несмотря на технический прогресс, новых открытий месторождений полезных ископаемых, стали необходимы поиски новых научных подходов и, как следствие, возникают новые проблемы. Прежде всего это касается развития нового системно-исторического подхода в фундаментальной геологии. В настоящее время основное внимание исследователей приковывает обсуждение двух проблем. Одна из них - глубинная геодинамика, а именно - процессы, протекающие в переходной зоне от верхней к нижней мантии, на их границе, а также на границе мантии и ядра, и даже внешнего и внутреннего ядра. Вторая из главных проблем современной геологии касается ранней истории Земли. Исходным моментом здесь служит само становление Земли как планеты 4,6 млрд. лет назад. Другие важные и не вполне решенные проблемы: 1) причина диссимметрии Земли; 2) причина периодического проявления на Земле великих покровных оледенений - от позднеархейского-раннепротерозойского до позднекайнозойского; 3) возникновением и развитием жизни на Земле; 4) проблема великих вымираний и обновлений органического мира, прежде всего на границе мела и палеогена; 5) проблема цикличности в истории Земли. Нерешенные проблемы в практической геологии: 13 1) прогноз времени землетрясений, мониторинг других природных катастроф - вулканических извержений, крупных оползней и обвалов; 2) разработка прямых методов поисков залежей нефти, и повышение отдачи нефтяных пластов; 3) изыскание способов надежного и безопасного захоронения радиоактивных отходов. 1.5 Значение геологии в жизни современного общества, экологическая роль геологии Изучение месторождений полезных ископаемых имеет значение как для теоретических аспектов исследования геологических недр, так и для выявления закономерностей разведки месторождений. Одна из важнейших практических задач геологии заключается в разведке горючих полезных ископаемых - углеводородного сырья - нефти, природного газа, угля, торфа, горючих сланцев, которые являются основой современной мировой экономики. Развитие новых направлений в промышленности, необходимость получения новых видов продукции предопределяют важность разведки новых минералов и горных пород. Выявление опасных геологических процессов, их прогнозирование служат важной частью строительного проектирования и сооружения новых зданий. Безопасность строительства и эксплуатации современных сооружений во многом зависят от точности прогнозирования геологических процессов, как в недрах Земли, так и на ее поверхности. Достроительное исследование территории носит название геологических изысканий. Геологические изыскания комплексно выявляют и описывают разнообразные условия участка. Аварийность строений может, например, быть связана с трещиноватостью недр, которая может быть связана как с землетрясениями, так и с карстом. Экологическое значение геологии может быть связано с несколькими направлениями. Одно из них связано с экологической безопасностью эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Разумеется, экологизация разработки нефтегазовых или угольных месторождений существенно отличается от разработки рудных месторождений. Другое направление определяется сохранением уникальных геологических объектов, представляющих научный стратиграфический, минералогический, палеонтологический или другой интерес, а также имеющих туристско-рекреационное и бальнеологическое значение. 14 Раздел 2 Общие сведения о строении и составе Земли. Возраст земной коры. Абсолютное и относительное летоисчисление Геоид - эквипотенциальная поверхность земного поля тяжести (уровенная поверхность), ориентировочно совпадающая со средним уровнем вод Мирового океана в невозмущённом состоянии и продолженная под континентами. Различие реального среднего уровня моря от геоида может достигать 10 м. Продольные волны (P - волны) - волны, при которых частицы вещества колеблются вдоль направленности распространения. Поперечные волны (S - волны) - волны, при которых частицы вещества колеблются перпендикулярно направленности распространения. Термодинамической системой называется совокупность вещественных тел, взаимодействующих между собой и с находящейся вокруг средой. 2.1 Планетарное происхождение материков и океанов Внешний облик Земли формируется в результате сочетания континентов и океанов, их формой и рельефом. Чтобы ответить на вопрос, как они образовались, необходимо выявить различия в строении элементов земной коры. Чем же объясняется отличия в строении частей земной коры? Основная масса ученых придерживается концепции, что в начале была образована кора подобная современной коре океанического типа. Далее вследствие внутренних процессов на поверхности Земли образовались складки. Со временем толщина коры возрастала, образовались выступы континентов. В отношении дальнейшего развития континентов и океанов существует большое количество гипотез. Одни ученые-геологи считают, что континенты не подвижны, другие считают, что они существуют в неизменном перемещении. В начале XX в. немецкий ученый Адьфред Вегенер вынес на всеобщее обсуждение новую концепцию - теорию литосферных плит. Предоставленная Вегенером концепция в последние годы получила обширное распространение, впрочем, в те эпохи ученый не имел возможность объяснить происхождение сил, двигающих материки. Согласно теории Вегенера, земная кора и часть верхней мантии не считаются твердой неподвижной системой. Земная кора разбита сложной сетью трещин, которые уходят на огромную глубину, достигая мантии. Данные трещины делят литосферу на некоторое количество блоков (плит) шириной от 60 до 100 км. Границы между плитами располагаются по срединно-океаническим хребтам - огромным вздутиям на теле планеты или же по глубоководным желобам - ущельям на океаническом дне. Есть эти трещины и на суше. Они проходят по горным поясам вроде Альпийско-Гималайского, Уральского и др. Эти горные пояса напоминают «швы залеченных давних ран на теле планеты». На суше есть и «свежие раны» - известные Восточно-Африканские разломы. 15 Выделяют 7 крупных плит и десятки плит гораздо меньше. Основная масса плит включает как материковую, так и океаническую кору. В соответствии с теорией литосферных плит, плиты скользят по слою мантии, на котором они находятся. Движение литосферных плит вызвано перемещение вещества в верхней мантии. Данное вещество при сильных струях способно разрывать земную кору, вследствие чего образуются глубинные разломы. Эти разломы есть на суше, но большая их часть располагается на дне океанов в срединноокеанических хребтах, так как там мощность коры меньше. Здесь расплавленное вещество поднимается из недр Земли и расталкивает плиты, наращивая земную кору. Края разломов отодвигаются друг от друга. Зоны тектонического раздвига называются зоной спрединга. Плиты медленно передвигаются от подводных хребтов к линиям желобов со скоростью от 1 до 6 см в год. Данный процесс был установлен в результате сравнения снимков, изготовленных с помощью спутников Земли. Примыкающие плиты сближаются, расползаются или же скользят в противоположных направлениях, создавая трение. Они плавают на поверхности верхней мантии, как глыбы льда на поверхности воды. В случае если вследствие движений сталкиваются материковая и океаническая кора как более легкая, то океаническая как бы подныривает под континентальную. При этом появляются глубоководные желоба, островные дуги, горные хребты, к примеру, Курильский желоб, Японские острова, Анды. Данная тектоническая зона называется зоной субдукции (рисунок 16). Рисунок 16 - Взаимодействие океанической коры с континентальной в зоне субдукции [44] В случае если сталкиваются две мощные континентальные коры, то их края сминаются, образуя складки. Например, так образовались, к примеру, горные хребты на границе Евразийской и Индо-Австралийской плит Гималаи. Та16 кая тектоническая зона называется зоной коллизии. Сообразно теории литосферных плит, на Земле в свое время был одинокий мегаконтинент, окруженный океаном. Со временем на нем появились глубинные разломы и образовалось два материка - в Южном полушарии Гондвана, а в Северном - Лавразия, разделенные океаном Тетис. После этого и эти континенты были разбиты вновь новыми разломами. Образовались современные материки и новые океаны - Атлантический и Индийский. 2.2 Форма Земли Размер Земли в поперечнике составляет 12 742 км; масса 5,97*1024 кг; плотность 5,51 г/см3, время одного оборота при вращении вокруг совей оси 23 ч 56 м. 4,1 с; полный оборот вокруг Солнца 365,26 суток; эксцентриситет орбиты 0,017; площадь поверхности - 510 млн км2, объем - 1,083*1011км3. Сэр Исаак Ньютон первым заметил, что конфигурация Земли не совершенный шар, и обосновал, что ее форма определена центробежным движением. Вследствие этого форма Земли находится в зависимости от общего взаимодействия сил гравитации и центробежных. Равнодействующая данных сил называется силой тяжести. Реальная конфигурация Земли описывается фигурой геоида (землеподобная) - эквипотенциальной поверхностью невозмущенного океана, продолженной и на материки (рисунок 17). Сила тяжести во всякой точке поверхности геоида ориентирована перпендикулярно к ней. На карте видны впадины и неровности на поверхности Земли. Аномалии геоида обоснованы неравномерным распределением масс с разной плотностью внутри Земли. Рисунок 17 - Геоид [45] 17 2.3 Внутреннее строение Земли. Методы изучения внутреннего строения Земли делятся на две принципиальные группы: геологические методы и геофизические методы. Геологические методы основаны на прямых изучениях горных пород в обнажениях, скважинах и горных выработках. Данные о глубинном строении Земли основаны на косвенных данных, полученных при исследованиях геофизическими методами, которые изучают изменение различных физических параметров с глубиной. Основные данные, на которых создана модель внутреннего строения Земли, получены в результате сейсмических исследований. Такие исследования изучают закономерности распространения сейсмических волн в разных средах. В очагах землетрясений и взрывов возникают сейсмические волны - упругие колебания. Эти волны разделяются на объёмные, распространяющиеся в недрах планеты или «просвечивающие» их, и поверхностные, распространяющиеся параллельно поверхности или «зондирующие» верхние слои планеты на глубину десятки - сотни километров. Благодаря геофизическим методам исследований, геологам хорошо известно внутреннее строение Земли. Земная кора является верхней частью литосферы, ее нижняя граница хорошо выражена благодаря резкому увеличению скоростей продольных (P) и поперечных (S) волн. Данная граница была впервые установлена югославским геофизиком А. Мохоровичичем в 1909 г, поэтому названа в честь него границей Мохоровичича, или Мохо, или, совсем кратко, поверхность М, (рисунок 18). Рисунок 18 - Сейсмическая модель Земли [46] Вторая важная граница, установленная благодаря сейсмическим волнам, находится на глубине 2900 км. Она была выделена в 1913 г. немецким геофизи18 ком Б. Гутенбергом и также получила его имя. Данная граница разделяет нижнюю мантию и ядро. Граница Гутенбера характеризуется резким снижением скорости продольных волн (P) почти в два раза, при этом поперечные волны (S) вовсе пропадают, не походя ниже. Так как для поперечной волны скорость определяется как модуль сдвига, деленный на плотность, а модуль сдвига в жидкости равен нулю, то и вещество, слагающее внешнюю часть ядра, должно обладать свойствами жидкости. Третья граница, на которой происходит резкое изменение сейсмических волн, расположена на глубине 5120 км. Скорость продольных волн (P) резко увеличивается, а поперечные волны (S) снова появляются, что говорит о том, что внутреннее ядро - твердое. Таким образом, внутри Земли устанавливаются три главные, глобальные сейсмические границы, разделяющие земную кору и мантию (граница М), мантию и внешнее ядро (граница Гутенберга), внешнее и внутреннее ядра. Твердое внутреннее ядро Земли было открыто в 1936 г. И. Леманн. Ниже поверхности Мохо скорости сейсмических волн увеличиваются, однако на некоторой глубине снова незначительно уменьшаются, при этом скорость поперечных волн уменьшается значительнее продольных. В данном слое также отмечено повышение электропроводности по данным магнитотеллурического зондирования, все это говорит о том, что в данном слое вещество находится в другом состоянии относительно выше- и нижележащих слоев верхней мантии. Этот слой получил название астеносфера, его особенности объясняются возможным его плавлением в пределах 1-2 %, что обеспечивает понижение вязкости и увеличение электропроводности. Астеносферный слой расположен на разных глубинах от поверхности, наиболее близко он расположен под океанами (от 10-20 км до 80-200 км) и может быть расплавлен на 5-10%, под континентами данный слой расположен глубже (от 80км до 400 км). Чем старше породы, тем глубже залегает астеносферный слой, так под докембрийскими платформами он расположен гораздо глубже, чем под молодыми. Мощность астеносферного слоя также неоднородна и изменяется в горизонтальном и вертикальном направлениях. В современных геотектонических представлениях астеносферному слою отводится роль своеобразной смазки, по которой могут перемещаться вышележащие слои мантии и коры. Земная кора и часть верхней мантии над астеносферой носят название литосфера. Литосфера холодная, поэтому она жесткая и может выдержать большие нагрузки, (рисунок 19). 19 Рисунок 19 - Разрез Земли [47] 2.4 Тепловой режим Земли. Изменения температур с глубиной Тепловой режим Земли - совокупность факторов, определяющих распределение температур и тепловых потоков на планете Земля. Внутреннее тепло Земли происходит от комбинации остаточного тепла от планетарной аккреции, тепла, производимого радиоактивным распадом, скрытого тепла от кристаллизации ядра и, возможно, тепла из других источников. Основными изотопами, выделяющими тепло на Земле, являются калий, уран, торий. В центре планеты температура может достигать 7000 К, а давление могло достигать 360 ГПа (3,6 миллиона атм). Поскольку большая часть тепла обеспечивается за счет радиоактивного распада, ученые считают, что в начале истории Земли, до того, как изотопы с коротким периодом полураспада были истощены, производство тепла Землей было бы намного выше. Выработка тепла была вдвое больше, чем в наши дни примерно 3 миллиарда лет назад, что привело к большим градиентам температуры внутри Земли, большей скорости мантийной конвекции (перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками макроскопических частиц вещества) и тектоники плит, что позволило производить магматические породы, такие как коматииты, которые больше не образуются. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин (Кольская скважина). Геотермический градиент - это температура, соответствующая определенной глубине погружения. 20 На вершину геотермического градиента влияет температура воздуха. Самые верхние слои твердой планеты имеют температуру, создаваемую местной погодой, снижаясь примерно до средней температуры на глубине Спускаясь дальше, тепло постоянно увеличивается, так как внутренние источники тепла начинают преобладать. В среднем температура с глубиной растет на 2,5-3 С0 на каждые 100 м. Обратная величина - геотермическая ступень, или интервал глубин. Геотермической ступенью называют вертикальное расстояние (в метрах) между двумя точками, расположенными ниже границы пояса постоянных температур, на котором температура возрастает на 1 С0. Величина геотермической ступени колеблется в широких пределах (от 1 до 200 м / град) и зависит от возраста и типа геотектонического элемента, от тепловых свойств пород, палеотермических условий и в значительной степени от гидрогеологических особенностей данного района (рисунок 20). Рисунок 20 - Температурный профиль внутренней части Земли [48] Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более эффективен данный район для развития геотермальной энергетики. Тепловое поле Земли первым из геофизических полей привлекло внимание человека и оказалось первым объектом практического использования. Геотермальный градиент использовался для обогрева помещений и купания с древнеримских времен, а с недавних пор - для выработки электроэнергии. 21 Знание распределения температуры в недрах Земли важно по нескольким причинам: - температура и давление оказывают решающее влияние на образование залежей нефти и газа из органического вещества; - параметры геометрического поля (естественная температура пород, геотермический градиент, тепловой поток) могут использоваться в качестве поисковых признаков нефтегазовых залежей; - оценка геотермальных ресурсов для их использования в энергетике, теплоснабжении, коммунальном и сельском хозяйстве. 2.5 Типы земной коры Более выдержанное строение имеют древние блоки земной коры, или же континентальные ядра, возраст которых больше 2 миллиардов лет. В них выделяются 3 слоя (оболочки): - верхний - осадочный слой; - гранитный; - базальтовый. Названия эти предоставлены по физическим свойствам слоев, а не по составу, в следствие этого считаются относительными. Осадочный слой сложен осадочными и вулканогенно-осадочными породами. Почвы и современные техногенные, отложения в него не входят. Большинство осадочных пород глинистые и песчанистые (почти 70 %): - рыхлые (глина, песок); - сцементированные (глинистые сланцы, песчаники). Карбонатные породы (известняки, мергели и др.) сцементированы. Породы, претерпевшие термодинамические переустройства (раскристаллизацию), отсутствуют или же встречаются изредка и локально. Залегают эти слои горизонтально и субгоризонтально. Время от времени данный слой прорывается силикатными расплавами, близкими по составу базальтам. Между осадочных пород зачастую залегают пласты угля и слои, насыщенные газами и нефтью. Средняя плотность пород - 2,45 г/см3. Мощность слоя меняется от 0 до 20 км, составляя в среднем в пределах 3,5 км. Его подстилает гранитный или же базальтовый слои. Гранитный слой состоит из гнейсов, ближайших по составу гранитам, и гранитов, в совокупности составляющих практически 80 % гранитного слоя. Вследствие этого данный слой именуют гранитогнейсовым. Горные породы, слагающие данный слой, образуют тела в форме слоев, линз, жил, зачастую прорывают слоистые толщи и по разломам внедряются в форме интрузивов. Все эти тела деформируются, раздавливаются, сминаются в складки, разбиваются на блоки, т. е. испытывают термодинамические и тектонические воздействие и перекристаллизацию. Мощность слоя меняется от 0 до 25 км. Он перекрывается осадочным слоем. Ниже гранитного залегает базальтовый слой. Гра22 ница между ними образует поверхность (раздел) Конрада и проявлена, как правило, неотчетливо. Средняя плотность слоя составляет 2,7 г/см3. Базальтовый слой состоит преимушественно из гнейсов, ближайших по составу базитам, габброидам и гранулитам, вследствие этого именуется нередко базито-гнейсовым или же гранулито-гнейсовым. Принято считать, что в основании слоя лежат ещё больше твердые породы, чем гранулиты - эклогиты. Мощность слоя от 10 до 40 км. Средняя плотность 2,9 г/см3. К числу главных составляющих земной коры, отличающихся по составу и мощности выделяются два ведущих типа земной коры: континентальная и океаническая. Континентальная кора - кора материков (и примыкающего мелководного шельфа) характеризуется огромной мощностью, достигающей 75-80 км в молодых горных сооружениях и 35-45 км в границах платформ. Сложена магматическими, осадочными и метаморфическими породами, образующими три слоя (рисунок 21). Самый верхний осадочный слой, представленный осадочными породами, имеет мощность от 0 до 5 (10) км и отличается прерывистым распространением. Он отсутствует на наиболее поднятых участках древних кратонов - выступах и щитах. В некоторых, более прогнутых структурах земной коры - впадинах и синеклизах - мощность осадочного слоя составляет 15-20 км. Значение плотности пород тут небольшое, а скорость распространения продольных сейсмических волн составляет (V) 2-5 км/с. Ниже залегает гранитный (теперь его именуют гранитогнейсовым) слой, сложенный в основном гранитами, гнейсами и другими метаморфическими породами различных фаций метаморфизма. Более полные разрезы этого слоя представлены на кристаллических щитах древних кратонов. Значение плотности пород тут изменяется в пределах 2,5-2,7 г/см3, а скорость распространения продольных сейсмических волн до 5-6,5 км/с. Его средняя мощность составляет 15-20 км, а временами достигает 25 км. Третий, нижний, слой называют базальтовым. По среднему химическому составу и скорости распространения сейсмических волн данный слой близок к базальтам. Но все же, есть предположение, что сложен слой в основном породами на подобии габбро и метаморфическими разновидностями пород амфиболитовой и гранулитовой фаций. Не исключается наличие и ультраосновных пород гранат-пироксенового состава - эклогитов. Вследствие этого вернее было бы его именовать гранулито-базитовым. Мощность слоя изменяется в границах 15-20-35 км, скорость распространения продольных сейсмических волн возрастает до 6,5-6,7-7,4 км/с. Граница между гранитогнейсовым и гранулито-базитовым слоями именуется сейсмическим разделом Конрада, которая отличается по скачку волн V с 6,5 до 7,4 км/с у подошвы третьего слоя. 23 Рисунок 21 - Типы коры [49] Вещественный состав нижнего слоя представлен породами гранулитовой фации метаморфизма и основными, и ультраосновными магматическими породами. Средний и верхний слои могут быть сложенными магматическими и метаморфическими породами кислого состава. Таким образом, предложенная трехслойная модель консолидированной части континентальной коры базируется только на сейсмических данных, а петрографический состав практически соответствует двухслойной модели: гранулито-гнейсовому и гранулито-базитовому слоям. Океаническая кора. Прежде представлялось, что океаническая кора состоит из двух слоев: верхнего осадочного и нижнего базальтового. Долгое изучение океанического дна методом бурения, драгирования и сейсмической геофизики установили, что океаническая кора имеет трехслойное строение при средней мощности 5-7 км. 1. Осадочный, верхний, слой состоит из рыхлых осадков различного состава и мощности, варьирующей в довольно широком спектре, от нескольких сотен метров до 6-7 км. Наибольшей мощности осадочный слой достигает в океанических желобах (6,5 км на юго-западе Японии) или же в подводных конусах выноса (например, Бенгальский конус на продолжении рек Ганга и Брахмапутры, Амазонский, Миссисипский, где мощность осадков составляет 3-5 км). Скорость распространения Vр = 1,0-2,5 км/с. 2. Второй слой, находящийся ниже, сложен большей частью базальтовыми лавами подушечного и покровного типов. Изучен на основе изучения разнообразных типов лав на дне кальдеры горы Осевой (хребет Хуан де Фука), где 24 были отчетливо закартированы в одной из экспедиций НИС «Мстислав Келдыш» в 1985 г. (рисунок 22). 3. Третий, нижний, слой, по данным драгирования и глубоководного бурения, сложен основными магматическими породами на подобии габбро и ультраосновными (перидотитами, пироксенитами). Профиль океанической коры, вскрытый во впадине Хесса в Галапагосском рифте Тихого океана, пройден драгированием и изучен с французского спускаемого аппарата «Наутилус». В основании разреза залегают габбро с K = 6,8 км/с, которые выше сменяются долеритами мощностью до 1 км и F = 5,5 км/с, а завершается профиль подушечными и покровными лавами толеитовых базальтов мощностью в пределах 1 км. В основании разреза присутствуют перидотиты. Слоистое строение океанической коры прослежено на больших расстояниях, что подтверждается данными многоканального сейсмического профилирования. Итогами геофизических исследований последних десятков лет явилось выделение ещё двух, промежуточных (переходных) типов земной коры: субконтинентального и субокеанического. Субконтинентальный тип земной коры по своему строению близок континентальной коре, имеет наименьшую мощность 20-30 км и слабо выраженный рубеж Конрада. Свойственен для островных дуг и окраин континентов. Субокеанический тип земной коры отмечается в глубоководных котловинах окраинных и внутренних морей (Охотское, Японское, Средиземное, Темное и др.). Данный тип коры от океанической коры отличается более высокими мощностями осадочного слоя (4-10 км и более), а его общая мощность составляет 10-20 км, иногда 25-30 км. Рисунок 22 - Строение океанической коры [50] 25 2.6 Химический состав Земли В настоящий момент невозможно точно идентифицировать химический и минеральный составы геосфер Земли. Этот состав возможно точно определить лишь только у пород, которые присутствуют в пределах поверхности Земли. Средний химический состав горных пород земной коры приведен в таблице 2 по сведениям А. А. Ярошевского. Из данной таблицы видно, что состав океанической и континентальной коры абсолютно различный. Континентальная кора. Верхний ее слой состоит из гранитов и метаморфических пород, которые выходят на поверхность на кристаллических щитах древних платформ, а еще эффузивных базальтов. Нижний слой практически нигде не выходит на поверхность, в его составе доминируют основные и ультраосновные породы - базиты и гипербазиты, как магматические, так и метаморфические. Об этом говорят геофизические и экспериментальные данные. Приведенные выше данные о среднем составе земной коры могут быть определены только к верхней части земной коры, в тоже время к состав нижней коры все ещё остается областью предположений. Таблица 2 - Средний химический состав (в %) земной коры и верхней мантии (Ронов, Ярошевский, Мигдисов, 1990) Компонент Верхняя часть Океаническая ко- Верхняя мантия континентальной ра коры SiO2 63,83 49,89 45,3 TiO2 0,54 1,38 0,2 Al2O3 14,94 14,81 3,6 Fe2O3 1,75 1,79 MnO 0,09 8,6 7,3 MgO 2,83 0,18 0,1 CaO 4,08 7,38 41,3 Na2O 3,02 11,93 1,9 K2O 2,84 2,38 0,2 P2O5 0,14 0,14 0,1 Cорг 0,05 CO2 0,9 0,42 H2O 1,17 0,85 Горные породы, из которых сложена континентальная кора, несмотря на многообразие, представлены несколькими типами. Среди осадочных пород доминируют песчаники и глинистые сланцы (до 80%), среди метаморфических гнейсы и кристаллические сланцы, а среди магматических - граниты и базальты. Если идти последовательно, то средние составы песчаников и глинистых 26 сланцев близки к средним составам гранитов и базальтов, что говорит о происхождении первых за счет выветривания и разрушения вторых. Океаническая кора. В ней большая часть пород представлена базальтами (около 98%), а осадочные породы верхнего слоя имеют незначительную мощность. Наиболее широко распространенными минералами земной коры считаются полевые шпаты, кварц, слюды, глинистые минералы, возникшие за счет выветривания полевых шпатов. Подчиненное значение имеют пироксены и роговые обманки. Отличие среднего состава континентальной и океанической коры объясняется, по А. А. Ярошевскому, различием среднего состава корообразующих вулканических пород - островодужных вулканитов и океанических базальтов. Состав верхней и нижней мантии может быть определен лишь только предположительно на базе геофизических и опытных данных. Верхняя мантия ниже границы Мохо с большей степенью вероятности сложена ультраосновными породами, обогащенными Fe и Mg, но в то же время бедными кремнеземом. Не исключено, что среди пород верхней мантии большое количество эклогитов, которые образуются при больших давлениях, о чем говорит возникновение в них минерала граната, стойкого при давлении, которое есть в верхней мантии. Ведущими минералами вещества верхней мантии считаются оливин и пироксены. По мере наращивания глубины твердое вещество мантии скачкообразно на границах, устанавливаемых сейсмическим способом, претерпевает структурные переустройства, сменяясь все больше уплотненными модификациями минералов, и при этом не случается изменение структуры и химического состава вещества, как это показано Д. Ю. Пущаровским. Химический и минеральный состав ядра предполагается на основании расчетных давлений в пределах 1,5 Мбар, имеющих место быть на глубине 5120 км. В этих условиях наиболее вероятно наличие вещества, состоящего из Fe с 10 % Ni и определенной примесью серы во внешнем ядре, которая формирует с железом минерал троилит. Как считает А. А. Ярошевский, как раз данная легкоплавкая эвтектическая смесь гарантирует устойчивость жидкого наружного ядра, повыше которого располагается твердая силикатная мантия. Таким образом, Земля оказалась расслоенной на железное ядро, твердую силикатную мантию и кору, что обусловливается разной плотностью и температурой плавления, т. е. различиями физических качеств вещества мантии и ядра сообразно представлениям А. А. Ярошевского. Эти различия сложились ещё на стадии гетерогенной аккреции планеты, т. е. в ходе формирования минерального состава протопланетного вещества. 2.7 Возраст земной коры и периодизация истории Земли Существующая схема периодизации, основанная на этапах развития органического мира (палеозой, мезозой, кайнозой, фанерозой и др.) не отражает в 27 полной мере условия осадконакопления, площадное размещение палеогеографических обстановок, магматизма и других явлений, которые ныне изучает историческая геология. На смену традиционным периодам геохронологической шкалы, имеющей уже более чем столетнюю историю использования, должны прийти понятия и термины в полной мере отражающие периоды геологической истории. Это средний и поздний палеозой, ранний и средний (поздний) мезозой, новейший этап и многие другие, которые уже утвердились в практике историко-геологического анализа. Особо важным вопросом историко-геологического анализа следует считать обоснование иерархии этой периодизации, установление интервалов времени с аналогичными режимами. Частично это было сделано. Основу ее составляют историко-геологические периоды, разделенные структурными перестройками, проявляющимися через 75-80 млн. лет. Они уверенно могут быть выделены в фанерозое; для них предложены частично утвердившиеся названия типа средний и поздний палеозой, ранний мезозой, новейший этап, но с новой однозначной трактовкой. Более дробными подразделениями являются эпохи различной тектонической подвижности, которых в каждом историкогеологическом периоде существует по три. Более краткими по времени подразделениями тектонических эпох являются различного рода трансгрессии и регрессии, эпизоды активизации магматизма, другие историко-геологические события. Для новейшего этапа истории можно выделять какие-то потепления или похолодания, которые в ряде случаев можно объединять в климатические циклы с продолжительностью примерно в 26 тыс. лет (см. схему М.Ф. Веклича). Возможно, что такое было и в прошлом, в периоды более древних похолоданий. Анализ историко-геологических периодов показывает, что каждый третий из них проявлен аналогично (таблица 3). Это позволило предложить для такого утроенного периода название историко-геологической эры, и соответственно выделять ранний, средний и поздний фанерозой; последний еще не завершился. Ее несомненным преимуществом является равная продолжительность эпох, периодов и эр, равная примерно 26, 78 и 234 млн. лет. Причем, в такой периодизации и датировке не было какой-то искусственной подгонки; все эти подразделения обоснованы региональными общим историко-геологическим анализом. 28 Таблица 3 - Схема историко-геологического деления фанерозойского развития земной коры (Соловьев, Торжевский, 2013) Раздел 3. Эндогенные процессы. Магматизм Флюиды - газовое или жидкое вещество, отличающаяся от горных пород и силикатных магм более низкими значениями плотности и вязкости. Эффузивный магматизм - механизм заключается в спокойном излиянии достаточно жидкой лавы на поверхность; Экструзивный магматизм - медленное «выдавливание» очень вязкого расплава из жерла вулкана; Эксплозивный магматизм - извержение взрывного характера, в ходе которого «пробка» из застывающей или уже застывшей лавы выбрасывается давлением скопившихся под ней вулканических газов Интрузия - горные породы образуются при застывании магмы под земной поверхностью и по глубине застывания делятся на глубинные и полуглубинные. 29 3.1 Магматизм Магматические горные породы образовались путем остывания и затвердевания магмы (рисунок 23). Данные породы играют большую роль в строении земной коры. Магматические породы образовались различными путями. Крупные объемы магматических расплавов застывали на различной глубине, при этом оказывая влияние на вмещающие породы температурой, горячими растворами и газами. Формы проявления магматизма весьма разнообразны, а его роль в геологической истории велика, что обязывает обратить особое внимание на методы его изучения. Среди большого многообразия магматических проявлений принято выделять две основные их группы - интрузивные процессы, которые завершаются застыванием магм на глубине, и эффузивные, или вулканические, сопровождающиеся излиянием лав на земную поверхность, туфовыми выбросами и образованием в приповерхностных зонах своеобразные субвулканических тел. Несмотря на внешнее сходство и частую пространственную и возрастную сближенность, интрузивные и эффузивные процессы отражают разнородные тектонические режимы. В качестве самостоятельных рассматриваются дайковый процесс (формирование специфических извержений пород в разрывных зонах), образование трубок взрыва, или кимберлитов, а также образование протрузий, когда внедрение изверженных пород происходило в твердом состоянии. К главному методу изучения магматизма необходимо отнести геологическое картирование, которое является основным для определения возраста вулканоплутонических образований, выяснения их соотношения с вмещающими осадочными и метаморфическими породами, а также друг с другом. При геологической съемке не только устанавливается относительный возраст всех изверженных пород, но по возможности выполняются определения и абсолютного возраста изотопными методами. Магматический расплав состоит из 3-х ведущих компонентов: жидкости, газа и твердых кристаллов. Магматические расплавы стремятся к равновесию. С переменой температуры и давления изменяется и сам расплав в нем, образуются новые кристаллы, а старые растворяются, таким образом магма эволюционирует. Этот процесс именуется магматической дифференциацией. Еще на магматическую дифференциацию воздействуют такие процессы, как взаимодействие с вмещающими породами и струями глубинных флюидов. Процесс кристаллизационной дифференциации хорошо исследован не только лишь на теоретическом уровне, но и на практике. По мере кристаллизации состав магмы меняется, например, как кристаллы имеют отличающийся от магмы состав и плотность. В основных силикатных базальтовых магмах сформировавшиеся прежде всего кристаллы оливина и пироксена, как обладающие большей плотностью, могут накапливаться в нижних горизонтах магматической полости, состав которой из однородного базальтового делается расслоенным. Нижняя часть ста30 новится ультраосновной по составу, средняя - базальтовый, а верхние части, обогащаясь кремнеземом и щелочными металлами, становятся кремнекислыми по составу, вплоть до гранитного. Таким образом, образуются расслоенные интрузивные тела. Кристаллизационная и гравитационная дифференциация считается одним из важнейших процессов эволюции магматических расплавов. Рисунок 23 - Магматические горные породы, гранит [51] Не меньшую роль играет и взаимодействие магмы с флюидами. Как уже рассказывалось, магма - это флюидно-силикатный расплав, состоящий из нелетучих петрогенных окислов: SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, CaO, MgO, Na2O, в совокупности составляющих 90-97 %. Летучие составляющие в магме представлены СО2, Cl, H2O, HF и др. Оксид углерода, водород, простая вода (раньше всего) отделяются от расплава, содействуя образованию «сухих» магм. Фтор и иные летучие составляющие скапливаются в расплаве, т. к. они сложнее отделяются от него. «Сухие» расплавы, к примеру, знакомые всем доменные алюмосиликатные шлаки, кристаллизуются при высочайшей температуре 1500-1600 °С. В то же время природные базальтовые расплавы имеют температуру кристаллизации 1200-1300 С0, а кремнекислые ещё ниже. Флюидное давление считается главным условием, которое сокращает температуру кристаллизации. Чем выше флюидное давление, тем температура кристаллизации ниже. Тем более велико воздействие воды на структурные и химические качества силикатных расплавов. Наращивание давления H2O понижает вязкость расплавов и температуру их кристаллизации. Большое значение имеет продукты восстановления воды - водород H2 - и водно-водородное 31 отношение Н2О/Н2 в зависимости от которого изменяется соотношение Ре2О3/РеО, показывающее уровень окисления - восстановления расплава. Высокая концентрация летучих (флюидов) компонентов содействует сохранению расплавов в жидком состоянии до относительно невысоких температур, в случае если сравнивать их с такими показателями «сухих» расплавов. Важным моментом эволюции и дифференциации магматических расплавов является их взаимодействие с вмещающими породами. Как правило, магма представляет собой наиболее легкоплавкий состав - эвтектику, вследствие этого и вынос компонентов из магматического расплава при взаимодействии с вмещающими породами происходит за счет компонентов, внешних по отношению к эвтектике. В то же время магма усваивает эти составляющие окружающих ее пород, которые как раз и содействуют достижению ее эвтектического состава, т. е. самого легкоплавкого. Кислые и средние магмы, имеющие большее содержание кремнезема по сравнению с основными и имеющие более сильные кислотные свойства - активно влияют на вмещающие породы. Вследствие этого у гранитных интрузивов образуются крупные зоны модифицированных пород в находящихся вокруг толщах. При содействии магмы с последними нередко происходит их усвоение, ассимиляция, что приводит к появлению новых пород, именуемых гибридными. 3.2 Интрузивный магматизм Первичные магмы, образуясь на различных глубинах, имеют способность накапливаться. Их гигантские массы продвигаются в верхние горизонты земной коры, где литостатическое давление меньше. При определенных геологических и в первую очередь тектонических условиях магма не доходит до поверхности Земли и застывает (кристаллизуется) на разной глубине, образуя тела различной формы и объема - интрузивы (рисунок 24). Каждое интрузивное тело, будучи окруженным вмещающими породами, или же рамой, взаимодействуя с ними, обладает двумя контактовыми зонами. 32 Рисунок 24 - Интрузивы [52] Воздействие высокотемпературной, богатой флюидами магмы на окружающие интрузивное тело породы приводит к их изменениям, выражающимся по-разному - от слабого уплотнения и дегидратации до абсолютной перекристаллизации и замещения первоначальных пород. Эта зона шириной от нескольких сантиметров до десятков километров носит название зоны экзоконтакта, т. е. наружным контактом (рисунок 25). С другой стороны, сама внедряющаяся магма, тем более краевые части магматического тела, взаимодействуя с вмещающими породами и быстрее охлаждаясь, отчасти ассимилирует породы рамы, в итоге меняется состав магмы, ее структура и текстура. Эта зона модифицированных магматических пород в краевой части интрузива именуется зоной эндо-контакта, т. е. внутренней зоной. Рисунок 25 - Зоны влияния интрузива [53] 33 По отношению к вмещающим породам интрузивы разделяются на конкордантные, или согласные, и дискордантные - несогласные. Согласные интрузивы обладают различной формой. Чаще других в них распространены силлы, или же пластовые тела, характерные для платформенных областей, где отложения залегают практически горизонтально. Базальтовые силлы широко развиты по краям крупной впадины - Тунгусской синеклизы на Сибирской платформе, где они образуют вертикальные системы плоских линзовидных интрузивных тел, размерами от нескольких десятков сантиметров до сотен метров. На Сибирской платформе они образуют широко известную трапповую формацию. Силлы нередко дифференцированы, и в их подошве образуются более тяжелые минералы, возникшие раньше более легких. Вследствие этого и состав пород силл на различных уровнях делается разным. - более основным книзу и более кислым - к верху. Несогласные интрузивы пересекают, прорывают пласты вмещающих пород. К более широко распространенным несогласным интрузивам относятся дайки, тела, длина которых во много раз больше их мощности, а плоскости контактов практически параллельны. Дайки имеют длину от десятков метров до сотен километров. К примеру, Великая дайка в Южной Африке раннепротерозойского возраста обладает длиной до 670 км при ширине 1-30 км. Формирование даек связано с внедрением магмы по трещинам в результате тектонического растяжения. Внедрение даек было хорошо исследовано в Исландии, где их число чрезвычайно велико в связи с тем, что Исландия является приподнятой над поверхностью океана частью Срединно-Атлантического хребта, осевая рифтовая зона которого считается дивергентной зоной, где случается наращивание океанского дна, в результате спрединга. Вертикальные дайки имеют направленные перпендикулярно оси наименьших сжимающих напряжений. Иначе говоря, они направлены вдоль простирания рифтовой зоны. Множество даек приводит к наращиванию ширины зоны на суммарную мощность даек. Магма, внедряясь снизу в толщу пород, воздействует на них как гидравлический клин, раздвигая породы в стороны, при этом распирающие напряжения сильно уменьшаются к верхней части клина, как отмечал М. Г. Ломизе. Следует подчеркнуть, что на глубинах больше 3 км появление открытых трещин вследствие сильного литостатического давления затруднено и вследствие этого лишь только гидроразрыв (магморазрыв) способен обеспечить внедрение даек (рисунок 26). 34 Рисунок 26 - Дайки [54] 3.3 Эффузивный магматизм (вулканизм) В случае если жидкий магматический расплав достигает земной поверхности, случается его извержение, особенности которого определяются составом расплава, его температурой, давлением, содержанием летучих компонентов и другими параметрами. Одной из самых важных причин извержений магмы считается ее дегазация. Как раз газы, заключенные в расплаве, вызывают извержения. В зависимости от объема газов, их состава и температуры они сравнительно свободно выделяются из магмы. Таким образом, случается излияние, эффузия лавовых потоков. Когда газы отделяются активно, случается мгновенное вскипание расплава, и магма разрывается расширяющимися газовыми пузырьками, вызывающими сильное взрывное извержение - эксплозию. В случае если магма вязкая и температура ее невысока, то расплав медленно выжимается, выдавливается на поверхность, случается экструзия магмы. Таким образом, характер и скорость выделения летучих определяют 3 главные формы извержений: эффузивное, эксплозивное и экструзивное. Вулканические продукты при извержениях бывают твердыми, жидкими и газообразными (рисунок 27). 35 Рисунок 27 - Строение вулкана [55] 3.4 Типы вулканов (площадные и трещинные) В зависимости от характера выводных отверстий различают извержения площадные, трещинные и центральные. Площадные извержения привели к образованию обширных по площади лавовых плоскогорий (плато). Наиболее известны из них - лавовые плато Британской Колумбии и Декана (Индия). Сплошным покровом необъятные территории земной поверхности, излившиеся массы имеют возможность покрывать и при трещинном вулканизме. Трещинные извержения проявляются в излиянии лавы на земную поверхность по большим трещинам или же расколам. В отдельные отрезки времени, в длительных доисторические периоды, данная форма вулканизма достигала достаточно широких масштабов, в итоге чего на поверхность Земли выносилось большое количество вулканического материала - лавы. Крупные поля известны в Индии на плоскогорье Декан, где они покрывали площадь в 5000 км2 при средней мощности от 1 до 3 км. Еще вулканические плато известны на северозападе США, в Сибири. В древние геологические эпохи базальтовые породы трещинных излияний были обеднены кремнеземом (около 50%) и обогащены двухвалентным железом (8-12%). Лавы подвижные, жидкие, и вследствие чего распространялись на десятки километров от места собственного излияния. Мощность отдельных потоков составляла 5-15 м. В США, как и в Индии скапливались многокилометровые вулканогенные толщи, это происходило медленно, пласт за пластом, в течении долгих лет. Такие плоские лавовые образования с характерной ступенчатой формой рельефа получили название платобазальтов или траппов. 36 В настоящее время трещинный вулканизм распространен в Исландии (вулкан Лаки), на Камчатке (вулкан Толбачинский), и на одном из островов Новой Зеландии. Наиболее крупное извержение лавы на острове Исландия вдоль большой трещины Лаки, длиной 30 км, случилось в 1783 г., когда лава в течении двух месяцев поступала на дневную поверхность. За это время излилось 12 км3 базальтовой лавы, которая затопила около 915 км2 прилегающей низменности слоем мощностью в 170 м. Взрывной эффект усиливался мощным выделением паров из озерных бассейнов, прилегавших к трещине. Эти взрывы, обусловленные наличием воды, носят название фреатические процессы. Вследствие извержения на поверхности озер образовалась грабенообразная впадина длиной в 5 км и шириной 1,5-3 км. В настоящее геологическое время наиболее распространенной формой вулканической работы считается центральный тип извержений, при котором магма поступает из недр к поверхности к конкретным «точкам», как правило размещающимся на перекрестье двух и более разломов. Поступление магмы случается по узкому питающему каналу. Продукты извержения отлагаются периклинально (т.е. с падением во все стороны) относительно выхода питающего канала на поверхность. Вследствие этого, как правило, над центром извержения возвышается аккумулятивная конусовидная форма, называемая стратовулканом. В вулканическом процессе практически всякий раз можно выделить две стадии - взрывную или стадию выброса и накопления вулканических материалов. Выход лавы на поверхность предваряется взрывом. В итоге верхняя часть канала воронкообразно расширяется, образуя отрицательную форму рельефа кратер. Дальнейшее излияние лавы и скопление пирокластического материала случается по периферии этой отрицательной формы. 3.5 Типы вулканических извержений Вулканические извержения разнообразны. В одних случаях жидкая магма постепенно переливается через край кратера, в других - с большой мощью вырывается из жерла, в-третьих, - распыляется газами с образованием туфов и пеплов (рисунок 28, 29). 37 Рисунок 28 - Вулкан Дель Фуэго [56] Рисунок 29 - Вулкан Стромболи [57] 38 Гавайский тип извержения - это сравнительно небольшие выбросы довольно подвижной базальтовой лавы, образующей мелкие фонтаны, крупные пузыри и маломощные, но большие по площади покровы лавовых потоков, наслаивающихся друг на друга, образующих большие, но плоские щитовые вулканы (рисунок 30). Поскольку извержения сопровождаются фонтанированием лавы, ее разбрызгиванием, образуются валы и пологие конусы, слагающиеся хлопьями жидких базальтов. Характерными представителями данного типа извержений являются вулканы Гавайских островов в Тихом океане - Килауэа, МаунаЛоа, Мауна-Кеа, Халемаумау и другие. Извержения, как правило, происходят из раскрытых жерл постепенно, время от времени сопровождаясь слабыми взрывами. Извержения покровных базальтов, или трещинного типа, отличаются большой площадью излившихся лав и малоактивной взрывной деятельностью. Как правило, извержения начинаются из протяженных трещин и размер разлившихся лав может достигать десятков кубических километров, а площадь сотен квадратных километров. Характер излияния лав спокойный, сопровождающийся слабым фонтанированием жидкой магмы, поэтому над трещиной появляется как бы пламенный полог, как, к примеру, нередко случается в Исландии. По мере прохождения извержений трещина медленно закупоривается, излияния идут на убыль и развиваются в многочисленных, а затем все более редких отдельных жерлах (рисунок 31). Рисунок 30 - Гавайский тип извержения [58] 39 Стромболианский тип извержения назван по характеру извержений вулкана Стромболи, размещенного в юго-восточном углу Тирренского моря у побережья Италии. Извержения обладают ритмичностью, и в воздух время от времени выбрасываются вулканические бомбы и туфы. Высота выбросов изредка выше 100-300 м, из-за того, что газы отделяются от относительно жидкой магмы у края жерла. В случае если магмы большое количество, она изливается в виде лавовых потоков. Извержения на подобии стромболианского образуют, как правило, шлаковые конусы. Извержения вулканского типа свойственны для вязкой магмы, насыщенной газами, поэтому происходят небольшие или же крупные взрывы, выбрасывающие высоко ввысь осколки лав, временами ещё раскаленных, но быстро остывающих и образующих туфовые, пепловые и глыбовые вулканические конусы. Сам остров Вулкано, где, по преданию, располагается кузница бога огня Гефеста, находится близко от побережья Юго-Западной Италии. Извержения вулканского типа как правило не сопровождаются излияниями лавовых потоков. Рисунок 31 - Извержения покровных базальтов [59] Пелейский тип извержений, названный по названию вулкана Мон-Пеле на о. Мартиника в Карибском море, сопровождается не только лишь сильными взрывами наподобие вулканских, но и образованием раскаленных газовопепловых лавин, с большой скоростью скатывающихся со склона вулкана. Магма, как правило, вязкая, относительно невысокой температуры, закупоривающая жерло вулкана. Когда давление газов становится выше устойчивость данной пробки, происходят взрывы вулканского типа и выбросы лав пелейского типа. Данный тип извержений относится к чрезвычайно опасным. Плинианские извержения названы в честь древнеримского естествоиспытателя Плиния Старшего, погибшего во время извержения Везувия в 79 г. н. э., погубившего Помпеи, Геркуланум и другие поселения в окрестностях Неаполитанского залива. Плинианский вулканический тип. Неожиданные взрывы и следующий за ними длительный пепло- или же пемзопад связаны с тем, что по кратеру вулкана поднимается вязкая, насыщенная газами магма. Газовые пузырьки, расширя40 ясь, рвут магму, вспенивая ее, образуя куски пемзы и стекловатый пепел, разносящийся ветром на большие расстояния. Выброшенные ввысь газовопепловые тучи "растекаются" на высоте в нескольких километров в различные стороны, напоминая крону средиземноморской сосны-пинии. В итоге плинианских извержений привершинная часть вулканического конуса обрушивается и появляется чашевидное углубление - кальдера с крутыми стенками. Газовые извержения относятся к особенному типу, когда магма полностью отсутствует и в осколках, выброшенных при взрывах, имеются только горные породы такого слоя, который протыкает взрывное жерло. В случае если магма подходит близко к поверхности Земли, в отдельных местах она имеет возможность соприкасаться с водой, которая, преображаясь в пар, вырывается со взрывом вверх. При этом образуются воронки диаметром в десятки и сотни метров, называемые в Германии маарами. Вследствие взрыва они, как правило, заполняются водой и преобразуются в озера. Раздел 4. Тектонические движения и деформации земной коры. Землетрясения Гипоцентр - центральная часть очага, условно обозначенный точечный центр коротко периодических колебаний недр. Эпицентр - проекция гипоцентра на земную поверхность. Изосейстамы - изолинии, объединяющие участки равной интенсивности землетрясений. Плейстосейстовый регион - регион наибольших баллов землетрясения вокруг эпицентра. 4.1 Основные типы тектонических движений (эпейрогенические, орогенические) Тектонические перемещения - это всевозможные механические движения внутри земной коры, которые приводят к изменению ее строения. Ещё в 1758 году М.В. Ломоносов в собственном труде «О слоях Земли» (1763) в первый раз дал определение и разделил тектонические перемещения на два типа: «Существуют нечувствительные долговременные земной поверхности повышения и понижения и резкие быстрые трясения Земли». Примеры тектонических движений достаточно известны: Скандинавское побережье поднимается, а Голландия и Германия опускаются; долина реки Рейн на 500 км прослеживается в Северном море, а полуостров Канин Нос (Белое море) в период царствования Ивана Грозного был островом. Таким образом, земная кора каждый день находится в движении, при этом в современной геологии выделяют два основных типа тектонических движений: эпейрогенические (или колебательные) и орогенические (складчатые). 41 Эпейрогенические движения - медленные вековые поднятия и опускания земной коры, не вызывающие изменения изначального залегания пластов. Эти вертикальные движения имеют колебательный характер и обратимы, т.е. поднятие может сменится опусканием. Среди данных движений различают: - современные, которые имеют свидетельства в истории человечества и их можно измерить инструментально методом проведения повторного нивелирования. Скорость современных колебательных движений в среднем не более 1-2 см/год, а в горных районах она может достигать и 20 см/год; - неотектонические перемещения - это перемещения за неогенчетвертичное время (25 млн. лет). Принципиально они ничем не отличаются от современных движений. Неотектонические движения отражены в современном рельефе и основной способ их исследования - геоморфологический. Скорость таких движений на порядок меньше, в горных районах - 1 см/год; на равнинах 1 мм/год. - Древние медленные вертикальные движения проявляются в разрезах осадочных пород. При этом мощность накопившихся осадков рассматривается как способ измерения тектонического опускания за время накопления осадка, а сама слоистость и их ритмичность - характеризуют колебательные процессы. Скорость древних колебательных перемещений по оценке геологов меньше 0.001 мм/год. Орогенические движениях происходят в двух направлениях - горизонтальном и вертикальном. Первое приводит к смятию пород и образованию складок и надвигов, т.е. к сокращению земной поверхности. Вертикальные движения приводят к поднятию области проявления складкообразования и, зачастую, появлению горных сооружений. Орогенические обладают скоростями большими, чем колебательные. Они сопровождаются интенсивным эффузивным и интрузивным магматизмом, а также метаморфизмом. В последние десятилетия эти перемещения объясняются столкновением крупных литосферных плит, которые передвигаются в горизонтальном направлении по астеносферному слою верхней мантии. 4.2 Дислокации, виды дислокаций: пликативные, дизъюнктивные Деформации в залегании слоистой толщи горных пород именуются дислокациями или же тектоническими нарушениями. Различают дислокацию пликативную и дизъюнктивную. Пликативной дислокацией называют нарушения в залегании слоистых, осадочных или эффузивных горных пород, при которых образуются волнообразные изгибы пластов, без разрыва их сплошности в результате пластической деструкции горных пород (рисунок 32). Дизъюнктивной дислокацией называют нарушения в залегании горных пород, дислокация (перемещение) отдельных частей которых сопровождалась разрывом сплошности пород (рисунок 33). 42 Зона воздействия дизъюнктива - это район массива горных пород, примыкающий к сместителю, в границах которого в результате тектонических деструкций под воздействием напряжений происходит изменение физикомеханических, технологических и иных свойств пород. Ширина зон, выделяемых по данным показателям различна. Еще имеются формы нарушений, которые по собственному характеру считаются переходными от пликативных к дизъюнктивным. Эти нарушения именуют флексурами. Флексуры иногда проявляются и как самостоятельные формы. Комплекс дизъюнктивных и пликативных нарушений нередко характеризуется сохранением величины угла между поверхностями трещин смещения и наслоения пород. Геометрическими параметрами разрывного нарушения называют угловые и линейные величины, характеризующие форму, взаимное месторасположение составляющих, габариты и состояние разрывной структуры в недрах (угол и направление падения сместителя, амплитуда). Геометрическими характеристиками считаются сместитель, висячие и лежачие крылья. Рисунок 32 - Пликативная дислокация [60] 43 У разрывных нарушений с наклонным и горизонтальным сместителем различают висячие и лежачие крылья. По углу сместителя разрывные нарушения разделяют на горизонтальные (0-15), пологие (15-45), крутые (45-90). Геометрически разрывная деформация фиксируется комплексом 3-х пар взаимно пересекающихся плоскостей, имеющих отношение к плоскостям слоя на крыльях разрыва и сместителя. Линии пересечения крыльев со сместителем называются линиями скрещения. Геометрическими параметрами складки называют линейные и угловые величины, характеризующие формы и размеры, размещение складки в недрах: составляющие залегания крыльев и осей шарнира, угол складки, длина, ширина, высота и амплитуда складки. Геометрическими характеристиками складки считаются: крылья, замок, ядро, шарнир (рисунок 34). Рисунок 33 - Дизъюнктивная дислокация [61] Пликативные и дизъюнктивные дислокации осложняют строение месторождений важных полезных ископаемых. Разведка и разработка осложненных нарушениями месторождений в значительной степени находится в зависимости от понимания сложения форм тектоники. Вследствие этого одной из задач геометризации недр и считается использование в одном ряду с геологическими способами геометрических способов исследования изображения встречаемых нарушений в залегании горных пород и важных ископаемых. 44 Рисунок 34 - Геометрические параметры складки [62] 4.3 Землетрясения: очаг, параметры, механизм возникновения Землетрясения - это одна из самых страшных природных катастроф, не только вызывающая опустошительные разрушения, но и уносящая десятки и сотни тысяч человеческих жизней. Землетрясения всегда вызывали ужас своей силой, непредсказуемостью, последствиями. Землетрясение тектонического типа, т. е. связанное с внутренними эндогенными силами Земли, представляет собой процесс растрескивания, идущий с некоторой конечной скоростью, а не мгновенно. Он предполагает образование и обновление множества разномасштабных разрывов со вспарываением каждого из них не только с высвобождением, но и с перераспределением энергии в некотором объеме. Когда мы говорим о том, что сила внешнего воздействия на горные породы превысила их прочность, то следует иметь в виду, что в геомеханике четко различают прочность горных пород как материала, которая относительно высока, и прочность породного массива, включающего, помимо материала горных пород, еще и структурные ослабленные зоны. Благодаря последним прочность породного массива существенно ниже, чем прочность собственно пород. Скорость распространения разрывов составляет несколько километров в секунду, и этот процесс разрушения охватывает некоторый объем пород, носящий название очага землетрясения. Гипоцентром называется центр очага, условно точечный источник короткопериодных колебаний (рисунок 35). 45 Рисунок 35 - Элементы землетрясения [63] В большинстве случаев, хотя и не всегда, разрывы имеют сдвиговую природу и очаг землетрясения охватывает определенный объем вокруг него. Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром землетрясения. Интенсивность землетрясения эпицентра изображается линиями равной интенсивности землетрясений - изосейстами. Область максимальных баллов вокруг эпицентра носит название плейстосейстовой области. Основному подземному сейсмическому удару - землетрясению - обычно предшествуют землетрясения, или форшоки, свидетельствующие о критическом нарастании напряжений в горных породах. После главного сейсмического удара обычно происходят еще сейсмические толчки, но более слабые, чем главный удар. Они называются афтершоками и свидетельствуют о процессе разрядки напряжений при образовании новых разрывов в толще пород. По глубине гипоцентров (фокусов) землетрясения подразделяются на три группы: - мелкофокусные - 0-60 км; - среднефокусные - 60-150 км; - глубокофокусные - 150-700 км. Но чаще всего гипоцентры землетрясений сосредоточены в верхней части земной коры на глубине 10-30 км, где кора характеризуется наибольшей жесткостью и хрупкостью. Сейсмические волны, вызываемые землетрясениями, можно зарегистрировать, используя так называемые сейсмографы - приборы, в основе которых лежат маятники, сохраняющие свое положение при колебаниях подставки, на которой они расположены. Первые сейсмографы появились 100 лет назад. На рисунке 36 изображен сейсмограф, а также пример сейсмограммы - записи сей46 смических колебаний. В наши дни на земном шаре установлены многие сотни сейсмографов, которые немедленно регистрируют любое, даже очень слабое землетрясение и его координаты. Рисунок 36 - Сейсмограф [64] Интенсивность землетрясений. Интенсивность, или сила, землетрясений характеризуется как в баллах (мера разрушений), так и понятием магнитуда (высвобожденная энергия). В России используется 12-ти балльная шкала интенсивности землетрясений MSK64, составленная С. В. Медведевым, В. Шпонхойером и В. Карником. Согласно этой шкале, принята следующая градация интенсивности или силы землетрясений: - 1-3 балла - слабое; - 4-5 баллов - ощутимое; - 6-7 баллов - сильное (разрушаются ветхие постройки); - 8 - разрушительное (частично разрушаются прочные здания, заводские трубы); - 9 - опустошительное (разрушаются большинство зданий); - 10 - уничтожающее (разрушаются почти все здания, мосты, возникают обвалы и оползни); - 11 - катастрофическое (разрушаются все постройки, происходит изменение ландшафта); - 12 - губительные катастрофы (полное разрушение, изменение рельефа местности на обширной площади). 47 Степень сотрясения на поверхности Земли зависит от многих причин, в том числе от характера очага, глубины его залегания, типов горных пород, рыхлых отложений или скальных выступов, обводненности и др. В целях количественной оценки меры полной энергии сейсмических волн, выделившихся при землетрясении, широко используется шкала магнитуд (М) по Ч. Ф. Рихтеру, профессору Калифорнийского технологического института. Размеры очагов землетрясений в целом увеличиваются с возрастанием магнитуды. Если очаг располагается неглубоко, то сейсмогенный разрыв может выйти на поверхность. Очаг представляет собой не плоскость, а некоторый объемный блок литосферы, в пределах которого осуществляются подвижки по целому ряду отдельных разломов, сливающихся в один крупный сейсмогенный разрыв. 4.4 Цунами, их образование Термин «цунами» в переводе с японского означает «большая волна в заливе». В результате подводного землетрясения в открытом океане возникает зона локального возмущения уровня водной поверхности, как правило, над эпицентральной областью (рисунок 37). Это возмущение обусловлено быстрым поднятием или опусканием морского дна, которое приводит к возникновению на поверхности океана длинных гравитационных волн, называемых волнами цунами. Рисунок 37 - Возникновение цунами [65] 48 Длина волн цунами определяется площадью эпицентральной области и может достигать сотни километров и даже больше. Если где-то в океане происходит мгновенное поднятие дна, то на поверхности воды возникает водяная «шляпка гриба» высотой 5-8 м. Затем она распадается с образованием круговых волн, разбегающихся в разные стороны. Иногда в этой водяной «шляпе» наблюдаются всплески, небольшие фонтаны, брызги, появляются кавитационные пузырьки. Распространяясь во все стороны от эпицентральной области, волны проходят очень большие расстояния. Чаще всего скорость распространения волн цунами не превышает 200 км/ч, хотя бывает и больше, в то время как скорость сейсмических волн составляет несколько километров в секунду, что позволяет выдать прогноз возникновения цунами после землетрясения, которое регистрируется почти мгновенно, и оповестить население о приближающейся опасности. Когда волна цунами высотой 5-6 м подходит к отмелому берегу, ее высота начинает возрастать до нескольких десятков метров. Выросшая волна цунами всей мощью обрушивается на пологий берег, сметая все на своем пути, и проникает вглубь побережий иногда на десятки километров. Сейсмические колебания океанического дна вызывают такое явление, как моретрясение, при котором море мгновенно «вскипает», образуются стоячие волны высотой до 5-6 м, водяные бугры, остающиеся на одном месте. Нередко моретрясение сопровождается сильным гулом. Это явление зафиксировано экипажами кораблей, подвергавшихся жуткой тряске, ударам по корпусу и вибрации, вызывавшим даже разрушения на палубах. Моретрясения возникают при особом типе колебания океанического дна, когда образуются высокоэнергетические акустические волны. Если колебания дна происходят со скоростью 1 м/с, то на фронте волны сжатия скачок давления достигает 15 атм. Именно такая волна воспринимается судном как удар. 4.5 Сейсмическое районирование Сейсмическое районирование - это картирование потенциальной сейсмической опасности, обусловленной максимальными возможными сейсмическими воздействиями, выраженными в баллах макросейсмической шкалы интенсивности, а также в других физических единицах - в ускорениях, скоростях, спектрах, длительности колебаний грунта и др., которые необходимо учитывать при проектировании и строительстве в сейсмических районах. Сейсмическое районирование актуально для всей без исключения территории Российской Федерации, где даже на относительно спокойных в геологическом отношении равнинных территориях имели место, и возможны в будущем, достаточно сильные и разрушительные землетрясения. На Северном Кавказе, юге Сибири и Дальнем Востоке значительную площадь занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении 8-9- и 9-10-балльные зоны. 49 Согласно российским стандартам, сейсмическое районирование подразделяется на общее сейсмическое районирование (ОСР), детальное сейсмическое районирование (ДСР) и сейсмическое микрорайонирование (СМР). Различие между перечисленными видами сейсмического районирования заключается в объектах изучения, содержании задач и методиках их решения, что определяет масштабы картирования. ОСР отвечает федеральному уровню, ДСР - региональному и СМР - местному (муниципальному). Карты общего сейсмического районирования, определяющие исходную сейсмическую опасность, входят в состав Строительных норм и правил (СНиП), а также других нормативных и методических документов по сейсмостойкому проектированию и строительству. В последние десятилетия в большинстве стран мира для сейсмического районирования территорий широко используется вероятностный анализ сейсмической опасности (ВАСО). Однако, как ни парадоксально, в нашей стране, где в 1937 году впервые в мире была создана нормативная карта сейсмического районирования территории СССР (составитель Г.П. Горшков), а в середине 60х годов прошлого столетия впервые были разработаны методы вероятностных оценок сейсмических воздействий (Ю.В. Ризниченко), практически все карты ОСР (1937, 1949, 1957, 1968 и 1978 гг.) территории страны оказывались детерминистскими и не учитывали особенностей сейсмического режима регионов. Даже карта сейсмического районирования выпуска 1978 г. (СР-78), в которую ее составителями были введены некие индексы 1, 2 и 3, якобы отражающие повторяемость сейсмических сотрясений один раз в 100, 1000 и 10000 лет, на самом деле не давала адекватных оценок сейсмической опасности, что явилось одной из причин недостаточной надежности этой карты. В частности, в результате такой индексации реальный инженерный риск, определяемый картой СР78, оказался не единым для всех сейсмоопасных районов страны. Более того, как было показано при создании в 1991-1997 гг. первых вероятностных карт ОСР-97 (отв. ред. В.И. Уломов), совмещать такую разнородную информацию на одной и той же карте, по меньшей мере, некорректно, поскольку с увеличением периода "ожидания", на картах меняется не только номинал сейсмической интенсивности, но и конфигурация сейсмоопасных зон, поскольку «срабатывание» тех или иных сейсмогенерирующих структур непосредственно связано с продолжительностью заданного интервала времени. Карта сейсмического районирования представлена на рисунке 38. 50 Рисунок 38 - Карта сейсмического районирования [66] Раздел 5. Метаморфизм: факторы, типы, фации Литостатическое давление - всестороннее, определяемое весом столба вышележащих пород. Литостатическое давление обусловлено гравитационным полем Земли и численно равно весу вышележащих масс горных пород Стрессовое (боковое) давление - связанное с тектоническими движениями, определяет наличие градиента давлений в земной коре, что приводит к перемещению потоков флюидов из областей более высокого давления в области более низкого. Реакции «дегазации» - реакции, описываемые схемой минерал = минерал + газ, при которых происходит удаление обладающих высокой подвижностью летучих компонентов. Гранитизация - совокупность протекающих в земной коре процессов, в результате которых химический и минеральный составы исходных магматических и метаморфических горных пород и их структуры приближаются к характерным для гранитов. 51 5.1 Общая характеристика Метаморфизм - это процесс трансформации первично магматических или осадочных пород под действием температуры (Т), давления (Р) и флюидов (F), большей частью водно-углекислых жидких или же газожидких флюидов, содержащих ионы К, Na, Са, F, В, S и др., нередко представляющих собой надкритические растворы. Метаморфические преобразования в горных породах начинаются при увеличении температуры до 200°С и повышении всестороннего, т. е. литостатическог давления, образующегося под тяжестью вышележащих пород. Впрочем, не только лишь это давление играет важную роль при метаморфизме. Не меньшее значение имеют стресс, боковое давление, обеспечивающее разное напряжение горных пород, в результате которого открываются трещины или пути для передвижения глубинных мантийных флюидов, являющихся основными переносчиками высоких температур, т. к. кондуктивный термообмен в горных породах в высшей степени незначителен. Без флюидного потока возможность метаморфизма незначительна, но нужно принимать во внимание и геотермический градиент, который существенно меняется в различных регионах. Перечисленные выше ключевые факторы метаморфизма - температура, флюиды, давление - оказывают воздействие на разнообразные горные породы, оказавшиеся на разной глубине, при этом длительность или продолжительность по времени не принципиальны при метаморфизме. К примеру, лавы раннего протерозоя (2,2 миллиардов лет) в Прибайкалье внешне практически не отличаются от голоценовых лав (6 - 4 тыс. лет) Эльбруса. Многочисленными нефтяными скважинами вскрыты неизмененные осадочные отложения на глубинах выше 8 км. Известны случаи, к примеру, на о. Исландия, где исходные стадии метаморфизма установлены на глубине всего 0,5 км, по данным бурения. В то же время толщи пород на глубине 20 км, по сведениям сейсмических исследований, абсолютно не испытали метаморфических изменений. Вследствие этого флюиды считаются одним из важнейших факторов метаморфизма. Все метаморфические породы можно поделить на две группы, исходя из того, какие осадочные или магматические породы подвергаются метаморфизму. 1-ая группа - парапороды, они образовались из первично осадочных пород. К примеру, из карбонатных пород получаются мраморы, из песчаников кварциты, из глин - филлиты и др. 2-ая группа - ортопороды, они сложились из первично магматических пород, к примеру, метабазиты - из базальтов. 52 5.2 Основные факторы метаморфизма Главными факторами метаморфизма считаются температура, давление и химически активные вещества - растворы и газы. Метаморфические процессы могут проходить изохимически, т.е. без коренного преобразования структуры первоначального химического состава породы (например, региональный метаморфизм) или же со коренным изменением структуры и состава начального субстрата (метасоматоз). Трансформации подвергаются породы любого состава и генезиса - магматические, осадочные или уже раньше метаморфизованные. Степень интенсивности метаморфических процессов позволяет выделить постепенные переходы от слабо модифицированных пород до глубоко преобразованных разностей. Процессы метаморфизма по доминированию (интенсивности) того или же иного фактора метаморфизма разделяются на следующие типы: - контактовый (термальный); - динамометаморфизм (катакластический); - динамотермальный (региональный); - ультраметаморфизм; - метасоматоз. Контактовый метаморфизм (рисунок 39) развивается в интрузивных массивах, внедряющихся в разнообразные толщи пород, влияние на которые происходит посредством температур и флюидным потоком. Ширина и площадь контактового (экзоконтактового) ореола находятся в зависимости от состава интрузивного тела и его температуры. Интрузивы в виде мелких даек и силлов обладают экзоконтактами от нескольких сантиметров до нескольких метров, и ввиду невысокой температуры образуется довольно узкая зона дегидратации пород. Большие гранитные массивы также обладают низкой температурой, но вследствие активного флюидного влияния на вмещающие породы имеют крупные по размерам, до нескольких километров, контактовые зоны, в которых наблюдается закономерная смена парагенезов минералов от высокотемпературных близ интрузивного массива до низкотемпературных - вдалеке от него. Чем выше температура интрузивного массива, тем более развиты в контактовых ореолах высокотемпературные метаморфические породы. Контактовый метаморфизм происходит преимущественно на небольших глубинах (Р = 2-3 кбар), на значительных глубинах он делается неотчетливым и объединяется с региональным метаморфизмом, а в следствие этого между ними вероятны различные переходы. Динамометаморфизм (катакластический метаморфизм) связан с воздействием на породы крепкого стресса при относительно небольших температурах и невысоком гидростатическом давлении. Химически активные растворы большой роли не играют. В отличие от контактового метаморфизма, при котором основная роль принадлежит перекристаллизации, при динамометаморфизме главным условием считается механическое дробление пород и минералов, переходящее временами в пластическое перемещение раздробленных частиц. 53 Породы, образующиеся при динамометаморфизме, классифицируются различными определениями и не имеют общего наименования. Динамотермальный (региональный) метаморфизм связан с одновременным действием на начальные породы высочайшей температуры, наибольшего гидростатического давления и крепкого стресса. Химически активные растворы постоянно принимают участие в метаморфизме, но не оказывают решающего воздействия на состав пород. Ключевым модифицирующим фактором считаются перекристаллизация и, вполне вероятно, пластическое перемещение. Породы, возникшие в результате данного метаморфизма, называются кристаллическими сланцами и гнейсами. В отличие от контактового регионального метаморфизма распространяется на крупных площадях. Здесь источник высоких температур нередко не ясен. Давление при региональном метаморфизме изменяется от 2-3 до 10–15 кбар, давление от 300 до 900 С0. Ультраметаморфизм объединяет процессы, происходящие при довольно больших температурах в основных зонах литосферы. В процессах метаморфизма принимают участие магматические расплавы гранитоидного состава. Породы этого метаморфизма называются мигматитами, которые характеризуются одновременным наличием метаморфического и магматического компонентов. Метасоматоз (метасоматизм) связан с одновременным действием на начальные породы высоких температур и химически активных растворов, воздействие которых приводит к коренному изменению химического состава, в результате приноса одних и выносу других компонентов. Своеобразным типом метаморфизма считается импактный (ударный) метаморфизм. Этот тип метаморфизма связан с падением метеоритов на земную поверхность. Он не связан с эндогенными и экзогенными процессами, а считается геокосмическим процессом. Рисунок 39 - Контактовый метаморфизм [67] 54 5.3 Ультраметаморфизм: анатексис, палингенез, гранитизация Ультраметаморфизм является высшую стадию регионального метаморфизма. Метаморфические трансформации данного типа, происходящие в глубинных зонах фанерозойских складчатых поясов, щитов и фундаменте древних платформ, находятся ниже порога начала плавления гранитных пород. В зонах ультраметаморфизма ключевую роль играют расплавы, что сближает данный процесс с магматическим. В то же время на участках ультраметаморфических преобразований значительное значение имеют резкое увеличение температуры, давления, влияние флюидов и активные дифференциальные перемещения. Наиболее активно ультраметаморфизм проявлен в докембрийских структурах. Это связано с высокими температурами на поверхности Земли в докембрийское время. В соответствие с Петрографическим кодексом, в класс ультраметаморфических пород объединены гетерогенные комплексы гранитогнейсов и мигматитов. При этом акцентируется внимание на то, что образование гранитогнейсов и мигматитов связано с значительными минералогопетрографическими, аллохимическими преобразованиями пород регионального метаморфизма различные по составу (гнейсы, амфиболиты, кристаллосланцы). При этом, трансформация пород ориентирована на их обогащение кварц-полевошпатовой ассоциацией минералов (гранитизация) при термодинамических условиях, определяющих начало их селективного плавления. В составе класса ультраметаморфитов выделены подклассы мигматитов и метатектитов. Мигматиты являются неоднородными по составу породами, состоящие из метаморфического субстрата и гранитоидного материала. Метатектиты - лейкократовые породы кварцполевошпатового состава, вещественно похожие на магматические гранитоиды. Эти породы являются итогом наиболее высокой ступени гранитизации субстрата. Раздел 6. Экзогенные процессы. Процессы выветривания Экзогенные процессы - процессы, протекающие на поверхности и в приповерхностной зоне земной коры в форме механического и физикохимического её взаимодействия с гидросферой и атмосферой. Денудация - совокупность процессов сноса и перенесения (водой, ветром, льдом, воздействием силы тяжести) материалов разрушения горных пород в пониженные участки земной поверхности, где образуются их скопление. Выветривание - процесс разрушения и трансформации горных пород в условиях земной поверхности под воздействием механического и химического воздействия атмосферы, грунтовых и поверхностных вод и организмов. Гидролиз - процесс, при котором структура кристаллических минералов изменяется под влиянием воды и растворенных в ней ионов и заменяется новой 55 структурой отличной от первоначальной и соответствует новым гипергенным минералам. Кора выветривания - геологические тела, сложенные элювием, то есть продуктами поверхностного физической, химической, биохимической трансформации горных пород, сохраняющихся на месте своего образования без перемещения. 6.1 Виды выветривания (физическое, химическое, органическое), их факторы. Значительная часть процессов, протекающих на поверхности Земли, связана с воздействием солнечной энергии и силы тяжести. Процессы, протекающие на поверхности, именуются экзогенными. Постепенное разрушение всех горных пород под действием разнообразных фактором называется выветриванием. Процесс движения возникших обломков называется денудацией. Последующее накопление полученного материала - аккумуляция. Породы, ранее находившиеся на глубине, выходя на поверхность начинают контактировать с атмосферой, гидросферой и биосферой, что приводит к изменению их состояния, нарушению сплошности и, в конце концов, дезинтеграции, разрушению на мелкие частицы. Главные процессы, приводящие к выветриванию горных пород - физическое, механическое разрушение, химическое и биохимическое разложение минералов и горных пород. Химическое выветривание. Это тип выветривания, при котором разрушение пород происходит под воздействием воды, воздуха, углекислоты и органических кислот, содержащихся в воздухе и воде и воздействующих на поверхность пород, растворяя их, (рисунок 40). Химическое выветривание представлено несколькими ведущими процессами: растворением, окислением, гидратацией, восстановлением, карбонатизацией, гидролизом. Растворение играет более важную роль, т. к. связано с действием воды. При рН = 6 растворимость железа в 100 тыс. выше (!), чем при рН = 8,5. Глинозем - Al2O3, буквально нерастворимый при рН от 5 до 9, при рН 7 начинает растворяться. Отсюда понятно, какую огромную роль играет водородный ион в ускорении процессов химического выветривания, в частности растворения. Окисление - процесс формирования оксидов и гидроксидов при соединении горных пород с кислородом в участии воды. Более подвержены окислению закисные соединения железа, марганца, никеля, серы, ванадия и иных веществ, которые просто соединяются с кислородом. На множестве месторождениях сульфидных руд имеется так называемая «шляпа», или «покрышка», из бурого железняка - результат одновременных окисления и гидратации. Визуально окисление железистых минералов прослеживается в их окрашивании в красный, бурый, охристый цвета. 56 Рисунок 40 - Химическое выветривание [68] Восстановление случается в бескислородной среде, когда органическое вещество выступает в роли сильного восстановителя. При данном процессе важны анаэробные условия в мало подвижной, застойной воде, к примеру, в болотах. Процесс восстановление окрашивает бурые железистые породы в сероватый и зеленый цвета. Карбонатизация представляет собой реакцию ионов карбоната и бикарбоната с минералами, которая ведет к образованию карбонатов кальция, железа, магния и др. Большая часть общеизвестных карбонатов отлично растворяется в воде и выносится из зоны выветривания. Как раз вследствие этого грунтовые воды на этих территориях обладают высочайшей жесткостью. Гидратация - это процесс присоединения воды к минералам и образования новых минералов. Самый простой пример - переход ангидрита в гипс: CaSO4 + 2 H2O → CaSO4*2H2O. Объем породы при гидратации возрастает, что, собственно, может привести к деструкциям отложений. Биовыветривание. Живое вещество, с точки зрения В. И. Вернадского, вносит большую лепту в геологическую работу, формируя химические соединения. На поверхности горных пород отмечается большое количество сообществ микроорганизмов. На 1 г выветрелой породы может приходиться до 1 млн микроорганизмов. Когда порода выходит на поверхность и наступает про57 цесс выветривания, на ней незамедлительно же поселяются мельчайшие организмы, водные растения, дальше вслед за ними лишайники и мхи, которые растворяют и разрушают поверхностный слой породы. Вследствие их отмирания на поверхности горной породы остаются отпечатки жизнедеятельности. 6.2 Продукты физического выветривания Термическое, или же механическое, выветривание. Данное выветривание происходит при замерзании, попавшей воды в горные породы. Объем льда на 7% больше объема жидкой воды, вследствие этого при замерзании появляется нажим на стенки трещин в горной породе. Подобное расклинивающее воздействие на породы проявляется при образовании кристаллов соли из раствора. Механическое расклинивающее влияние на горные породы оказывают корни деревьев и кустарников, которые, увеличиваясь в размере, создают дополнительное давление на стены трещин. На рисунке 41 представлено температурное выветривание. Рисунок 41 - Морозное выветривание [69] Наиболее активно температурное выветривание представлено в условиях аридного климата, где амплитуды дневных и ночных температур достигают 50 С0. Термическое выветривание характерно для полярных и субполярных областей, а еще высокогорьям, для которых свойственны развалы обломков горных пород. 58 6.3 Гидролиз. Его суть и конечный результат Гидролиз - это достаточно сложный процесс, затрагивающий минералы из группы силикатов и алюмосиликатов. Гидролиз - процесс разрушения кристаллической решетки под действием воды и ионов в силикатах и алюмосиликатах. К примеру, у полевых шпатов: - каркасная конструкция преобразуется в слоевую; - из кристаллической решетки выносятся растворимые соединения К, Ca. Процесс гидролиза разделяется на определенное количество стадий, численность которых, как и продукты гидролиза находятся в зависимости от климатических условий. Например, при умеренном климате ортоклаз преобразуется в каолинит, и на данном этапе процесс заканчивается. Но, в случае если данная реакция случается при жарком и влажном экваториальном климате, то процесс гидролиза продолжается дальше и каолинит преобразуется в боксит (окислы и гидроокислы Al). В последние десятилетия геологи большой смысл стали придавать процессам гипергенеза, происходящего под водой, с общим названием гальмиролиз. В итоге образуются глауконит и глины. Рассмотренные разнообразные процессы гипергенеза, как правило, проходят совместно. Но длительность каждого из них индивидуальна и, находится в зависимости прежде всего от климата, т.е. от количества осадков и температуры. Продукты гипергенеза - минералы и горные породы. Они могут оставаться на поверхности или же передвигаться в условиях эрозионно расчлененного рельефа. Элювий - это продукты физического разрушения, сохранившиеся без перемещения на месте своего образования, характерные для равнинных условий и образующие выпуклые склоны форм рельефа. Они представляют собой обломочный (кластический) материал различного размера- от глыб (курумы или каменные реки) до элювиальных песков и глин. Коллювий - те же продукты физического разрушения, но смещенные к подножию склона горы (осыпи, обвалы). При этом их движения достаточно быстрее и приводят к образованию крупных обломков на вогнутых склонах горного рельефа. 6.4 Соотношение между собой элювия и коры выветривания Элювий - это продукты выветривания, сохранившиеся на месте своего образования. Все продукты выветривания, которые сдвинуты с места своего образования вниз по склонам без воздействия линейного смыва являются разновидностью делювия, достигшую подножия склона и прекратившую перемещение. 59 При обычных условиях верхние слои элювия измельчены значительно сильнее, чем лежащие ниже. С глубиной продукты выветривания становятся все более крупными и грубыми с резкими гранями. Самый нижний слой состоит из обломков, однако, отделенных от сплошной породы, но залегает на месте собственного дробления. Глубже мощные слои породы разбиты только трещинами, численность которых снижается с глубиной. Элювий остается и сохраняется на уплощенных водораздельных поверхностях, а на склонах он начинает двигаться под тяжестью своего веса и называется уже делювием. Под корой выветривания понимается вся совокупность продуктов выветривания, залегающих на поверхности образования или перемещенных на небольшое расстояние и занимающих большие площади. Определения «элювий» и «кора выветривания» практически синонимы. 6.5 Геологическая роль выветривания Универсальность распространения дает выветриванию роль самого масштабного фактора в жизни и развитии ландшафтной оболочки. Одно из важных следствий выветривания - изменение горной породы. Слагающие породу сложные первичные минералы распадаются на более простые. Продукты этого распада, взаимодействуя уже друг с другом, образуют ряд вторичных минералов, зачастую более сложных по составу, чем первичные. Новые минералы, изменяясь в свою очередь, дадут вторичные и третичные новообразования и т. д. Порода в результате выветривания преобразуется не только лишь в химико-минералогическом отношении. Уже одни процессы физического выветривания придают ей новые качества. При физическом выветривании состав породы остаётся прежним, она приобретает свойства, которых не было в изначальной непроницаемой и сплошной глыбе. В начале, порода, сделавшись рыхловатой, стала проницаемой для воды и воздуха, что, бесспорно, расширяет возможности последующего выветривания. На следующем этапе, разрыхление твердой породы привело к большому наращиванию её свободной поверхности. Вследствие раздробления тела молекулярные силы, которые до этого уравновешивались внутри него, ныне вступают в контакт с окружающей средой: растет поглощение газов поверхностью, облегчаются процессы растворения и т. п. Таким образом, разрушение твердых пород есть переход материи в больше подвижное состояние: поверхностная энергия породы возрастает. Одним из главнейших следствий химического выветривания можно считать переход составляющих породу веществ в коллоидное состояние, сообщающее данному веществу, повышенную физико-химическую энергию. То событие, что продукты химического выветривания в значительной массе становятся коллоидами, очень значимо и для последующей трансформации данных веществ, потому что коллоиды готовы впитывать воду, набухать, 60 становится золями и приобретать наиболее высокую подвижность. Таким образом, химическое выветривание в еще большей степени, чем физическое, переводит твёрдые породы в состояние, удобное для перемещения их воздействием силы тяжести, ветра, воды и льда. Порода, которая не перетерпела предварительного раздробления, остается труднодоступной для движения её отмеченными агентами. Перемещение продуктов выветривания имеет в жизни ландшафтной оболочки особенное значение. Выветривание - важное условие образования множества новых горных пород и форм рельефа земной поверхности (рисунок 42). Рисунок 42 - Столбы выветривания [70] Разрушение одних пород даёт начало новым процессам, и весь ряд осадочных пород - это в различной мере изменённые скопления материалов выветривания, перенесённых и отложенных в новом пространстве водой, льдом или ветром. Разрушение и перенесение взаимно связаны, например, как нередко при переносе дробление породы продолжается, а временами и увеличивается в результате трения переносимых частиц о земную поверхность. Не менее плотно связано перемещение продуктов выветривания с процессами осадкообразования. Чем тоньше раздроблено вещество, тем проще оно поддаётся движению и тем сложнее осаждается. Без разрыхления нет перемещения, без перемещения нет осаждения. Однако, в случае если для беспрепятственного перенесения нужно формирование как можно большего количества мелких частиц, т. е. перевод материи в состояние молекулярного или же коллоидного раствора, то для облегчения процессов осаждения требуется обратное 61 укрупнение данных частиц, т. е. кристаллизация в случае молекулярных смесей и коагуляция в случае коллоидов. Раздел 7 Геологическая деятельность поверхностных вод Поверхностные воды - воды, которые текут (водотоки) или же собираются на поверхности земли (водоёмы). К ним относятся моря, озера, реки, болота. Бедленд - форма рельефа с плотной сетью разветвленных оврагов и сухих, сравнительно узких долин, глубоких на десятки и сотни метров, нередко с заостренными гребнями водоразделов. Бедленд появляется в результате редких, но бурных дождевых потоков при сухом климате в предгорьях и низкогорьях на легкоразмываемых глинах и суглинках, реже в сланцах. Эрозия - процесс разрушения горных пород и водным потоком. Абразия - разрушение волнами и прибоем берегов морей, озёр и больших водохранилищ. Гидросфера, или водная оболочка Земли, разграничивает литосферу и атмосферу. Когда мы говорим о развитии земной коры, то фактически гидросфера не входит в ее состав и не обязана нами рассматриваться. Вместе с тем, формирование земной коры элементарно невозможно рассматривать без влияния поверхностных и подземных вод. Наличие гидросферы считается одним из ведущих параметров эксклюзивности нашей планеты; она сформировала «Каменную летопись Земли», с ней же связано напластование различных по возрасту и составу осадочных слоев и толщ, которые нередко содержат органические останки - следы минувшей жизни. Подземные воды не только лишь обусловливают «окаменение», или же литификацию осадочных горных пород, но и термальные разновидности их рождают прекрасные кристаллы или же важные ископаемые. Процесс образования и эволюция гидросферы значительны и сложны, вследствие этого остановимся только на нескольких вопросах. Исследование водной оболочки входит в зону ответственности большого научного направления, получившего название гидрологии. Ее составными частями считаются океанология и океанография, гляциология, или учение о ледниках, лимнология, именуемая еще озероведением, болотоведение и гидрогеология. 7.1 Виды поверхностных вод: плоскостной склоновый сток, деятельность временных русловых потоков, деятельность рек Кратковременные водные потоки обусловлены сезонным таянием снегов или же выпадением атмосферных осадков. В остальное время сток в равнинных условиях приводит к формированию оврагов, т. е. отдельных безрусловых потоков, которые сливаясь в крупный ручей, готовы размывать склоны, эродировать их, образуя уже более глубокие борозды - зарождающиеся овраги. Учение о формировании и развитии оврагов создано русскими учеными А. П. Павловым и В. В. Докучаевым. 62 При образовании оврага в начале отмечаются неглубокие рытвины на склоне. В последующем борозда вместе с углублением увеличивает собственную долину как в бок, так и вниз по склону. Продольный профиль зарождающегося оврага в это время неровный, а его устье ещё не достигает подножья склона - базиса эрозии и как бы висит на склоне, в следствие этого и называется висящим. Висящие растущие овраги характерны для активно поднимающихся тектонических структур. Вершина оврага в это же время продвигается вверх по склону, овраг как бы пятится. Подобная картина эрозии носит название регрессивной, или же пятящейся, эрозии, (рисунок 43). Постепенно овраг собственным истоком близится к водоразделу, а устьем — к базису эрозии. Интенсивная эрозия углубляет дно, или же тальвег, оврага, по которому переносится мелкоземистый материал. Достигнув в конце концов собственного базиса эрозии, овраг вступает в зрелую стадию становления, его продольный профиль приобретает вогнутую форму, а поперечный - V-образную с крутыми осыпающимися склонами, которые стремятся достигнуть угла естественного стабильного откоса. Далее постепенно профиль оврага делается пологим в собственно нижней части долины и крутым в верхней части. Вода, время от времени по дну оврага, переносит некрупный, плохо окатанный и сортированный материал, создавая его скопления в пределах устья, т. н. конус овражного выноса. В южных ареалах России развивается широкая сеть оврагов с расширенным плоским дном и пологими склонами. Эти овраги именуются балками. Иногда в результате активизации тектонического подъема территории прекратившийся рост оврага (превратившегося в балку) может возобновиться. В результате на его дне возникает новый овраг или вторичный врез. Рисунок 43 - Пятящаяся эрозия оврага. Стрелкой указано направление роста оврага. Стадии роста отмечены цифрами. 5 - базис эрозии [71] Чтобы замедлить или закончить рост оврагов, приходится перегораживать их долины, начиная от верховий, поперечными преградами, которые замедляли бы сток воды. Еще одним способом борьбы с оврагообразованием является ликвидация рытвин и промоин. Участки, покрытые сплошной сетью оврагов, именуются бедлендами (англ. Bad - плохой, land - территория, поверхность) (рисунок 44). 63 Рисунок 44 - Бэдленд [72] Временные горные потоки имеют высокую активность. Они появляются при сезонном таянии снегов или обильных дождях. Эти потоки переносят большое количество обломочного материала (до 100-150 кг/м3) и обладающие вследствие этого большой плотностью, оказывающие разрушительное влияние на различные препятствия, склоны и русла долин временного стока. Когда объем обломочного материала достигает в потоке 80 %, это уже не водный, а грязекаменный поток. Эти грязекаменные потоки именуются селями. В этом потоке плывут и не утопая каменные глыбы диаметром до 2 м и больше, (рисунок 45). 64 Рисунок 45 - Временный горный поток [73] Сели появляются моментально и создают гигантские разрушения на собственном пути. Нередко их образование связано с прорывом высокогорных озер, находящихся в конечных моренах высокогорных ледников. Сели - это стихийное бедствие, которое можно предвещать, в случае если сделать особую службу, следящую за небезопасными для появления селей территориями. Другой метод - это воздвигнуть поперек селеопасной долины высокую дамбу, служащую уловителем селя (рисунок 46) 65 Рисунок 46 - Противоселевые барражи [74] Не считая селевых, бурных водных и грязекаменных потоков, в горных областях развиваются кратковременные водотоки, образующиеся во время дождей. Эти водотоки, как правило, разделяются на 3 части: 1) верхняя - водосборный бассейн; 2) средняя - канал стока; 3) нижняя - водоем разгрузки, или же конус выноса. При выходе на равнину эти кратковременные водные потоки осаждают материал, который они несли, в форме веерообразного в плане устьевого конуса выноса, или фена, или сухой дельты. Аналогичный материал ещё в 1903 г. геолог А. П. Павлов выделил в определенный генетический вид осадков - пролювий. Конус выноса появляется вследствие того, что собственно водный поток при выходе на равнину утрачивает собственную живую мощь и взвешенный в нем материал осаждается. Случается это в условиях гидродинамической обстановки свободного растекания водного потока. Например, как скорость течения потока быстро падает, то в начале выпадают в осадок более крупные осколки, вслед за тем мелкие и далее всех мельчайшие частички. Вследствие этого конусы выноса, или же сухие дельты, обладают точной фациальной зональностью: в начале складывается потоковая, исключительно грубообломочная фация, затем веерная и далее всех - застойноводная, сложенная из более тонкого материала (рисунок 47). 66 Рисунок 47 - Пролювиальный конус выноса. А - продольный профиль: 1 - наиболее глубокие отложения - валунные; 2 - песчанистый материал; 3 - глинисто-песчаный. Б - план. Стрелки направление движения масс [75] Пролювий более свойственен для семиаридных и аридных областей, но встречается и в областях в горных районах с более влажным климатом, а еще в равнинных, где слагает конусы выноса больших оврагов. 7.2 Виды эрозии водотоков Речная эрозия и ее формы. Эрозионная работа реки приобретает различные формы. Врезание реки случается главным образом при выпадении осадков, которые влияют на коренные породы ложа реки как абразивный материал, но сама вода не владеет абразивными качествами. Абразионная мощность реки, несущей песок и гальку, меняется пропорционально квадрату скорости ее течения. Например, как водный поток тянет по дну материал различной крупности, то в конечном счете материал окатывается, получая овальную форму. Гидравлическое влияние воды связано с ее ударным действием на рыхловатый материл. Растворяющее воздействие воды на породы ложа реки связано с наличием в воде угольной и органических кислот, которыми она насыщается, проходя в истоках сквозь заболоченные, застойные участки. Эти воды извлекают из пород ионы Na+, Са++, К+. 67 Еще более активно растворяются карбонатные породы (примерно 5 миллиардов тонн ежегодно). Эродирующее воздействие реки действует в границах дна, это донная эрозия, а по берегам речки работает боковая эрозия, крепко зависящая от характера извилистости русла (рисунок 48). Рисунок 48 - Речная эрозия [76] 7.3 Формирование речных долин и надпойменных террас В собственном развитии каждая река проходит ряд стадий: от юности до зрелости. На ранней стадии собственного заложения в реке доминирует донная эрозия. Для реки характерна узенькая, неразработанная долина V-образной формы, смешанный, плохо сортированный аллювий, накапливающийся только в отдельных местах и нередко сносимый в половодье. Продольный профиль долины реки в данную стадию - активный в верховьях, изобилует неровностями и перепадами. Зрелая стадия формирования реки подразумевает расширение долины за счет усиления боковой эрозии вследствие меандрирования. Начинает формироваться пойма, как низкая, например и высокая, образуются надпойменные террасы, продольный профиль реки делается выровненным, стремящимся приблизиться к базису эрозии. Меандровый изгиб в большинстве случаев шире самой реки, вследствие этого равнина приобретает ящикообразную форму. В конце концов, в стадии старости долина реки расширяется ещё более, за счет меандрирования появляется большое количество заболоченных стариц, продольный профиль выполаживается ещё более, течение замедляется. Река не имеет возможности выносить большое количество обломочного материала и медленно заиливается, и зарастает. 68 Река стремится к выработке профиля равновесия, т. е. к тому профилю ложа реки, во всякой точке которого объем эродируемого материала равен объему аккумулируемого. Впрочем, на данный ход развития реки и речной долины воздействует большое количество факторов и прежде всего тектонические движения, изменение климатических условий и смена базиса эрозии. Снижение базиса эрозии незамедлительно же вызывает усиление врезания речки за счет глубинной эрозии, более деятельный выброс аллювия, форсирование надпойменных террас. Геологические данные говорят о том, что в середине плиоцена, приблизительно 3 млн лет назад, уровень Каспийского моря был на 500 (!) м ниже нынешнего. Вслед за этим, в позднем плиоцене уровень моря стал активно увеличиваться. Все долины оказались затопленными и выполненными осадками. Тектонические неравномерные перемещения оказывают большое воздействие на формирование речной долины и ее профиля равновесия. Тектоническое поднятие региона, по которому проходит река, вызывает изменение продольного профиля реки, ее врезание, сужение долины. В случае если долина к данному времени уже была хорошо разработана, то река, стремясь выработать новый профиль равновесия, врезается в дно долины, образуя террасу. И данный процесс может повторяться некоторое количество раз. В долине вырабатывается лестница надпойменных террас, которая считается результатом тектонического подъема регионального масштаба в случае комплекса террас. Если террасы одиночные, фрагментарные и небольшие, то речь идет о локальном тектоническом подъеме Террасы бывают 3-х видов: 1) аккумулятивные, 2) цокольные, 3) эрозионные. Аккумулятивные надпойменные террасы полностью сложены аллювием, что, собственно, хорошо видеть в их уступе. В цокольных террасах обнажаются коренные породы (цоколь), перекрытые аллювиальными отложениями, а в эрозионных террасах проявлена лишь только эрозионная площадка или ступень, но аллювий отсутствует или же на выровненной поверхности размещаются его остатки, временами только отдельные линзы гальки. Таким образом, любая речная терраса отображает определенный временной эпизод становления долины, который наступает с врезания и завершается выработкой боковой эрозией днища долины (площадки). В любой террасе выделяются: площадка - выровненная поверхность, уступ террасы с бровкой - поверхностью перегиба склона и тыловой шов, размещающийся там, где площадка нижележащей террасы сочленяется с уступом вышележащей или же с коренным склоном (рисунок 49). Тектонические поднятия или же опускания могут охватывать не все пространство течения реки. Они появляются только участками, в следствие этого террасовый ряд на больших реках имеет сложный характер, изучая который можно определить направление и скорость горизонтальных и вертикальных тектонических смещений. 69 Рисунок 49 - Схема формирования речных террас. Во время поднятия территории или понижения базиса эрозии река врезается в коренные породы и начинает снова разрабатывать долину. При новом поднятии процесс повторяется. 1 - река, 2 - аллювий, 3 - коренные породы, 4 - поднятие [77] 7.4 Отличие дельт, авандельт, эстуарий и лиман Большие реки впадают в моря и океаны, мелкие - в озера и крупные реки. В том месте, где русло нижнего течения реки - устье - выходит к морю, появляется особая в ландшафтном и геологическом отношении область, именуемая дельтой (сходная в плане с соответствующей буквой греческого алфавита). Дельта - это верхняя и надводная, часть аккумулятивного конуса выноса в устье реки (рисунок 50). Дельты характеризуются плоским, низким рельефом, нередко наличием бессчетных рукавов, ответвляющихся (фуркирующих) от головного русла реки, образующих веерообразную структуру. Содержащаяся в речной воде масса обломочного материала и русловой аллювий выпадают в осадок при потере рекой деятельной силы. Во внешней части дельты все время случается взаимодействие морских и континентальных процессов, а также различающейся по составу морской и речной воды. За краем континентальной части дельты, там, где располагается взморье, находится авандельта (передовая 70 дельта), а ещё далее в открытом море - проделъта, скопление осадков в которой идет лишь только за счет выпадения взвешенных частиц. Для того чтобы дельта сформировалась, важны сток донных и взвешенных частиц и медленное, но непрерывное тектоническое опускание региона. В случае если река не делится на рукава, то сток головного русла вызывает размыв дна (приустьевая яма), а мористее (находящийся далее от берега моря) - появление бара, или же осередка. В дельтах направление рек нередко замедляется по причине приливов и ветровых нагонов. Морская соленая вода, как более плотная и тяжелая, в придонной части реки просачивается в облике клина вверх по течению и изолирует более легкую речную воду от дна, из которой наступает выпадение взвешенных частиц. Данному выпадению содействует процесс флокуляции - склеивания мелких частиц в большие, что случается под воздействием морской воды. Но наибольшая часть наносов отмечается в границах авандельты и свала глубин, т. е. ярко выраженного уступа. Наносы скатываются с этого уступа и увеличивают его. Вследствие этого дельта все время продвигается мористее, зачастую образуя большие подводные конусы, как, к примеру, у Ганга, Инда и других больших рек. При этом в осадках образуется наклонная слоистость, когда чередуются слои из грубых и тонких осадков, обусловленные сезонным стоком. В границах продельты складываются тонкодисперсные илистые осадки, временами отгороженные от авандельты. Рисунок 50 - Дельта реки [78] Эстуарии представляют собой узкие заливы, расположенные на месте впадения реки в море. Появляются они там, где происходят нисходящие тектонические перемещения или же увеличение уровня моря, приливы и отливы и где взаимодействуют морские и континентальные условия осадконакопления 71 (рисунок 51). Море подтапливает устьевую часть реки, проникая вдаль в сушу, а волна прилива проходит вверх по течению реки на десятки км, как, к примеру, в р. Пенжина, впадающей в Охотское море. Наносы, которые доставляются рекой, размываются вдоль берегов течениями, и вследствие этого дельта в таких речных устьях не появляется. Эстуарии хорошо проявлены в устьях Темзы, Эльбы, Сены, Пенжины и др. В случае если морские воды в результате приливов и отливов затапливают приустьевую часть речной долины, то появляются лиманы, к примеру, Бугский, Днестровский, Днепровский на Черном море (рисунок 52). Рисунок 51 - Эстуарий [79] Рисунок 52 - Лиман [80] 72 7.5 Экологическая роль поверхностных вод Кроме данных о стоке воды, довольно актуальными для водного хозяйства считаются и уровни воды в реках и озерах. Эксплуатация водных объектов, их эффективность напрямую связаны с высотой стояния поверхностных вод. Снижения уровня воды в водоемах лимитируют работу водозаборов для хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения, судоходство, лесосплав, рыбное хозяйство. Высокие и сверхвысокие значения уровня воды вызывают подтопление и затопление земель, сельскохозяйственных угодий, населенных пунктов. Повышения уровня воды в период наводнений вызывают огромные хозяйственные издержки и нередко уносят людские жизни. Высота стояния уровня воды в реках и озерах воздействует и на экологическую ситуацию: на биопродуктивность водоемов, подтопление и затопления вызывает деградацию лесов, содействует заболачиванию, при больших уровнях и затоплении хозяйственных и селитебных земель смываются в речки всевозможные загрязняющие вещества. В целом к экологическим результатам наводнений следует отнести характер химического состава воды и резкое ухудшение ее свойств, воздействие наводнений на земли, русловые деформации, нарушения растительного покрова и влияние на животный мир. Во время наводнений мутность воды рек достигает максимума, при этом резкий ее рост отмечается на этапе роста уровня воды. Во время наводнений быстро сокращается общая минерализация и содержание ключевых ионов Са, Мg, Na, НСО3, Cl. Сильно возрастает вынос калия и органических веществ с водосборного бассейна. Зависимость содержания отдельных ионов от расхода воды имеет сложную, нередко петлеобразную форму. При наводнении качество воды в водотоках закономерно становится хуже: концентрируются тяжелые металлы, биогенных вещества, быстро растут концентрации пестицидов. Это смещение в худшую сторону существенней, чем постепенное проявление антропогенных нарушений водосборной территории. Особую угрозу во время наводнений представляют аварийные разливы ядовитых химических веществ, нефти и нефтепродуктов при прорыве трубопроводов и резервуаров. При этом количество веществ, попадающих в водные объекты, достигает нескольких сотен ПДК. В итоге образуются потоки грязных вод, отличающихся исключительно нестационарным гидрохимическим режимом, который не поддается контролю. Наводнения оказывают значительное воздействие на земли, их качество и степень плодородия. Гидрологические результаты наводнений обладают как положительным, так и отрицательным характером и длительное время проявляются в пределах речных пойм. Небольшие по интенсивности наводнения, наблюдающиеся во время весеннего снеготаяния на равнинных реках, при не чрезмерных сроках затопления, небыстрых скоростях прохода полых вод и соответствующей мощности аллювиальных наносов в пойме и первых террас позитивно воздействуют на 73 пойменные территории и сопредельные природные ландшафты. К позитивным следствиям этих наводнений относятся: выравнивание рельефа поймы, обогащение пойменных почв пылевато-иловатыми частицами и органическими останками, удаление легкорастворимых солей, насыщение почв пресной водой, удаление сорных растений и вредителей сельскохозяйственных культур, в целом очищение долины реки от негативных результатов человеческой деятельности, вынос массы погибших деревьев и кустарников. Раздел 8 Геологическая деятельность подземных вод Подземные воды - воды, оказавшиеся в толщах горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и парообразном состоянии. Водоносные горизонты - слой - это несколько слоёв водопроницаемых горных пород, поры трещинки или же иные пустоты, которых заполнены подземной водой. Некоторое количество водоносных горизонтов, гидравлически связанных между собой, образуют водоносный комплекс. Грунтовые воды - подземные воды первого от поверхности Земли водоносного горизонта. Образуются в основном за счёт инфильтрации (просачивания) атмосферных осадков и вод рек, озёр, водохранилищ, ирригационных каналов. Водно-коллекторские качества - способность горных пород пропускать сквозь себя жидкие и газообразные флюиды и аккумулировать их в пустотах. Карст - совокупность геологических процессов и явлений, вызванных растворением подземными и (или) поверхностными водами горных пород и проявляющихся в образовании в них пустот. 8.1 Формы существования воды в горных породах (гигроскопическая, капиллярная, гравитационная вода) Первые классификационные конструкции с выделением всевозможных видов воды в горных породах были разработаны О. Мейнцером (1935) и в более полном облике А.Ф. Лебедевым (1922, 1936). Последующее становление и уточнение данной систематизации выполнено в работах Б.В. Дерягина, Е.В. Пиннекера, А.А. Роде, А.И. Силина-Бекчурина, Е.М. Сергеева, Н.И. Толстихина и др. С учетом разработок и построений данных ученых в подземной части гидросферы планеты есть возможность выделить две группы подземных вод: 1) воды в свободном состоянии, способные к автономным формам перемещения, различным, в зависимости от определенного состояния воды; 2) воды в связанном состоянии, не способные к автономным формам перемещения, без перехода в свободное положение (в иные формы воды). Вода в свободном состоянии может быть в следующих формах: 1) водяного пара (парообразная); 2) гравитационной воды (просачивающейся капельножидкой, подземных потоков); 74 3) в надкритическом состоянии. Воды в связанном состоянии включают 5 форм: 1) вода, химически связанная с кристаллической структурой минералов; 2) вода на физикохимическом и на физическом уровне связанная с поверхностью минеральных частиц (скелета) горных пород; 3) вода переходного состояния от связанной к свободной, капиллярно-связанная; 4) иммобилизованная (вакуольная) вода; 5) вода в твердом состоянии. Свободной гравитационной водой называются подземные воды, движение которых происходит под воздействием силы тяжести и (или) градиента гидростатического давления. Просачивающейся называется подземная вода, формирующаяся в ненасыщенной зоне и движущаяся большей частью в капельножидкой форме под воздействием силы тяжести. В ряде случаев для обозначения аналогичного перемещения гравитационной воды применяется термин «подземное дождевание». Водой подземного потока называется свободная гравитационная вода, движущаяся в условиях полного насыщения свободного участка в минеральном скелете горных пород под воздействием силы тяжести и градиента гидростатического давления. Водой в надкритическом состоянии называются подземные воды с температурой и давлением выше критичных значений. Для чистой воды предельная температура равна 374 С0, давление - 2,2- 104 кПа. Связанной называется вода, входящая в состав породообразующих минералов и минеральных соединений или же различным образом связанная с поверхностью минерального скелета (частиц) горной породы. В качестве связанной (несвободной) можно рассматривать вакуольную воду и воду в твердом состоянии (лед). Вода, химически связанная с кристаллической структурой минералов, может быть в форме кристаллизационной воды, входящей в кристаллическую решетку минералов в форме молекул Н20 (гипс CaS04 • 2Н20, мирабилит Na2S04 • 10Н2О и др.); конституционной (немолекулярная форма - Н, ОН-) и координационно-связанной атомами или ионами решетки минералов. Удаление кристаллизационной воды в большинстве случаев приводит к разрушению кристаллической решетки минералов и формированию безводных форм данных соединений. Вода, на физико-химическом и на физическом уровне связанная с поверхностью минералов с энергией связи 0,42-84 кДж/моль, называется адсорбционно-связанной или «прочносвязанной». Она формирует на поверхности минералов слои мономолекулярной и полимолекулярной адсорбции с общей толщиной пленки 0,001-0,002 мкм. Вода переходного состояния: (от связанной - к свободной) разделяется (Крайнов и др.) на следующие подвиды: 1) вода осмотически поглощенная (осмотическая), формирующаяся в области двойного электического слоя за счет поверхностно-осмотических сил («рыхлосвязанная» вода). Толщина пленки h =0,001—0,01 мкм, вполне вероятно до 0,1 мкм; 75 2) вода капиллярно-конденсированная из молекул водяного пара и капиллярно-осмотическая, формирующиеся в порах с диаметром 0,001—0,1 мкм (капиллярно-«неподвижная» вода); 3) вода капиллярная в сквозных порах с диаметром 1 - 100 мкм, обладающая возможностью к капиллярному поднятию над свободным уровнем воды (капиллярная кайма); 4) капиллярно-гравитационная в порах с диаметром 102-103 мкм, способная передвигаться при малых значениях давления. Иммобилизованной (вакуольной) называется вода, которая находится в отделенных пустотах минерального скелета горных пород (вакуолях). По условиям формирования отделенные пустоты могут быть разными: отдельные поры осадочных дисперсных горных пород, обособленные в ходе цементации пор); микропустоты в кристаллах и минералах, замкнутые (изолированные) в процессе минералообразования; отделенные микропустоты, формирующиеся при остывании и сокращении объема магматических горных пород и др. Состав иммобилизованной воды в той или иной степени отображает термодинамические и минералого-геохимические условия на момент образования и «запечатывания» вакуолей и имеет возможность быть существенно различным (газоводяные состояния, возможный комплекс и концентрации растворенных веществ и др.). Иммобилизованная вода может переходить в свободную форму (другие состояния воды) в результате механического разрушения горных пород и минералов («раскрытие» отделенных пустот). 8.2 Коллекторские свойства горных пород Ведущими водно-коллекторскими (гидрогеологическими) качествами горных пород считаются их влагоемкость и проницаемость, связанные с наличием в минеральном скелете буквально всех горных пород пустот или «свободных» мест, не занятых минеральным веществом. В связи с наличием свободного места, не заполненного минеральным веществом, практически все горные породы характеризуются определенными емкостными качествами (емкостью) и имеют возможность держать (вмещать) конкретное количество воды, воздуха, газов и иных жидкостей. Применительно к содержанию подземных вод это основное свойство горных пород, именуемое влагоемкостью. В различие от этого количества (объем или масса) воды, содержащейся в соответствующей горной породе, отнесенное к размеру или массе вещества, охарактеризовывает свойства горной породы и именуется ее влажностью. Проницаемость как свойство горных пород характеризует их способность пропускать сквозь себя воду, воды и газы под воздействием силы тяжести или градиента давления. Применительно к перемещению свободной (гравитационной) воды (без учета ее плотности и вязкости) это свойство называется водопроницаемостью (фильтрационной способностью) горной породы и характери76 зуется коэффициентом фильтрации. Значение коэффициента фильтрации находится в зависимости от качеств самой горной породы (активная скважность, размеры пустот, их конфигурация и др.) и качеств фильтрующейся воды или газа (вязкость и плотность). 8.3 Происхождение и состав подземных вод Первые количественные представления о формировании подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков были получены французскими учеными П. Перро (1608—1680) и Э. Мариоттом (1620—1684) на основе изучения водного баланса бассейна р. Сены. В работах П. Перро «Происхождение источников» (1674) и Э. Мариотта «Трактат о движении вод» (1717) на основании измерения количества атмосферных осадков и расхода воды в р. Сена было показано, что речной сток Сены имеет менее 20% (1/6) от суммарного объема атмосферных осадков. На основании этого был сделан вывод о том, что за минусом испарения значительная часть выпадающих осадков (около 30%) расходуется на инфильтрацию и пополнение подземных вод. Важный вклад в разработку важных направлений гидрогеологической науки внес российский ученый M. B. Ломоносов. В работах «О слоях земных», «О рождении металлов от трясения земли» и иных он связывал вопрос происхождения подземных вод с количеством и просачиванием атмосферных осадков: «...в сухие годы водопритоки в рудниках не так одолевают, как в дождливые...», оценивал возможные проницаемости горных пород по отношению к воде, считал, о что подземная вода имеет возможность передвигаться «выжиманием или капаньем...», рассуждал о процессах взаимодействия подземных вод с горными породами. Важнейшее значение для становления гидрогеологии имели работы академика В.И. Вернадского. В книге «История природных вод» (1935) им обоснован тезис о единстве природных вод Земли (единстве гидросферы планеты); рассмотрен ряд важных вопросов происхождения подземных вод и геологического круговорота воды; охарактеризованы роль воды в геологических и геохимических процессах, в процессах, происходящих в мантии, и процессах взаимодействия мантийных расплавов с породами земной коры, вопросы взаимодействия подземных вод с горными породами, газами, живым веществом и др. 8.4 Условия залегания подземных вод Типы подземных вод по условиям залегания Выделяются воды безнапорные и напорные. Безнапорные подразделяющиеся на верховодку, грунтовые и межпластовые (рисунок 53). Верховодка - это временное скопление воды в границах зоны аэрации, возникшее за счет залегания линз слабопроницаемых пород. Верховодка имеет сезонный характер, она чаще всего отмечается весной, когда тает снег, или же в 77 дождливое время. Слабопроницаемые породы представлены, как правило, глинами и легкими суглинками. Грунтовые воды - это постоянный водоносный горизонт, имеющий свободную поверхность, размещающийся на первом протяженном водоупоре. Горизонт данных вод образуется за счет инфильтрации атмосферных осадков. Разгрузка происходить за счет рек, родников, а еще в результате эвапотранспирации. Поверхность грунтовых вод называется зеркалом, а мощность водосодержащего слоя оценивается вертикалью от зеркала до кровли водоупорного горизонта. Мощность грунтовых вод находится в зависимости от количества осадков, формы рельефа (на водоразделах мощность максимальна) и поверхности слабопроницаемых пород. Выше зеркала грунтовых вод появляется слой капиллярно-подтянутой воды. Напорные воды - воды, заключенные между двумя слабопроницаемыми горизонтами и обладающие гидростатическим давлением. При вскрытии данных горизонтов уровень воды в скважине устанавливается на меньшей глубине, чем водоносный горизонт. В определенных случаях, при высоком напоре, воды могут фонтанировать из скважины. С глубиной состав и минерализация вод меняется. Данное явление называется вертикальная гидрогеохимическая зональность. Водоносные горизонты разделяют на: 1 - зона усиленного водообмена, 2 - зона затрудненного водообмена и 3 - зона чрезвычайно затрудненного водообмена (застойная). С глубиной минерализация данных зон возрастает от 1г/л (пресные воды) до 350г/л и выше (рассолы). Рисунок 53 - Подземные воды [81] 78 8.5 Воды нефтяных и газовых месторождений Пластовые воды нефтяных месторождений очень многообразны. Они бывают пресными (редко), слабосолеными, солеными и рассольными. Воды нефтяных месторождений содержат некоторые составляющие ионного и газового состава, придающие воде своеобразные особенности. К числу этих составляющих относятся йод, бром, барий, бор, стронций, нафтеновые кислоты, газообразные углеводороды, в том числе и тяжелые углеводороды, Н23, 1М2, редкие газы Ке + Не, Аг, Хе, Сг, а также СО2. Для химического состава вод нефтяных и газовых месторождений свойственно отсутствие или малое содержание иона SO4. Встречающиеся в пределах нефтяных месторождений подземные воды разделяются на грунтовые воды, пластовые напорные воды и воды тектонических трещин. В некоторых случаях представлены и карстовые воды, а в области распространения «вечной» мерзлоты - надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды. Пластовые воды. К подземным водам нефтяных месторождений относятся воды, заполняющие в капельножидком состоянии пористые и проницаемые горные породы, играющие важную роль в строении нефтяного месторождения и прилегающих участков земной коры. Особенностью пластовых вод нефтяных месторождений считается разобщенность отдельных водоносных горизонтов между собой водонефтенепроницаемыми или очень слабо фильтрующими слоями. Подобные водонепроницаемые горизонты обусловливают невозможность сообщаемости или же очень слабый водообмен между водоносными пластами, которые, как правило, залегают на относительно малом расстоянии друг от друга. Воды нефтяных месторождений в основном обозначаются следующим образом (рисунок 54): 1. Пластовые воды: а) контурные (краевые), б) верхние контурные (верхние краевые), в) подошвенные, г) промежуточные. 2. Посторонние (чуждые) воды: а) верхние, б) нижние, в) смешанные. 3. Тектонические воды. Контурными, или краевыми, называют воды, залегающие в пониженных участках нефтяных пластов. Эти воды в большинстве случаев подпирают нефтяную залежь со стороны контура нефтеносности. Верхние контурные или верхние краевые воды выделяются в тех случаях, когда нефтеносная часть пласта выведена на дневную поверхность (моноклинали, разрушенные своды антиклинальных складок). Выведенные на дневную поверхность части нефтяных пластов временами могут быть заполнены водами атмосферных осадков и поверхностными водами. Эти воды и называют верхними контурными, или верхними краевыми. 79 Подошвенные воды залегают в нижней части нефтяного пласта и распространены иногда по всей части структуры, охватывая ее сводовую часть. В процессе эксплуатации нефтяной залежи и при крупных отборах нефти из скважин, находящихся на своде антиклинали, нередко контурные воды достигают по подошве нефтяного пласта свода антиклинали. В данном случае в нефтяном пласте образуются искусственно сформировавшиеся подошвенные воды. Временами в нефтяном пласте образуются небольшие по мощности пропластки, насыщенные только водой, данная вода и именуется промежуточной. В случае если нефтяной пласт включает множество пропластков, а контуры нефтеносности их различны и не совпадают, то вода, приуроченная к первому из этих пропластков с минимальным контуром нефтеносности, также может быть отнесена к промежуточной. Верхними именуют воды, залегающие выше нефтяного пласта, автономно от него. Из данного вышележащего пласта они могут пройти в нефтяной в пласт. Нижними именуют воды, залегающие ниже нефтяного пласта, автономно от него. Из этого нижележащего пласта они также могут просочиться в нефтяной пласт. Перемешанными именуют воды, залегающие выше данного нефтяного пласта и поступающие в пласт из нескольких водоносных пластов, или же поступающие в этот нефтяной пласт из выше- и ниже залегающих водоносных пластов. Тектоническими водами именуют те воды, которые поступают по тектоническим трещинам (диаклазам и параклазам) из всевозможных пластов, содержащих высоконапорные воды. Тектонические воды в некоторых случаях попадают с большущих глубин. Эти воды ещё до разработки нефтяных залежей могут оттеснять нефть от тектонических смещений в сторону, а в процессе разработки и эксплуатации в результате формируемых депрессий эксплуатационными скважинами они активно заводняют нефтяные залежи. В разнообразных по возрасту отложениях геологических разрезов нефтяных месторождений распространены воды, относящиеся к четырем генетическим типам: 1) сульфатному натриевому; 2) гидрокарбонатному натриевому; 3) хлоридному магниевому; 4) хлоридному кальциевому. Сульфатный натриевый состав вод установлен в большинстве в нефтяных месторождениях, структуры которых гидрогеологически открыты, где продуктивные отложения выведены на дневную поверхность. Гидрокарбонатный натриевый состав вод считается наиболее распространенным среди вод нефтяных месторождений. Хлоридный магниевый состав вод среди глубинных вод нефтяных месторождений встречается достаточно редко. 80 Воды хлоридного кальциевого состава напротив очень распространены среди подземных вод нефтяных месторождений России и иностранных государств. Рисунок 54 - Схема залегания подземных вод нефтяного месторождения. 1 - грунтовая вода, 2 - нефтяной пласт, 2а - нефтяной пласт с верхней контурной водой, 3 - водяной пласт, 4 - газо-нефтяной пласт, 5 - нефтяной пласт с пропластками промежуточной воды, 6 - нефтяной пласт с наличием подошвенной воды [82] 8.6 Карстовые процессы: карстовые пещеры, карстовые воронки Карстовые процессы широко развиты на нашей планете. Они появляются при растворении пород подземными водами. Быстрее растворяются карбонатные породы, такие как известняк, доломит, сульфатные породы - гипс, ангидрит, а еще каменные и калийные соли. Карстом называется процесс химического растворения пород и процесс выщелачивания, т. е. растворения и выноса части горных пород. Растворение пород находится в зависимости от химического состава вод. Например, воды, насыщенные углекислотой, довольно хорошо растворяют карбонатные породы, а гипс сильнее растворяется солоноватыми водами. Под карстом обозначают не только процесс, но и результат в форме разнообразных форм растворения. Сам термин карст известен в связи с названием известкового плоскогорья в Словенских Альпах, где карстовые формы рельефа проявлены наиболее ярко. Карст развивается всюду, где есть выходы на поверхность карбонатных пород: в Горном Крыму, на побережье Адриатического моря, на Кавказе, Урале, в Средней Азии и ещё во множестве территорий земного шара. 81 Различают открытый карст и закрытый. Открытый карст развивается там, где породы выходят на поверхность, закрытый - в том случае если породы, подверженные карсту, находятся на глубине и перекрыты толщей других пород. Последний чаще развит в равнинных платформенных районах, за это время как первый - в горных. 8.7 Осадки подземных вод, отлагаемые на земной поверхности: известковые и кремнистые туфы, поваренная соль, железные и марганцевые руды В одном ряду с растворением и перемещением растворимых и нерастворимых частиц подземные воды в определенных условиях могут их откладывать и переоткладывать. Данный процесс может происходить как на земной поверхности у выходов источников, например, и в пустотах пород водоносных пластов. Отложение осадков - одна из главнейших форм геологической работы, которая совершается подземными водами. Осадки, отлагаемые подземными водами на земной поверхности. Среди осадков, которые отлагаются подземными водами на поверхности, выделяются известковые и кремнистые туфы, поваренная соль, железные и марганцевые руды. Известковый туф происходит из кальцита, который скапливается на поверхности у выходов источников. Выпадение СаСО3 у выходов источников обосновано теми же причинами, что, собственно, и его выпадение при образовании наростов в пещерах - сталактитов, сталагмитов и сталагнатов. Реакцию выделения кальцита при образовании туфа можно записать по схеме Са(НСО3)2СаСО3+Н2О+СО2. Выделение СО2 и быстрое осаждение карбоната кальция определяет пористую текстуру известковых туфов, а соли, которые находятся в подземной воде, окрашивают их в разнообразные тона. Как правило, расцветка туфов белоснежная или сероватая, но нередко с заржавелыми или же бурыми пятнами, образующимися за счет оксидов железа. Присутствие равномерно распределенных оксидов железа придает всей породе желтый оттенок. Известковый туф с относительно большими пустотами называют травертином. Он способен достаточно активно формировать оболочку на каждом предмете, попавшем в родник или ручей, - ветках, листьях, монетах и т. д. Вследствие этого отложения травертина нередко пользуют для определения возраста по находкам в них листьев, цветочной пыльцы, останков вымерших растений и т. д. На склонах гор натеки травертина, как правило, образуют системы террас. Более крупные натечные террасы высотой до 200 м связаны с термальными источниками Памуккале у города Денизли в Турции. Массивные толщи травертинов известны близ Крестового перевала на Военно-Грузинской дороге, а еще в Пятигорске и других районах. 82 Железные руды. Образуют залежи бурых железняков. Их формирование связано с аккумулятивной работой подземных вод. В пределах выхода подземных вод, обогащенных солями железа (FeСО3) или е (FeSO4), при участии микроорганизмов происходит превращение FeСО3 и FeSO4 в 2Fe2O3×3Н2O - лимонит, который отлагается в больших количествах и образует линзы. Подобно образуются и марганцевые руды. 8.8 Осадки, откладываемые подземными водами в пустотах горных пород (цементация отложений минеральным веществом) Цементирующим веществом при заполнении пустот нередко бывают СаСО3, FeCO3 и др. В процессе цементации образуются новые породы - конгломераты, брекчии, песчаники и др. При цементации соли из смесей осаждаются в поровом пространстве между частицами осадка или породы. Таким образом из рыхловатых песков образуются известковые, кремнистые или железистые песчаники в зависимости от свойств цемента, отложившегося между зернами породы. Цементация отложений минеральным веществом, выделившимся из подземных вод, может происходить на различных глубинах; основным условиям в данном процессе считается высокая минерализация подземных вод. 8.9 Оползневые процессы Оползень - это, как правило, относительно медленное движение, оползание, определенной части склона без нарушения ее внутреннего строения. Оползание пород случается по слабопроницаемым породам, когда их нижний слой насыщен водой. В данном случае толща породы как бы «поскальзывается» на слабопроницаемых породах. Оползни бывают молодыми и древними. Оползание может однажды, а может и повториться и несколько раз. В любом оползне различают: тело оползня, плоскость скольжения, тыловой шов, надоползневой уступ, (рисунок 55). При оползании породы сминают под собой все поверхностные слои земли и рыхловатых пород. Между тыловой частью оползня и надоползневым уступом появляется понижение, западина, зачастую занятая мелким озерцом. Оползание склонов случается как на равнинах, так и в горах. Причиной оползней временами случаются землетрясения. Так, во время известнейшего своей мощью Чилийского землетрясения 1960 г. появилось большое количество оползней и оплывин, когда по склонам передвигались мас83 сы рыхловатых пород, пропитанных водой. В 1906 г. в Сан-Франциско во время землетрясения на склоне холма появился оползень размером 100 тыс. м3. Неустойчивое, предоползневое положение массы пород вызывается различными условиями, например, условиями наклона слоев и положением возможной оползневой массы по отношению к ним; неверной подрезкой склонов при освоении участков с прокладкой дорог, обустройством площадок для постройки зданий и др. Рисунок 55 - Оползневой процесс [83] 8.10 Роль и значение геологической и геоэкологической деятельности подземных вод в жизни планеты и человека Гидрогеологические процессы, происходящие в верхней части земной коры, в большой степени связаны с хозяйственной деятельностью человека - водоснабжением, эксплуатацией городских агломераций, строительством и т. д. Водоснабжение больших населенных пунктов, основано на эксплуатации поверхностных вод, при этом все городские территории формируют водозабор подземных вод. Ключевой задачей прикладной гидрогеологии считается обоснование водозабора - его размещение, система скважин, дебит, а в последнее время остро встал вопрос оценки качества воды. К сожалению, на данный момент в России лишь только 1% воды отвечает общепризнанным параметрам, установленным для питьевой воды. Большая часть воды на земле неприменима для питья. В связи с отбором воды из водоносных горизонтов изменяется уровень подземных вод, что воздействует на поверхностный сток, что в свою очередь воздействует на растительный мир. Снижение уровня грунтовых вод приводит к деградации лесов, к осушению и возгоранию летом торфяников, к сокращению поверхностного водно84 го стока и обмелению мелких и крупных рек, эвтрофикации мелеющих озер, оседанию отдельных участков земной поверхности. Вследствие этого необходим прогноз воздействия водоотбора на окружающую среду, а еще геофильтрационное моделирование потоков подземных вод. Раздел 9 Геологическая деятельность озер и болот Озеро - это углубление на поверхности суши - котловина, отчасти заполненная водой. Озера не имеют конкретной связи с океанами или же морями и чаще развиты в областях гумидного климата, занимая чуток более 2 % поверхности материков. Боло́то (также болото, трясина) - участок суши (или ландшафта), характеризующийся лишним увлажнением, увеличенной кислотностью и невысокой плодородностью грунта, выходом на поверхность стоячих или проточных грунтовых вод, но без постоянного слоя воды на поверхности. Экзарация (от лат. Exaratio - выпахивание) - экзогенный геологический процесс разрушения ледником слагающих его ложе горных пород с последующим выносом обломков. Старица - полностью или же частично отделившийся от реки участок ее прежнего русла. Термокарст - процесс неравномерного проседания основных и подстилающих горных пород вследствие вытаивания подземного льда. 9.1 Происхождение озерных впадин Озерные котловины имеют разное происхождение, как экзогенное, так и эндогенное. Озера экзогенного происхождения распространены более широко. На территории Севера России они связаны с выпахивающей, т. е. экзарационной, работой последнего оледенения и во большинстве территорий, особенно в Карелии, имеют общую субмередиональную ориентировку. Почти все озера старичного, пойменного, дельтового связаны с работой рек и распространены на обширной территории Западно-Сибирской низменности, Восточной Сибири и Северо-Востока РФ. Эти озера обладают небольшой площадью и нередко имеют серповидную форму. Небольшие и неглубокие озера связаны с карстовыми котловинами, иногда с провальными суффозионными воронками. В горных областях озера зачастую появляются в связи с обвалами, перегораживающими речные долины. В областях развития криолитозоны почти все озера имеют термокарстовое происхождение, а еще связаны с участками местного протаивания, часто вызванного техногенными причинами. Эндогенные по происхождению озера связаны с молодыми грабенами или их системами в активных рифтовых зонах. В Восточной Африке расположена позднекайнозойская рифтовая зона, в отдельных грабенах которой при85 сутствуют глубочайшие озера: Мверу, Ньяса, Рудольф, Танганьика и др. В РФ озеро Байкал приурочено к молодому активному рифту, как и ещё ряд озер в данном же регионе. Большое количество мелких озер располагается в вулканических областях, к примеру, на Камчатке, где озера приурочены к кальдерам, к кратерам на вершинах потухших вулканов. Лавовые потоки зачастую играют роль плотин, перегораживающих долины, а выше плотин появляются озера. Большие озераморя на подобии Каспийского, Аральского, Виктории и Чад в Африке и др. приурочены к тектоническим опусканиям в земной коре. 9.2 Генетическая классификация озерных котловин. Озерные котловины образуются в результате всевозможных геологических процессов и изменения климата, что, собственно, обусловливает их размеры, форму, особенности перемещения озерных вод и их состав. При разработке классификаций озерных котловин чаще всего учитывается их генезис. - Общеизвестна генетическая классификация М.Л. Первухина. С происхождением (генезисом) озерных котловин связаны их размеры, конфигурация и режим озер. Происхождение озерных котловин можно определять по цельному ряду параметров: геологической истории возникновения; геологическому и тектоническому строению; особенностям рельефа вмещающего региона и др. Все главные генетические типы озерных котловин можно разделить на 2 группы: эндогенные и экзогенные. Группа озерных котловин эндогенного происхождения. К эндогенной группе озер относятся: озерные котловины тектонического генезиса, возникшие в пределах тектонических структур: в рифтовых грабенах, в зонах разломов земной коры. Для данных котловин свойственны гигантские глубины и крутые склоны. Самое известное среди таких озер - самое глубокое озеро в мире - Байкал, впадина которого считается древним и наикрупнейшим звеном Байкальской рифтовой зоны (рисунок 56). Дно байкальской котловины размещено на 1182 м ниже уровня океана. 86 Рисунок 56 - Геологические строение озера Байкал [84] Озерные котловины тектонического генезиса нередко приурочены к областям больших сдвигов земной коры. К ним относятся цепочка озер ВосточноАфриканского грабена - Ньяса, Танганьика, Мобуту-Cece-Секо-Рудольф, в Центральной Америке - озера Никарагуа и Манагуа. Некоторые озера в процессе раздвига тектонических плит в ходе геологических процессов преобразуются в моря. Подобное явление связано с происхождением Красного моря, возникшего при затоплении океаном ряда рифтовых озер. Озерные котловины сейсмогенного генезиса находятся, как правило, в межгорных котловинах, сложившихся в результате вертикальных тектонических смещений земной коры. К ним относится одно из самых больших озер мира - Титикака (абсолютная отметка - 3812 м) в Центральных Андах, мелкие высокогорные озера Тибетского нагорья, оз. Иссык-Куль на Северном Тянь-Шане. Озерные котловины вулканогенного генезиса распространены в областях прошлой или настоящей вулканической деятельности (Закавказье, Исландия, Италия, Сицилия, Камчатка и др.) и приурочены к кратерам и кальдерам вулканов. Кратерные озера чаще всего имеют округлую форму, ширину в сотни метров и большую глубину. Озеро Крейтер-Лейк в Каскадных горах Северной Америки имеет глубину 600 м и представляет собой кальдеру, достигающую в поперечнике 10 км, образовавшуюся при обрушения вершины вулкана Мезама (рисунок 57), оз. Курильское на Камчатке - 306 м. Озера действующих вулканов непостоянные, при следующем извержении вода в них может исчезнуть. 87 Рисунок 57 - Озеро Крейтер-Лейк [85] Группа озерных котловин экзогенного происхождения. Ледниковые озерные котловины образуются в результате работы ледников. В зависимости от характера работы ледников среди данных озерных котловин можно выделить: 1. Эрозионные, возникающие в результате экзарации - ледникового выпахивания. Эти озера распространены на кристаллических массивах Канадского и Фенноскандинавского щитов, каровые озера в горных областях (Альп, Кавказа, Прибайкалья и др.). 2. Аккумулятивные котловины, образовавшиеся среди моренных отложений. Эти озера широко распространены в областях древних обледенений на севере, северо-западе и в средней полосе России, в Прибайкалье, на севере и в средней части Западной Сибири, в Канаде, США. Озерные котловины речного происхождения. К ним относятся озерные котловины, сформировавшиеся в результате речной эрозионной и аккумулятивной работы. Это старицы, возникшие при обособлении меандр от главного русла реки; плесовые - разобщенные в межень плесы пересыхающих рек в районах недостаточного увлажнения; дельтовые, возникшие в дельтах больших рек (в дельте р. Лены, оз. Кубанских плавней и др.). Озерные котловины морского происхождения. К ним относятся лагунные и лиманные озера морских побережий. Это морские заливы или устьевые части 88 рек, отшнурованные от моря наносами, косами или барами. Эти озера отмечаются на побережье Черного и Азовского морей (лиманы), Белого и Балтийского морей. Некоторые из их сообщаются с морем во время штормов и приливов, а иные - обособились и трансформировались в реликтовые озера. К данному же типу относятся и фиордовые озера, отгороженные от моря наносами участки фиордов. Озерные котловины провального происхождения. Сюда относятся карстовые, суффозионные и термокарстовые озера. Карстовые озера появляются в областях распространения известняков, доломитов, мраморов. Котловины, как правило, представляют собой воронки округлой формы небольшой площади. Как правило, эти озера находятся в днищах плоских долин или же на вершине водоразделов. Вода в карстовых озерах в засушливое время года имеет возможность исчезнуть. Встречаются они на Кавказе, на Урале, в Центральном Прибайкалье. В Приольхонье - Центральной части Западного Прибайкалья распространены карстовые озера, приуроченные к толще архейских мраморов. Тажеранские содовые озера представляют собой серию больших котловин от 700 м до 7 км протяженности по длинной оси. Разбиты они меж собой невысокими перемычками, сложенными кристаллическими сланцами и гнейсами. Суффозионные (просадочные) озера образуются в районах, где подземные воды вымывают из пород соли, что, собственно, приводит к проседанию перекрывающих их горизонтов. Котловины озер неглубокие, округлой формы с пологими берегами. Область наибольшего распространения - юг Западной Сибири (Кулундинская и Барабинская степи). Термокарстовые озера распространены в районах развития многолетнемерзлых горных пород и образуются в результате протаивания и проседания грунтов. Нередко образуются на вырубках леса, при прокладке дорог, лесных пожарах. Широко встречаются в тундре Якутии и Восточной Сибири. Обвальные озера образуются в результате горных обвалов, перегородивших речные долины. К ним относится оз. Сарылечек (Западный Тянь-Шань), которое образовалось при землетрясении в результате огромного обвала скальных пород оз. Иссык-Куль (близ г. Алма-Аты) (рисунок 58). Эоловые озерные котловины образуются между дюнами. Образование котловин связано не только с работой ветра, но и при просадке грунтов. Встречаются по берегам морей (Прибалтика) и в засушливых районах (Казахстан, Средняя Азия). Озерные котловины метеоритного происхождения образуются при ударе о землю космического тела, в результате чего появляется кратер, который в последствии наполняется водой. 89 Рисунок 58 - Озеро Иссык-Куль [86] 9.3 Геологическая деятельность озер и водохранилищ Геологическая работа озер характеризуется как разрушительной, так и созидательной работой, т. е. накоплением осадочного материала. Абразия берегов выполняется волнами и изредка течениями. Конечно, в больших озерах с большим водным зеркалом разрушительное воздействие волн сильнее. Но, в случае если озеро обладает большим возрастом, то береговые формы уже стабилизированы, профиль равновесия достигнут и волны, накатываясь на узкие пляжи, лишь только переносят песок и гальку на небольшие расстояния. В случае если же озеро молодое, то абразия действует как процесс срезания берегов и препятствует достижения профиля равновесия. В следствие этого озеро как бы расширяет собственные границы. Аналогичное явление отмечается в созданных недавно больших водохранилищах, в которых волны срезают берега со скоростью 5–7 м в год. Как правило, озерные берега покрыты растительностью, что, собственно, сокращает волновое воздействие. Осадконакопление в озерах выполняется как за счет привноса обломочного материала речками, биогенным и хемогенным способами. Реки, впадающие в озера, как и кратковременные водные потоки, несут с собой всевозможный по объему обломочный материал, который отлагается у берега или разносится по озеру, где выпадает в осадок. Как правило, в озерных терригенных отложениях имеется довольно тонкая слоистость, которая связана с сезонными изменениями климата, т. к. весной привнос материала больший, чем зимой, и 90 он больше смешанный, а в горных озерах резко увеличивается весной и летом, когда тают снежники и ледники. В больших озерах, в устьях, впадающих в них рек складываются небольшие дельты. Органогенное осадконакопление обосновано богатой растительностью на мелководьях, хорошо прогреваемых солнцем. Берега покрыты разнотравьем, а под водой вырастают водные растения. Зимой, вследствие отмирания растительности, она накапливается на дне, образуя слой, богатый органикой. В поверхностном слое воды развивается фитопланктон, цветение которого усиливается летом. Осенью, когда водные растения и фитопланктон погружаются на дно, там появляется илистый слой, насыщенный органикой. Например, на дне в застойных озерах воздуха практически нет, и анаэробные бактерии превращают ил в жирную, желеобразную массу - сапропель, содержащую 60-65 % углерода, которую используют как удобрение или же целебную грязь. В некоторых озерах складываются невыдержанные слои известняков ракушечников или же диатомитов, возникающих из диатомовых водных растений, имеющих кремневый скелет. Хемогенные отложения тем более свойственны для озер аридных зон, где вода активно испаряется и вследствие этого отмечается выпадение в осадок поваренной и калийной солей (NaCl), (KCl, MgCl2), мирабилита (глауберова соль) - (Na2SO4•10H2O), соды (Na2CO3 10H2O), соединений бора, серы и др. В зависимости от более характерных хемогенных осадков озера разделяются на сульфатные, хлоридные, боратные. Болота работают консервантом воды, за счет торфяных отложений. Так, в Западной Сибири при заболачивании 1 млн км2 и запасах торфа 120 миллиардов т при увлажнении до 40 %, воды в торфе находится приблизительно 1000 км3, собственно, что важно для стабильного годичного стока рек во всем данном регионе. Болота обогащают атмосферный воздух кислородом и поглощают углекислый газ, консервируя углерод. В то же время болота выделяют больший объем метана (СН4) за счет разложения растительных остатков в анаэробных условиях. Болота выделяют до 50 % метана, поступающего с территории РФ. Среди болотных отложений наибольшее значение имеет торф, образующийся в форме скопления отмершей болотной растительности - всевозможных трав, мхов, кустарников и деревьев. Погрузившаяся в воду растительность медленно формирует слой в несколько метров, в котором при недостатке воздуха происходят неполное разложение остатков растительности при жизнедеятельности микробов, образование торфа - темного бесформенного органического вещества - и наращивание содержания углерода до 55-60 %. К достаточно обычным болотным отложениям относятся дерновые железные руды, формирование которых связано с привносом железистых соединений грунтовыми водами. Источником железа считаются моренные отложения четвертичных оледенений. Болотные руды связаны в основном с низинными болотами, куда поступает железо с водосборов, где оно входит в состав кор выветривания, или же ледниковых морен. Железистый сток в гумидной зоне, где 91 образуются болота, связан с сокращением поступления в воду силикатных веществ, а перестройка всей геохимической системы ведет к усилению подвижности железа и его концентрации до сотни миллиграммов на литр, собственно, что отвечает уже уровню настоящих рудоносных залежей. Для того чтобы начали формироваться железные руды, важны особые особенности рельефа в форме заливов, затонов и иных ловушек с ослабленной динамической работой водных масс. Болотные железные руды состоят чаще всего из сидерита - FeCO3, обладающего гороховой структурой. 9.4 Геологическая деятельность болот Болото представляет собой аккумулятивную форму рельефа, характеризующееся временным или же неизменно излишним увлажнением, наличием влаголюбивой растительности и накоплением торфяных залежей. Влажные зоны теплого и умеренного климата - главные участки суши, где болотный процесс считается основным, а общая площадь болот на земном шаре свыше 2 млн км2 (рисунок 59). Для существования болота важны высокий уровень стояния грунтовых вод, присутствие впадин в рельефе поверхности Земли, достаточное количество осадков и слабый контраст их распределения по временам года, а еще важна биомасса влаголюбивой растительности. Типы болот связаны с условиями их формирования и положением в рельефе территории. Низинные болота свойственны для понижений в рельефе и приурочены к плоским, иногда крупным низинам, окаймленным возвышенностями. В этих низинах водный сток, как правило, замедленный, питаются они за счет или поверхностных текучих вод, или подземного стока при наличии залегающего близко к поверхности водоупора. В низинных болотах влаголюбивая растительность обладает большой массой и представлена осокой, тростником, разными мхами, кустарниками. Зачастую озера, постепенно зарастающие, преобразуются в болота низинного типа. Верховые болота имеют небольшие размеры, чем низинные, и размещаются во впадинах на возвышенных участках рельефа. Питаются верховые болота за счет атмосферных осадков, т. к. на водоразделах уровень грунтовых вод залегает глубоко и нужен близповерхностный слой водоупорных пород, чтобы удерживать воду. В верховых болотах, бедных минеральными солями, распространен сфагновый мох, а еще всевозможные кустарники и древесная растительность, т. к. верховые болота быстро зарастают. 92 Рисунок 59 - Болото [87] 9.5 Экологическое значение озер, водохранилищ и болот Значение озер в географической оболочке довольно велико. Озера оказывают влияние на внутриматериковый влагооборот воды. Водоемы суши оказывают заметное влияние на районные климатические условия, увеличивая влажность и снижая амплитуду температуры. Озера оказывают регулирующее влияние на речной сток: речки, вытекающие из озер, многоводны в период всего года. Озера регулируют сток рек, задерживая в собственных котловинах талые воды и отдавая их в другие периоды. Воздействуют озера на уровень грунтовых вод, в целом повышая его. Гигантские озера считаются резервуарами пресной воды. Из соленых озер добывают минеральное сырье. В водах озер происходят химические и биологические реакции. Одни составляющие переходят из воды в донные отложения, иные напротив. В ряде озер, ключевым образом не имеющих стока, в связи с испарением воды увеличивается концентрация солей. Итогом считаются важные значения минерализации и солевого состава озер. Одно из важных значений озер - создание условий для жизнедеятельности организмов. Воздействие озер на природную среду определяется через речной сток. Различают постоянное влияние озер на круговорот воды в речных бассей93 нах и регулирующее влияние на внутригодовой режим рек. Ведущее воздействие сточных водоемов суши на материковое значение круговорота воды (а также солей, наносов, теплоты и т. д.) заключается в замедлении водо-, соле- и термообмена в гидрографической сети. Озера (как и водохранилища) предполагают собой скопление вод, увеличивающее объем гидрографической сети. Кроме конкретного воздействия озер на речной сток нужно принимать во внимание и их влияние на природную среду в целом. Водоемы суши оказывают приметное воздействие на местные климатические условия. Понижая континентальность климата и увеличивая длительность весны, местные водоемы оказывают влияние на внутриматериковый влагооборот, содействуют увеличению осадков, выходу туманов и т. д. Воздействуют водоемы и на уровень грунтовых вод, в целом повышая его, на почвенно-растительный покров и животный мир, увеличивая многообразие видового состава, биомассу и т. д. Водохранилища приводят к затруднению стока грунтовых вод, снижению природной дренированности и подтоплению земель, собственно, что не соответствует их структуре и составу биогеоценозов, вызывает эвтрофирование (насыщение водоемов биогенными элементами) и усугубляет их санитарное состояние. Затопление и подтопление крупных площадей сельскохозяйственных и застроенных территорий и связанные с ним заболачивание и засоление поверхностных и подземных вод и пород зоны аэрации ведут к их деградации и изъятию из сельскохозяйственного применения. По особенностям почвенного и растительного покровов выделяют некоторое количество поочередно сменяющихся зон: неизменного, повторяющегося и эпизодического затопления; заболачивания; крепкого, небольшого и слабого подтопления; интенсивного и эпизодического климатического воздействия. Ширина отдельных зон колеблется от нескольких метров до нескольких км. В итоге сезонной и долголетней регулировки случается понижение водного стока в половодье и его наращивание в межень. За счет стока речных вод в водохранилищах и усреднения их химического состава нивелируются важные различия в содержании катионов и анионов. По мере развития водохранилищ начинают проявляться влияния к скоплению биогенных соединений. В водохранилищах аккумулируется до 90-97% стока рек. За счет этого сток взвесей в реках с каскадом водохранилищ снижается в 4-8 раз. Затопление земель приводит к деградации почв и гибели наземной растительности. На мелководьях складываются ассоциации водной и прибрежноводной растительности. В зоне повторяющегося затопления и заболачивания образуются болотные и торфяно-болотные земли, на которых доминируют гигрофиты (наземно-водные растения, погруженные в воду лишь только нижними частями и увеличивающиеся по берегам водоемов, на мелководьях и на болотах, к примеру, тростник обыкновенный). В зоне подтопления грунтовые воды присутствуют на малых глубинах (1 - 3 м). 94 За счет этого случается увлажнение и олугование земель, возрастает биомасса растительных сообществ. Создание водохранилищ значительно изменяет ландшафт речных долин, а регулировка стока преобразует натуральный гидрологический режим речки в границах подпора. В результате наполнения водохранилищ усиливается подпор грунтовых вод, увеличение их объема, приводящие к понижению дренирующей роли водотоков. Так, вследствие постройки Новосибирского водохранилища приток в него грунтовых вод снизился в 63 раза при сопоставлении с природными речными значениями. В отдельных случаях меняются направленности течения подземных вод в сторону водотока с больше низким уровнем. Подпор грунтовых вод, в зависимости от местных гидрогеологических показателей, имеется в зоне шириной от нескольких десятков метров до нескольких км. Рост их значения приводит к подтоплению оснований домов, подземных коммуникаций, сельскохозяйственных и иных угодий, находящихся в прибрежной зоне водохранилищ. Болота считаются «лёгкими планеты». Полезность, оказываемая ими, сравнима с полезностью лесов. Однако эффект они оказывают несколько иной. Болота сокращают численность углекислого газа, содержащегося в атмосфере. Случается это благодаря захоронению неразложившейся растительной (и не только) органики, так как при её разложении углекислый газ отличается в огромных значениях. Но в болотных топях данная органика преобразуется со временем в каменный уголь. Как ни необычно, болота считаются неплохими фильтрами воды, а еще санитарами сельскохозяйственных экологических систем. Еще ценны они природными ресурсами, добываемыми на них. В первую очередь, это торф, использование которого очень обширно. Но и растения, произрастающие в данных пространствах, также имеют большое значение. К примеру, клюква, морошка. К сожалению, приносят болота не лишь только пользу. Метан, возникающий тут в больших объемах, поступает в атмосферу. Раздел 10 Геологическая деятельность в области криолитозоны Криолитозона - часть криосферы, представляющая собой верхний слой земной коры, характеризующийся отрицательной температурой горных пород и наличием подземных льдов. Промерзлые породы - породы, имеющие отрицательную температуру и содержащие в своём составе лёд. Многолетнемерзлые породы - породы, имеющие отрицательную температуру и имеющие в составе лёд долгое время (от нескольких лет до множества тыс. лет). 95 Талик - участок талых и немёрзлых пород в области становления многолетнемёрзлых пород (многолетней мерзлоты), имеющий место быть больше года. 10.1 Географическое распространение многолетнемерзлых пород Криолитозона широким кольцом охватывает территории вокруг Северного Ледовитого океана и занимает в целом в пределах 25 % площади всей суши и 64 % земель России (рисунок 60). Многолетнемерзлые породы есть на арктических островах и в привершинных участках высокогорных хребтов в Альпах, на Кавказе, на Тянь-Шане и Памире, в Гималаях и иных пространствах, занимая в совокупности 3 млн км. Распространение криолитозоны таково, что в южных районах она находится отдельными островами между талых пород. Промерзлые породы имеют мощность 10-25 м и залегают в виде линз. Севернее находится зона несплошных промерзлых пород мощностью до 100 м, в которой большое количество таликов - участков непромерзших пород. Севернее, как правило, криолитозона занимает все пространство, а ее мощность возрастает до 1000-1500 м. Мощность сплошной мерзлоты меняется в довольно широких границах: от нескольких метров по южной окраине ее распространения до 1000-1500 м. Рисунок 60 - Распространение многолетнемерзлых пород [88] 96 10.2 Типы льда, встречающиеся в криолитозоне и их изменения с глубиной (погребенный, повторно-жильный) Мерзлые породы характеризуются разным содержанием подземного льда, особенностями его распределения в породах. Конституционный лед находится в различных многолетнемерзлых породах. В случае если порода владеет большую влажность, то вода, замерзая и преобразуясь в лед, скрепляет, цементирует ее зерна или же их скопления. Подобный лед-цемент развит чаще всего. Лед, который цементирует дисперсные породы, увеличивает их крепкость. Понятие льдистость породы охарактеризовывает количество содержащегося в ней льда. В случае если порода долговечная, скальная, то лед заполняет в ней все поры и трещинки, которые образовались, конечно, до начала вымерзания горной породы. В случае если глинистые породы начинают вымерзать, то влага, содержащаяся в них, мигрирует к фронту вымерзания, где образуются прослои - шлиры льда разной мощности: от нескольких сантиметра до 0,5 м. Эти породы характеризуются значительно большей льдистостью, а шлиры (прослои льда в промерзлой породе) льда образуют различные криогенные текстуры - сетчатые, слоистые, линзовидные, атакситовые (текстуры горных пород, характеризующиеся хаотичным месторасположением участков различной формы и разного минералогического состава), порфировидные и др. Породы, имеющие шлиры льда, при оттаивании теряют крепкость и дают осадок. Льдистость, как правило, возрастает в горных породах вверх по разрезу, а с наращиванием глубины снижается. В случае если в промерзлые породы приникает вода из таликов или же напорных подмерзлотных вод, то появляются инъекционные льды, мощность которых и длина достигают десятков метров. В краевых участках горно-долинных и покровных ледников при их таянии и отступании отдельные массивы льда засыпаются моренами и обвалами, и за это время появляется погребенный лед, который длительное время не тает. В случае если порода образовалась до начала вымерзания, то в ней появляются эпигенетические льды, а в случае, если вымерзание случается в одно и тоже время с образованием породы, то она характеризуется сингенетическим льдом. 10.3 Типы подземных вод, встречающиеся в криолитозоне: надмерзлотные, межмерзлотные, внутримерзлотные, подмерзлотные Образование многолетнемерзлых пород, являющихся водоупорами, существенно изменило водообмен атмосферных и подземных вод в криолитозоне. Значительная доля пресных подземных вод в криолитозоне приурочена к таликам. Таликами, или же талыми зонами, называются толщи талых горных пород, которые развиты на поверхности земли или же под водоемами и речками, 97 возрастом больше 10 лет. В случае если талики подстилаются снизу промерзлыми породами, то они называются надмерзлотными, или же несквозными, а в случае, если талики лишь только обрамляются по бокам промерзлыми породами, как стенами, то они называются сквозными. Талики еще имеют все шансы быть межмерзлотными и внутримерзлотными в форме линз «тоннелей», «труб», ограничены со всех сторон промерзлыми породами. Подземные воды криолитозоны по отношению к промерзлым породам криогенным водоупорам - разделяются на: 1) надмерзлотные; 2) межмерзлотные, 3) внутримерзлотные и 4) подмерзлотные воды. 1. Надмерзлотные подземные воды разделяются на кратковременные воды инициативного слоя и неизменные воды несквозных таликов. Кратковременные воды существуют только летом, и глубина их залегания не выше кровли промерзлых пород. Воды имеют весомое значение для процессов солифлюкции, образования курумов, оплывин, пучения пород. Неизменные воды связаны с несквозными таликами над кровлей промерзлых пород, и они отвечают за образование гидролакколитов, бугров пучения, наледей. 2. Межмерзлотные воды, как правило, размещаются меж 2-мя слоями промерзлых пород, к примеру, между голоценовым верхним и реликтовым, позднемиоценовым, нижним. Эти воды чаще всего динамически не функциональны. 3. Внутримерзлотные воды, образуются изнутри толщи промерзлых пород и присутствуют в небольших размерах, будучи приуроченными к таликам в карстующихся известняках. 4. Подмерзлотные воды циркулируют близко к подошве промерзлой толщи, имеют положительные температуры, временами слабо или крепко минерализованы и разделяются на напорные и ненапорные, а являются контактирующими с промерзлой породой или же неконтактирующими, т. е. отгороженными слоем талых пород от промерзлых. 10.4 Мерзлотно-геологические процессы и возникающие в результате их деятельности формы рельефа Криогенные (мерзлотные) процессы - это экзогенные геологические процессы и явления, обусловленными, в первую очередь, сезонным или же долголетним вымерзанием и протаиванием горных пород/ грунтов. Более значимый практический смысл имеют: пучение; морозобойное трещинообразование; подземные льды; термокарст; наледи; солифлюкция и др. Пучением именуется неравномерное наращивание размера грунтов в процессе их вымерзания (рисунок 61). Оно случается за счет расширения (на 9 %) содержащейся в грунте воды при ее кристаллизации и в итоге замерзания воды, поступающей из талой зоны к фронту вымерзания. Пучение имеется во всей области распространения сезонно - и многолетнемерзлых дисперсных по98 род. Различают пучение в замкнутой (или замкнутой) и раскрытой системе. Пучение в замкнутой системе, т.е. без подтока воды снаружи, как правило, не выше первых % от глубины промерзающего слоя. При подтоке воды снаружи вертикальное пучение грунтов растет, достигая 10-% от глубины вымерзания. В рельефе данный процесс выражается в облике бугров пучения всевозможных объемов. Пучение имеет сезонный (повторяющийся из года в год) или же долголетний формат. В итоге долголетнего пучения складываются большие бугры, или же крупные холмы (пинго, булгунняхи), с поперечником до сотен метров и высотой до 30–40 м. Яркой чертой пучения считается его неравномерность, которая оценивается отношением разнице вертикального движения 2-ух точек плоскости к расстоянию между ними. С сезонными процессами пучения - осадки грунта связано вымораживание опор неглубокого заглубления, столбов и каменного материала в слое сезонного вымерзания - протаивания. Развитие морозобойных трещин случается под воздействием температурных напряжений, образующихся в массиве промерзлых пород в итоге их неравномерного сжатия в процессе замораживании в плоскости. Сообразно фактическим исследованиям и теоретическим представлениям в однородных грунтах появляется система параллельных трещин, разбивающих массив на полосы приблизительно схожей ширины, а полосы делятся поперечными трещинами на четырехугольные полигоны. 99 Рисунок 61 - Наледи [89] Образующийся при данном явлении полигональный микрорельеф пользуется широким распространением на участках криолитозоны. Более распространены полигоны поперечником от 8 м до 20 м. Проникающая в трещины вода подмерзает в их в форме холодных конусовидных жил. Таким образом, морозобойные трещины в природных условиях играют огромную роль в формировании больших масс подземного льда. Подземный лед наличествует в многолетнемерзлых породах в облике породообразующего минерала (лед-цемент, прожилки и прослойки шириной до первых сантиметров), больших холодных тел разной формы, объемов и происхождения. Между залежеобразующих подземных льдов большим распространением пользуются жильные, пластовые и линзообразные. На территории криолитозоны они встречаются везде. Тем более популярны отложения «ледового комплекса» в низовьях Яны, Индигирки и Колымы, где вертикальная мощность холодных жил достигают 40–50 м, а их суммарный размер превосходит размер вмещающих промерзлых 100 пород. Залегание подземных льдов на малой глубине создает возможности для становления термокарста. Термокарст - это провально-просадочные формы микро- и мезорельефа в итоге вытаивания подземных льдов (воронки, провальные ямы, западины, «блюдца", котловины). Термокарст - специфичное проявление криолитозоны, с особенными, лишь только ему свойственными образованиями, к примеру, полигональный бугристо-западинный микрорельеф, термокарстовые озера и др. Термокарст проявляется под воздействием изменившихся критериев термообмена на плоскости земли, за которыми идут следом наращивание глубины оттаивания вплоть до залегания подземного льда и просадки верхних оттаявших слоев. Возникшие понижения заполняются водой, что, в свою очередь, приводит к значительному потеплению плоскости грунта. В случае если глубина сформировавшегося небольшого водоема выше определенной критичной для данной зоны значения, процесс термокарста делается необратимым. Под довольно большими термокарстовыми озерами многолетнемерзлых пород протаивают на всю мощность, т.е. образуются сквозные талики. В связи с наблюдаемым потеплением климата предполагается активизация термокарста. По некоторым оценкам, в Центральной Якутии к середине XXI века возможность формирования термокарстовых озер вырастет в 3–5 раз. Местное освоение земель сопровождается со снятием растительного покрова, повышенным тепловыделением инженерных сооружений и другими причинами, содействующими активизации термокарста. При данных условиях самую большую угрозу создает утрата стойкости инженерных сооружений вследствие неравномерных просадок оттаивающих грунтов. Данное обстоятельство нужно принимать во внимание при изысканиях под социально-бытовые и жилые объекты криолитозоны, наиболее выделяя участки, на которых глубина оттаивания (с учетом динамики климата и техногенных воздействий) имеет возможность превысить глубину залегания подземных льдов и высокольдистых грунтов. Наледи предполагают собой холодные образования, формирующиеся в зимнее время за счет неоднократного излияния на поверхность и послойного замерзания подземных, речных, озерных, а еще хозяйственно-бытовых вод (рисунок 46). Основная масса наледи распространена на территории криолитозоны. Ключевой предпосылкой их образования считается подъем гидростатического давления и сужение живого сечения струй поверхностных или же подземных вод в процессе сезонного вымерзания. Прорыв воды на поверхность снимает лишнее давление в аква системе, и излияние прекращается до тех пор, пока же натиск не вырастет до величины, превосходящей твердость промерзлой кровли. Преобладающая доля наледи приурочена к речным равнинам. 101 В зависимости от генезиса принято отличать наледи: речных вод; подземных вод; смешанного происхождения (наземных и подземных вод). Наиболее большими считаются наледи подземных вод и смешанного происхождения. В определенный подтип выделяют большие наледи, или же тарыны. Некоторые тарыны достигают больших объемов. К примеру, площади множества наледей на Северо-востоке РФ измеряются десятками квадратных км, а мощность льда достигает 8–10 м. Наледи серьезно мешают эксплуатации дорог, аэродромов и иных сооружений. 102 Список использованных источников Безуглова О. С. Почва, ее место и роль в природе. Соросовский образовательный журнал. № 12. 1999. - С. 40-46. 2. Богословский Б. Б. Основы гидрогеологии суши. Реки, озера, водохранилища. Минск: Изд-во БГУ, 1974. - 214 c. 3. Бушинский Г. И., Теняков В. А. Выветривание - процессы, породы и руды // Литология и полезные ископаемые. № 5. 1977. - С. 10-19. 4. Войткевич Г. В. Геологическая хронология Земли. М.: Наука, 1984. - 129 с. 5. Головин Ю. И. Вода и лед - знаем ли мы о них достаточно? Соросовский образовательный журнал. Т. 6. № 9. 2000. - С. 66-72. 6. Клиге Р. К., Данилов И. Д., Конищев В. Н. История гидросферы. М.: Научный мир, 1988. - 368 с. 7. Короновский Н. В. Гидротермальные образования в океанах. Соросовский образовательный журнал. № 10. 1999. - С. 55-62. 8. Короновский Н.В., Старостин В.И., Авдонин В.В. Геология для горного дела/ Н.В. Короновский, В.И.Старости, В.В.Авдонин. М.: Академия, 2007. - 576 с. 9. Короновский Н.В. Общая геология/ Н.В. Короновский. М.: КДУ, 2012. - 526 с 10. Короновский, Н. В. Общая геология / Н.В. Короновский. - М.: Academia, 2018. - 480 c. 11. Лисицын А. П. Литология литосферных плит// Геология и геофизика. Т. 42. 2001. - С. 522-559. 12. Мильничук, В.С. Общая Геология / В.С. Мильничук. - М.: Книга по Требованию, 2020. - 408 c. 13. Михайлов В. Н. Гидрология устьев рек. М.: МГУ, 1998. - 176 с. 14. Михайлов В. Н. Речные дельты: строение, образование, эволюция. Соросовский образовательный журнал. Т. 7. № 3. 2001. С. 59-66. 15. Некрасов И. А. Вечна ли вечная мерзлота? М.: Недра, 1991. - 128 с. 16. Ронов А.Б., Ярошевский А.А., Мигдисов А.А. Химическое строение земной коры и геохимический баланс главных элементов. / А.Б. Ронов, А.А.Ярошевский, А.А. Мигдисов. М. :Наука, 1990. - 182 с. 17. Сафьянов Г. А. Эстуарии. М.: Мысль, 1987. -189 с. 18. Соловьев В.О. Историческая геология: учебное пособие / В.О. Соловьев, Э.С. Тхоржевский. - Х.: ХНАДУ, 2013. - 240 с. 19. Хаин В. Е. Основные проблемы современной геологии (геология на пороге XXI века). М.: Наука, 1994. - 348 с. 20. Хаин В. Е., Ломизе М. Г. Геотектоника с основами геодинамики. М.: КДУ, 2005. - 559 с. 21. Чалов Р. С. Почему размываются берега рек. Соровский образовательный журнал. Т. 6. № 2. 2000. С. 99-106. 1. 103 Чистяков А. А., Макарова Н. В., Макаров В. И. Четвертичная геология. М.: ГЕОС, 2000. - 303 с. 23. Институт геологии Карельского научного центра Российской академии наук: [Электронный ресурс]. URL: http://geoserv.krc.karelia.ru (Дата обращения: 12.06.2021). 24. Научная электронная библиотека: [Электронный ресурс]. URL: http://elibrary.ru (Дата обращения: 07.06.2021). 25. Институт геотехники и инженерных изысканий в строительстве: [Электронный ресурс]. URL: http://igiis.ru (Дата обращения: 24.05.2021). 26. Коллекция рефератов: [Электронный ресурс]. URL: http://otherreferats.allbest.ru (Дата обращения: 11.05.2021). 27. ЭБС "Консультант студента": [Электронный ресурс]. URL: http://studentlibrary.ru (Дата обращения: 25.04.2021). 28. Файловый архив для студентов: [Электронный ресурс]. URL: http://studfiles.ru (Дата обращения: 12.04.2021). 29. https://zen.yandex.ru/media/id/5c55ef1c58518100ad03acc7/trudyvelikogo-aristotelia-5eb942fc8082e876cdb2e567(Дата обращения: 01.10.2021). 30. https://zen.yandex.ru/media/id/5cadd2cf076adf00aeb4a902/avicennaavicenna-5fcdbd658f8c7853ed4ebd2c (Дата обращения: 01.10.2021). 31. https://istoriirossii.ru/nauka/5-11-veka/573-traktaty-al-biruni-obastrolyabiyah.html (Дата обращения: 01.10.2021). 32. https://autogear.ru/post/art/20/18/12/19/43288/ (Дата обращения: 01.10.2021). 33. https://rgnp.ru/biografia-georgia-agrikoly-biografia-agrikoly-g-fotovideo/ (Дата обращения: 01.10.2021). 34. https://zen.yandex.ru/media/id/5f6f6a9f71d26c32b8dde4b0/kto-zapretilkopernika-6041c97b3e8e522ea5b2b2f7 (Дата обращения: 01.10.2021). 35. https://fb.ru/article/433413/arifmometr-leybnitsa-istoriya-sozdaniyaosobennosti-opisanie-foto (Дата обращения: 01.10.2021). 36. https://www.wikiwand.com/ru/Вернер,_Абраам_Готлоб (Дата обращения: 01.10.2021). 37. https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Геттон,_Джеймс (Дата обращения: 01.10.2021). 38. https://radiosputnik.ria.ru/20210103/1591866225.html?chat_room_id=1 591866225 (Дата обращения: 01.10.2021). 39. https://bathselfcatering.net/local-attractions/william-smith/ (Дата обращения: 01.10.2021). 40. https://twitter.com/strf_news/status/765061644284260352?lang=ga (Дата обращения: 01.10.2021). 41. https://rgnp.ru/biografia-carlza-lajela-biografia-lajela-c-foto-video/ (Дата обращения: 01.10.2021). 42. https://rasskazchic93.livejournal.com/24144.html?view=comments (Дата обращения: 01.10.2021). 22. 104 https://rgnp.ru/kovalevskij-aleksandr-onufrievic-podrobnaa-biografia/ (Дата обращения: 01.10.2021). 44. https://chaivo.livejournal.com/299965.html (Дата обращения: 01.10.2021). 45. https://theconversation.com/space-bling-jewelled-lageos-satellites-helpus-to-measure-the-earth-76948 (Дата обращения: 01.10.2021). 46. https://present5.com/lekciya-1-nauka-inzhenernaya-geologiyaproisxozhdenie-i/(Дата обращения: 01.10.2021). 47. https://klike.net/2515-kartinki-vnutrennee-stroenie-zemli-30-foto.html (Дата обращения: 01.10.2021). 48. https://facenewss.ru/bez-rubriki/temperatyra-glybin-zemli-temperatyrapod-poverhnostu-zemli (Дата обращения: 01.10.2021). 49. https://myslide.ru/presentation/planeta-zemlya-13 (Дата обращения: 01.10.2021). 50. https://present5.com/cel-kursa-geologiya-morej-i-okeanov-formirovanieosnov/ (Дата обращения: 01.10.2021). 51. https://www.rapakivi.dk/html_rapakivi_finland/onas.html 52. https://studfile.net/preview/551399/ (Дата обращения: 01.10.2021). 53. https://m.studme.org/297217/geografiya/intruzivnyy_magmatizm (Дата обращения: 01.10.2021). 54. https://bigenc.ru/geology/text/2627609 (Дата обращения: 01.10.2021). 55. https://theslide.ru/uncategorized/vulkanizm-na-zemle-i-egogeograficheskie (Дата обращения: 01.10.2021). 56. https://twitter.com/szharangi/status/972940749418500097 (Дата обращения: 01.10.2021). 57. https://zen.yandex.ru/media/liberta/jenskoe-lico-vulkana5e84232d98b4c86819a62514 (Дата обращения: 01.10.2021). 58. https://novayaepoxa.com/izverzhenie-vulkana-na-gavayyakh-snyali-n/ (Дата обращения: 01.10.2021). 59. https://bookonlime.ru/lecture/glava-15-magmatizm (Дата обращения: 01.10.2021). 60. http://wiki-org.ru/wiki/Тектоническая_дислокация (Дата обращения: 01.10.2021). 61. https://present5.com/lekciya-5-osnovnye-strukturnye-edinicy-zemnojkory-relef/ (Дата обращения: 01.10.2021). 62. https://en.ppt-online.org/480345 (Дата обращения: 01.10.2021). 63. https://ridero.ru/books/vot_prishlo_zemletryasenie/freeText (Дата обращения: 01.10.2021). 64. https://discoveryenlaescuela.com/videos/sabes-que-senales-indican-unproximo-sismo/ (Дата обращения: 01.10.2021). 65. https://www.iadc-dredging.com/tag/tsunamis/ (Дата обращения: 01.10.2021). 66. https://dwgformat.ru/2021/03/15/kak-izmenyatsya-sejsmicheskie-normyrf/amp/ (Дата обращения: 01.10.2021). 43. 105 https://mypresentation.ru/presentation/1568419564_metamorfizm (Дата обращения: 01.10.2021). 68. https://present5.com/geologicheskie-processy-vyvetrivanie-plan-lekcii-nn/ (Дата обращения: 01.10.2021). 69. https://catherineasquithgallery.com/serye-fony/2179-seryj-obemnyj-fon152-foto.html (Дата обращения: 01.10.2021). 70. https://twitter.com/SMORODINADOTCOM/status/1118380035004686 341 (Дата обращения: 01.10.2021). 71. https://present5.com/lekciya-6-ekzogennye-geologicheskie/ (Дата обращения: 01.10.2021). 72. https://twitter.com/hashtag/jeomorfoloji?src=hash&lang=zh-tw (Дата обращения: 01.10.2021). 73. https://stavropolnews.ru/news/obshchestvo-avtomobilistam/rosavtodordorozhnye-sluzhby-operativno-ustranyayut-posledstviya (Дата обращения: 01.10.2021). 74. https://alpindustria.ru/tour/gallery/351.html?&page=0 (Дата обращения: 01.10.2021). 75. https://present5.com/lekciya-5-ekzogennye-geologicheskie-processyklassifikaciya-ekzogennyx/ (Дата обращения: 01.10.2021). 76. https://studfile.net/preview/9614970/ (Дата обращения: 01.10.2021). 77. https://moscsp.ru/harakteristika-form-relefa-elementy-i-formyrelefa.html (Дата обращения: 01.10.2021). 78. https://yandex.ru/images/search?from=tabbar&text=Дельта%20реки%2 0из%20космоса&pos=1&img_url=https%3A%2F%2Fjaneadamsart.files.wordpress. com%2F2013%2F12%2Fdelta-veins-river-lena-russia.jpg&rpt=simage (Дата обращения: 01.10.2021). 79. https://yesofcorsa.com/estuary/ (Дата обращения: 01.10.2021). 80. https://ru.wiktionary.org/wiki/лиман (Дата обращения: 01.10.2021). 81. https://travelask.ru/questions/80391-kakovo-znachenie-podzemnyh-voddlya-cheloveka (Дата обращения: 01.10.2021). 82. https://ros-pipe.ru/tekh_info/tekhnicheskie-stati/gidrogeologiya/promyslovaya-klassifikatsiya-vod/ (Дата обращения: 01.10.2021). 83. https://studme.org/297207/geografiya/opolzni (Дата обращения: 01.10.2021). 84. http://bibl.tikva.ru/base/B1741/B1741Part58-262.php (Дата обращения: 01.10.2021). 85. https://en.wikipedia.org/wiki/File:Aerial_Crater_Lake.jpg (Дата обращения: 01.10.2021). 86. https://placepic.ru/priroda/ozero-issyk-kul-60-foto.html (Дата обращения: 01.10.2021). 87. https://fishki.net/mix/2861776-karelyskie-bolota.html (Дата обращения: 01.10.2021). 67. 106 https://infourok.ru/prezentaciya-k-uroku-po-geografii-na-temu-vodisushi-podzemnie-vodi-mezhplastovie-i-gruntovie-ledniki-gornoe-pokrovnoeoledeneni-2703099.html (Дата обращения: 01.10.2021). 89. https://ok.ru/jetoaltay/topic/67684980842565 (Дата обращения: 01.10.2021). 88. 107
