Студопедия КАТЕГОРИИ: АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
ФОРМА, РАЗМЕРЫ И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИСтр 1 из 44Следующая ⇒ Основы геологии Учебное пособие для студентов специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых»
Березники 2008 УДК 551.1/.4. ББК 26.3 Б 43
Рецензенты:
доктор геолого-минералогических наук И.И.Чайковский (Горный институт УрО РАН), кандидат технических наук Б.В.Титов (БФ Пермс. гос. техн. ун-та)
Белкин, В.В. Б43 Основы геологии: учеб. пособие/ В.В.Белкин.- Перм. гос. техн. ун-т. – Березниковский филиал, 243 с.
ISBN
Изложено содержание курса «Геология», контрольные вопросы, рекомендуемая литература для студентов специальности «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых» при изучении основ геологии.
УДК 551.1/.4. ББК 26.3 Б 43
ã ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет», 2008 ISBN
СОДЕРЖАНИЕ стр. Введение……………………………………………………......................………8 Часть I. Основные данные о Земле и земной коре…........................……… 13 · Глава 1. Форма, размеры и строение Земли…...................……. 13 o 1.1. Форма и размеры Земли…………….......................……13 o 1.2. Внутреннее строение Земли………......................…......15 o 1.3. Термодинамические условия………......................……18 § Плотность. Давление. Ускорение силы тяжести ......18  § Магнетизм. Магнитное поле Земли. Тепловой режим Земли ……………………...........................................19 § Температура внутри Земли. Средний химический состав Земли………………......………………21 · Глава 2. Вещественный состав земной коры…………………..25 o 2.1. Химический состав земной коры………………………25 o 2.2. Минералы………………………………………………..25 § Физические свойства минералов….............................27 § Оптические свойства минералов….............................28 § Механические свойства минералов.............................29 § Классификация минералов и их описание..................30 § Классы самородных элементов и сульфидов ..30 § Класс галоидных соединений…………………31 § Класс оксидов и гидроксидов…………………32 § Класс карбонатов………………………………34 § Класс сульфатов………………………………..35 § Класс фосфатов……………...............................34 § Класс силикатов………………………………..36 o 2.3. Горные породы………………………………………….40 § Наиболее распространенные магматические породы. Нормальный ряд…………………………………...43 § Щелочной ряд…………………………………………46 § Осадочные горные породы…………..........................47 § Метаморфические горные породы ………………….54 § Породы регионального метаморфизма……………...55 · Глава 3. Строение земной коры, мантии и ядра Земли…....…58 o 3.1. Строение земной коры …………………………………58 § Континентальный тип земной коры............................58 § Океанская кора………………………………………..60 o 3.2. Состав и состояние вещества мантии и ядра Земли.....61
Часть II. Геологические процессы…………………………………………...66 Экзогенные процессы…………………………………………….....................66 · Глава 4. Выветривание…………………………………………...66 o 4.1. Физическое выветривание………………......................66 o 4.2. Химическое выветривание …………………………….69 § Окисление……………………………………………..69 § Гидратация…………………………………………….70 § Растворение…………………………………………....70 § Гидролиз ………………………………………………70 o 4.3. Кора выветривания……………………….......................71 o 4.4. Кора выветривания и полезные икопаемые…....….…..76 o 4.5. Почвы и почвообразование…………….........................76 · Глава 5. Геологическая деятельность ветра……………..…….79 o 5.1. Перенос……………………………………………..……80 o 5.2. Аккумуляция и эоловые отложения……………….…. 80 § Формы эолового песчаного рельефа……………..… 82 · Глава 6. Геологическая деятельность поверхностных текучих вод……………….........................................................................85 o 6.1. Плоскостной склоновый сток………………..………...85 o 6.2. Деятельность временных русловых потоков………….86 o 6.3. Деятельность рек…………………………………..……88 § Речная эрозия ………………………………...……….89 § Перенос……………………………..............................90 § Аккумуляция…………………………………...….…...91 o 6.4. Строение пойм и фациальный состав аллювия …........92 o 6.5. Цикловые эрозионные врезы и надпойменные речные террасы…………………………………….........…………93 o 6.6. Устьевые части рек………………………..……………95 o 6.7. Теоретическое и практическое значение деятельности рек………………......……………………………… 97 · Глава 7. Геологическая деятельность подземных вод…........101 o 7.1. Виды воды в горных породах…………………….…..101 § Водноколлекторские свойства горных пород ….....101 o 7.2. Происхождение подземных вод………..…………… 104 o 7.3. Классификация подземных вод………………………105 o 7.4. Грунтовые воды и их режим …………………………106 o 7.5. Напорные подземные воды …………..........................109 o 7.6. Общая минерализация и химический состав подземных вод………………....................……………………….111 o 7.7. Минеральные воды …………………………………...114 o 7.8. Карстовые процессы…………………......................... 115 o 7.9. Оползневые процессы…………………………………118 · Глава 8. Геологическая деятельность ледников......................122 o 8.1. Типы ледников…………………………...…………… 122 § Антарктический ледник……………………………..122 § Гренландский ледник………………………………..123 § Горные ледники…………………...............................124 o 8.2. Движение ледников…………………………...……… 125 o 8.3. Ледниковое разрушение и осадкообразование.....…..126 o 8.4. Переносная и аккумулятивная деятельность ледников…………………………………………………………...127 § Отложенные морены……………...............................128 o 8.5. Флювиогляциальные или водно-ледниковые отложения……………………………............................................130 o 8.6.Отложения в перигляциальных областях…….............132 § Зандры ……………………………………………….132 § Лимногляциальные………………………………….132 § Лессы............................................................................133 · Глава 9. Геологическая деятельность океанов и морей ....…135 o 9.1. Основные особенности подводного рельефа океанов и морей...............................................................................135 o 9.2. Химические и физические свойства вод океанов и морей……….......................…........................................137 o 9.3. Органический мир океанов и морей………………….139 o 9.4. Разрушительная деятельность моря………………….142 o 9.5. Образование осадков в океанах и морях и их генетические типы………………………………………………..144 § Генетические типы донных осадков…................….145 § Типы рифов…………………………………………..150 § Вулканогенные осадки………...................................151 o 9.6. Диагенез и последиагенетические изменения осадочных пород …………………………………………………154 o 9.7. Понятие о фациях…………………….......................... 157 Эндогенные процессы…………………………..…………….........................160 · Глава 10. Магматизм……………………………….……………160 o 10.1. Понятие о магме…………………………………….. 160 o 10.2. Интрузивный магматизм…………………….………163 o 10.3. Вулканизм…………………………………….………167 § 10.3.1. Продукты извержения вулканов…….......…167 § 10.3.2. Типы вулканических построек……….……171 § 10.3.3. Типы вулканических извержений…………173 § 10.3.4. Поствулканические явления ……........……175 § 10.3.5. Географическое распространение современных вулканов и проблема магматических очагов…………….............................…….177 · Глава 11. Метаморфизм…………………………...…………… 180 o 11.1. Факторы метаморфизма …………………………….180 o 11.2. Основные типы метаморфизма…………………….. 181 o 11.3. Понятие о фациях метаморфизма….......................... 183 · Глава 12. Современные и новейшие тектонические движения и методы их изучения ………….....................................…185 o 12.1. Современные вертикальные движения……........…..186 o 12.2. Современные горизонтальные движения .......……..186 o 12.3. Новейшие движения и методы их изучения..............188 · Глава 13. Тектонические нарушения………………………….194 o 13.1. Деформации и нарушения …………………………..195 o 13.2. Складчатые нарушения ……………………………..197 o 13.3. Разрывные нарушения……………………………….202 § Основные типы тектонических разрывов................ 203 § Сочетание разрывов и их соотношение со складчатостью………….......................................................205 § Соляная тектоника………………..............................207 · Глава 14. Землетрясения……………………………………….. 209 o 14.1. Очаг, сейсмические волны, магнитуда и энергия землетрясений…………………………………………………….209 o 14.2. Географическое распространение и тектонический контроль землетрясений…………......……….213 o 14.3. Сейсмическое районирование и прогноз землетрясений…………………………………………………….215 · Глава 15. Основные структурные элементы земной коры...........................................................................................................218 Часть III. Основы исторической геологии ………………………………..225 · Глава 16. Относительная и абсолютная геохронология и методы реконструкции геологического прошлого………...............225 o 16.1. Относительная геохронология………………………227 o 16.2. Абсолютная геохронология …………………………230 o 16.3. Периодизация истории земли и международные геохронологическая и стратиграфическая шкалы…............…...232 o 16.4. Местные стратиграфические подразделения…………………………………………………….235 o 16.5. Восстановление физико-географических обстановок геологического прошлого…..................................... 236 o 16.6. Тектонические движения геологического прошлого и взаимоотношения пластов горных пород………………………………………………………………240 o 16.7. История развития земной коры……..........................242
ВВЕДЕНИЕ Геология (греч. "гео" - земля, "логос" - учение) - одна из важнейших наук о Земле. Она занимается изучением состава, строения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук – математики, физики, химии, биологии, географии. Значительный прогресс в указанных областях наук и геологии ознаменовался появлением и развитием важных пограничных наук о Земле – геофизики, геохимии, биогеохимии, кристаллохимии, палеогеографии, позволяющих получить данные о составе, состоянии и свойствах вещества глубоких частей земной коры и оболочек Земли, расположенных ниже. Особо следует отметить многостороннюю связь геологии с географией (ландшафтоведением, климатологией, гидрологией, гляциологией, океанографией) в познании различных геологических процессов, совершающихся на поверхности Земли. Взаимосвязь геологии и географии особенно проявляется в изучении рельефа земной поверхности и закономерностей его развития. Геология при изучении рельефа использует данные географии, так же как и география опирается на историю геологического развития и взаимодействия различных геологических процессов. Вследствие этого наука о рельефе – геоморфология – фактически является также пограничной наукой. По геофизическим данным в строении Земли выделяется несколько оболочек: земная кора, мантия и ядро Земли. Предметом непосредственного изучения геологии являются земная кора и подстилающий твердый слой верхней мантии - литосфера (греч. "литос" - камень). Сложность изучаемого объекта вызвала значительную дифференциацию геологических наук, комплекс которых совместно с пограничными науками (геофизикой, геохимией и др.) позволяет получить освещение различных сторон его строения, сущность совершающихся процессов, историю развития и др. Одним из нескольких основных направлений в геологии является изучение вещественного состава литосферы: горных пород, минералов, химических элементов. Одни горные породы образуются из магматического силикатного расплава и называются магматическими или изверженными, другие – путем осаждения и накопления в морских и континентальных условиях и называются осадочными; третьи – за счет изменения различных горных пород под влиянием температуры и давления, жидких и газовых флюидов и называются метаморфическими. Изучением вещественного состава литосферы занимается комплекс геологических наук, объединяющихся часто под названием геохимического цикла. К ним относятся: петрография (греч. "петрос" - камень, скала, "графо" - пишу, описываю), или петрология - наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их состав, структуру, условия образования, степень изменения под влиянием различных факторов и закономерность распределения в земной коре. Литология (греч. "литос" - камень) – наука, изучающая осадочные горные породы. Минералогия - наука, изучающая минералы: природные химические соединения или отдельные химические элементы, слагающие горные породы. Кристаллография и кристаллохимия занимаются изучением кристаллов и кристаллического состояния минералов. Геохимия – обобщающая синтезирующая наука о вещественном составе литосферы, опирающаяся на достижения указанных выше наук и изучающая историю химических элементов, законы их распределения и миграции в недрах Земли и на ее поверхности. С рождением изотопной геохимии в геологии открылась новая страница в восстановлении истории геологического развития Земли. Изучение вещественного состава литосферы, как и других процессов, производится различными методами. В первую очередь это прямые геологические методы – непосредственное изучение горных пород в естественных обнажениях на берегах рек, озер, морей, разрезов шахт, рудников, кернов буровых скважин. Все это ограничено относительно небольшими глубинами. Наиболее глубокая, пока единственная в мире, Кольская скважина достигла всего лишь 12,5 км. Но более глубокие горизонты земной коры и прилежащей части верхней мантии также доступны непосредственному изучению. Этому способствуют извержения вулканов, доносящие до нас обломки пород верхней мантии, заключенные в излившейся магме – лавовых потоках. Такая же картина наблюдается в алмазоносных трубках взрыва, глубина возникновения которых соответствует 150–200 км. Помимо указанных прямых методов в изучении веществ литосферы широко применяются оптические методы и другие, физические и химические исследования – рентгеноструктурные, спектро-графические и др. При этом широко используются математические методы на основе ЭВМ для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород и минералов и др. В последние десятилетия применяются, в том числе и с помощью ЭВМ, экспериментальные методы, позволяющие моделировать геологические процессы; искусственно получать различные минералы, горные породы; воссоздавать огромные давления и температуры и непосредственно наблюдать за поведением вещества в этих условиях; прогнозировать движение литосферных плит и даже, в какой-то степени, представить облик поверхности нашей планеты в будущие миллионы лет. Следующим направлением геологической науки является динамическая геология, изучающая разнообразные геологические процессы, формы рельефа земной поверхности, взаимоотношения различных по генезису горных пород, характер их залегания и деформации. Известно, что в ходе геологического развития происходили многократные изменения состава, состояния вещества, облика поверхности Земли и строения земной коры. Эти преобразования связаны с различными геологическими процессами и их взаимодействием. Среди них выделяются две группы: 1) эндогенные (греч. "эндос" - внутри), или внутренние, связанные с тепловым воздействием Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, с гравитационной энергией и ее неравномерным распределением; 2) экзогенные (греч. "экзос" - снаружи, внешний), или внешние, вызывающие существенные изменения в поверхностной и приповерхностной частях земной коры. Эти изменения связаны с лучистой энергией Солнца, силой тяжести, непрерывным перемещением водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной коры, с жизнедеятельностью организмов и другими факторами. Все экзогенные процессы тесно связаны с эндогенными, что отражает сложность и единство сил, действующих внутри Земли и на ее поверхности. В область динамической геологии входит геотектоника (греч. "тектос" - строитель, структура, строение) – наука, изучающая структуру земной коры и литосферы и их эволюцию во времени и пространстве. Частные ветви геотектоники составляют: структурная геология, занимающаяся формами залегания горных пород; тектонофизика, изучающая физические основы деформации горных пород; региональная геотектоника, предметом изучения которой служит структура и ее развитие в пределах отдельных крупных регионов земной коры. Важными разделами динамической геологии являются сейсмология (греч. "сейсмос" - сотрясение) - наука о землетрясе-ниях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами. История геологического развития земной коры и Земли в целом является предметом изученияисторической геологии, в состав которой входит стратиграфия (греч. "стратум" - слой), занимающаяся последова-тельностью формирования толщ горных пород и расчленением их на различные подразделения, а также палеогеография (греч. "паляйос" - древний), изучающая физико-географические обстановки на поверхности Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры. Расчленение толщ горных пород и установление относительного геологического возраста слоев невозможны без изучения ископаемых органических остатков, которым занимается палеонтология, тесно связанная как с биологией, так и с геологией. Следует подчеркнуть, что важной геологической задачей является изучение геологического строения и развития определенных участков земной коры, именуемых регионами и обладающих какими-то общими чертами структуры и эволюции. Этим занимается обычно региональная геология, которая практически использует все перечисленные ветви геологической науки, а последние, взаимодействуя между собой, дополняют друг друга, что демонстрирует их тесную связь и неразрывность. При региональных исследованиях широко используются дистанционные методы, когда наблюдения осуществляются с вертолетов, самолетов и с искусственных спутников Земли. Косвенные методы познания, в основном глубинного строения земной коры и Земли в целом, широко используются геофизикой - наукой, основанной на физических методах исследования. Благодаря различным физическим полям, применяемым в подобных исследованиях, выделяются магнитометрические, гравиметрические, электрометрические, сейсмометрические и ряд других методов изучения геологической структуры. Геофизика тесно связана с физикой, математикой и геологией. Одна из важнейших задач геологии – прогнозирование залежей минерального сырья, составляющего основу экономической мощи государства. Этим занимается наука о месторождениях полезных ископаемых, в сферу которой входят как рудные и нерудные ископаемые, так и горючие – нефть, газ, уголь, горючие сланцы. Не менее важным полезным ископаемым в наши дни является вода, особенно подземная, происхождением, условиями залегания, составом и закономерностями движений которой занимается наука гидрогеология (греч. "гидер" - вода), связанная как с химией, так и с физикой и, конечно, с геологией. Важное значение имеет инженерная геология - наука, исследующая земную кору в качестве среды жизни и разнообразной деятельности человека. Возникнув, как прикладная ветвь геологии, занимающаяся изучением геологических условий строительства инженерных сооружений, эта наука в наши дни решает важные проблемы, связанные с воздействием человека на литосферу и окружающую среду. Инженерная геология взаимодействует с физикой, химией, математикой и механикой, с одной стороны, и с различными дисциплинами геологии – с другой, с горным делом и строительством – с третьей. За последнее время оформилась как самостоятельная наука геокриология (греч. "криос" – холод, лед), изучающая процессы в областях развития многолетнемерзлых горных пород "вечной мерзлоты", занимающих почти 50% территории РФ. Геокриология тесно связана с инженерной геологией. С начала освоения космического пространства возникла космическая геология ,или геология планет. Освоение океанских и морских глубин привело к появлению морской геологии, значение которой быстро возрастает в связи с тем, что уже сейчас почти треть добываемой в мире нефти приходится на дно акваторий морей и океанов. Разработка теоретических проблем геологии сочетается с решением ряда народнохозяйственных задач: 1) поиск и открытия новых месторождений различных полезных ископаемых, являющихся основной базой промышленности и сельского хозяйства; 2) изучение и определение ресурсов подземных вод, необходимых для питьевого и промышленного водоснабжения, а также мелиорации земель; 3) инженерно-геологическое обоснование проектов возводимых крупных сооружений и научный прогноз изменения условий после окончания их строительства; 4) охрана и рациональное использование недр Земли. Познание всех закономерностей эволюции Земли, ее происхождения и развития исключительно важно в контексте общего материалистического понимания природы, в тех философских построениях, которые отражают единство мира. В этом заключается общенаучное значение геологии. В основу данного учебного пособия положен курс геологии, читаемый на геологическом факультете МГУ – "Короновский Н.В., Якушова А.Ф. Основы геологии. Учебное издание. М., Высшая школа,1991". Из курса удалена глава "Геологические процессы в областях распространения многолетнемерзлых горных пород", сокращены главы, посвященные истории развития Земли и добавлены некоторые современные сведения.
Часть 1. ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ О ЗЕМЛЕ И ЗЕМНОЙ КОРЕ
Земля, имея форму геоида – эквипотенциальной поверхности, сила тяжести к которой повсеместно направлена перпендикулярно, обладает неоднородностью физических свойств и дифференцированностью состава сферических оболочек: земной коры, мантии, внешнего и внутреннего ядра. Земная кора и верхняя часть верхней мантии, образующие твердую литосферу, подстилаются пластичной астеносферой, играющей важную роль в глубинных геологических процессах. Химический состав Земли близок к среднему химическому составу метеоритов, а состав сферических оболочек резко неоднороден и изменяется с глубиной.
Глава 1. ФОРМА, РАЗМЕРЫ И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ Форма и размеры земли Земля одна из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца. Первые представления о формах и размерах Земли появились еще в глубокой древности. Античные мыслители (Пифагор – V в. до н.э., Аристотель – III в. до н.э. и др.) высказывали мысль, что наша планета имеет шарообразную форму. Геодезические и астрономические исследования последующих столетий дали возможность судить о действительной форме Земли и ее размерах. Известно, что формирование Земли происходило под действием двух сил - силы взаимного притяжения частиц ее массы и центробежной силы, обусловленной вращением планеты вокруг своей оси. Равнодействующей обеих названных сил является сила тяжести, выражаемая в ускорении, которое приобретает каждое тело, находящееся у поверхности Земли. На рубеже XVII и XVIII вв. впервые Ньютон теоретически обосновал
положение о том, что под воздействием силы тяжести Земля должна иметь сжатие в направлении оси вращения и, следовательно, ее форма представляет эллипсоид вращения или сфероид. Степень сжатия зависит от угловой скорости вращения. Чем быстрее вращается тело, тем больше оно сплющивается у полюсов. На рис. 1.1, изображающем эллипсоид вращения, выражена большая экваториальная ось (ЗОВ) и малая полярная ось (СОЮ). Величины а = ЗОВ/2 и в = СОЮ/2 соответствуют полуосям эллипсоида. Сжатие эллипсоида будет выражено (а - в)/а. Разница полярного и экваториального радиусов составляет 21 км. Детальными последующими измерениями, особенно новыми методами исследования с искусственных спутников, было показано, что Земля сжата не только на полюсах, но также несколько и по экватору (наибольший и наименьший радиусы по экватору отличаются на 210 м), т.е. Земля является не двухосным, а трехосным эллипсоидом. Кроме того, расчетами Т. Д. Жонгловича и С. И. Тропининой показана несиммет- ричность Земли по отношению к экватору: южный полюс расположен ближе к экватору, чем северный.
Геоид – некоторая вообража-емая уровенная поверхность, которая определяется тем, что направление силы тяжести к ней всюду перпендикулярно. Эта поверхность совпадает с уровнем воды в Мировом океане, который мысленно проводится под континентами. Это та поверхность, от которой производится отсчет высот рельефа. Поверхность геоида приближается к поверхности трехосного эллипсоида, отклоняясь от него местами на величину 100–150 м (повышаясь на материках и понижаясь на океанах, рис. 1.2.), что, по-видимому, связано с плотностными неоднородностями масс в Земле и появляющимися из-за этого аномалиями силы тяжести. В Советском Союзе в настоящее время принимается эллипсоид Ф. Н. Красовского и его учеников (А. А. Изотова и др.), основные параметры которого подтверждаются современными исследованиями и с орбитальных станций. По этим данным экваториальный радиус равен 6378,245 км, полярный радиус - 6356,863 км, полярное сжатие - 1/298,25. Объем Земли составляет 1,083 • 1012 км3, а масса - 6 • 1027 г. Ускорение силы тяжести на полюсе - 983 см/с2, на экваторе - 978 см/с2.Площадь поверхности Земли около 510 млн. км2, из которых 70,8% представляет Мировой океан и 29,2% – суша. В распределении океанов и материков наблюдается определенная дисимметрия. В Северном полушарии это соотношение составляет 61 и 39%, в Южном – 81 и 19%.
Внутреннее строение земли Изучение внутреннего строения Земли производится различными методами. Геологические методы, основанные на изучении естественных обнажений горных пород, разрезов шахт и рудников, кернов глубоких буровых скважин, дают возможность судить о строении приповерхностной части земной коры. Глубина известных пробуренных скважин достигает 7,5–9,5 км и только одна в мире опытная скважина, заложенная на Кольском полуострове, уже достигла глубины более 12 км при проектной глубине до 15 км. В вулканических областях по продуктам извержения вулканов можно судить о составе вещества на глубинах 50–100 км. В целом же глубинное внутреннее строение Земли изучается главным образом геофизическими методами: сейсмическим, гравиметрическим, магнитометрическим и др. Одним из важнейших методов является сейсмический (греч. "сейсмос" - трясение) метод, основанный на изучении естественных землетрясений и "искусственных землетрясений", вызываемых взрывами или ударными вибрационными воздействиями на земную кору. Очаги землетрясений располагаются на различных глубинах от приповерхностных (около 10 км) до самых глубоких (до 700 км), прослеженных в разломных зонах по окраинам Тихого океана. Возникающие в очаге сейсмические волны как бы просвечивают Землю и дают представление о той среде, через которую они проходят. В очаге (или фокусе) возникают два главных типа волн: 1) самые быстрые продольные Р-волны (т.е. первичные - primary); 2) более медленные поперечные S-волны (т.е. вторичные - secondary). При распространении Р-волн горные породы испытывают сжатие и растяжение (смещение частиц среды вдоль направления волны). Р-волны проходят в твердых и жидких телах земных недр. Поперечные S-волны распространяются только в твердых телах, и с их распространением связаны колебания горных пород под прямым углом к направлению распространения волны (рис. 1.3). При прохождении поперечных волн упругие породы подвергаются деформации сдвига и кручения.
Кроме того, выделяются поверхностные L-волны (т.е. длинные - long), которые отличаются сложными синусоидаль-ными колебаниями вдоль или около земной по-верхности. Регистрация прихода сейсмических волн производится на специальных сейсми-ческих станциях, обору-дованных записывающи-ми приборами – сейсмографами, располо-женными на разных расстояниях от очага. Такое расположение сейсмостанций позволяет судить о скорости рас-пространения колебаний на разных глубинах, поскольку к более отдаленным станциям приходят волны, прошедшие через более глубокие слои Земли. Запись сейсмографом прихода волн называется сейсмограммой. Реальные скорости сейс-мических воли зависят от упругих свойств и плотности горных пород, через которые они проходят. Изменения скорости сейсмических волн отчетливо показывают на неоднородность и расслоенность Земли. О раз-личных слоях и состоянии веществ, их слагающих, указы-вают преломленные и отражен-ные волны от их граничных поверхностей (рис. 1.4). На основании скорости распространения сейсмических волн австралийский сейсмолог К. Буллен разделил Землю на ряд зон, дал им буквенные обозначения в определенных усредненных интервалах глубин, которые используются с некоторыми уточнениями до настоящего времени (рис. 1.5).
Выделяют три главные области Земли: 1. Земная кора (слой А) – верхняя оболочка Земли, мощность которой изменяется от 6–7 км под глубокими частями океанов до 35–40 км под равнинными платформенными территориями кон-тинентов, до 50–70(75) км под горными сооружениями (наибольшие под Гималаями и Андами). 2. Мантия Земли, распространя-ющаяся до глубин 2900 км. В ее пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия – слой В глубиной до 400 км и С – до 800–1000 км (некоторые исследователи слой С называют средней мантией); нижняя мантия – слой D до глубины 2700 с переходным слоем D1 – от 2700 до 2900 км. 3. Ядро Земли, подразделяется: на внешнее ядро – слой Е в пределах глубин 2900–4980 км; переходную оболочку – слой F – от 4980 до 5120 км и внутреннее ядро – слой G до 6971 км. Земная кора отделяется от слоя В верхней мантией достаточно резкой граничной скоростью. В 1909 г. югославский сейсмолог А. Мохоровичич при изучении балканских землетрясений впервые установил наличие этого раздела, носящего теперь его имя и принятого за нижнюю границу земной коры. Часто эту границу сокращенно называют границей Мохо или М. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру, где наблюдается скачкообразное падение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км/с, а поперечные волны гасятся. Внезапное резкое уменьшение
1 По Б. Болту приведены следующие границы отдельных зон: основание слоя С – 670км, слоя D – 2885 км, слой F в интервале 4590–5155 км. Близкие данные в работе В. А. Жаркова.
скорости продольных волн и исчезновение поперечных волн во внешнем ядре свидетельствуют о необычайном состоянии вещества, отличающемся от твердой мантии. Эта граница названа именем Б. Гутенберга. Третий раздел совпадает с основанием слоя F и внутренним ядром Земли (слой G). Термодинамические условия Плотность. Средняя плотность Земли составляет 5,52 г/см3. Горные породы, слагающие земную кору, отличаются малой плотностью. В осадочных породах плотность около 2,4–2,5 г/см3 , в гранитах и большинстве метаморфических пород – 2,7–2,8 г/см3 , в основных магматических породах – 2,9–3,0 г/см 3. Средняя плотность земной коры принимается около 2,8 г/см3. Сопоставление средней плотности земной коры с плотностью Земли указывает на то, что во внутренних оболочках – мантии и ядре, плотность должна быть значительно выше. По имеющимся данным в кровле верхней мантии, ниже границы Мохо, плотность пород составляет 3,3–3,4 г/см 3, у нижней границы нижней ман-тии (глубина 2900 км) – примерно 5,5–5,7 г/см 3, ниже границы Гутенберга (верхняя граница внешнего ядра) – 9,7–10,0 г/см 3, затем повышается до 11,0–11,5 г/см 3, увеличиваясь во внутреннем ядре до 12,5–13,0 г/см3. Давление. Расчеты давления на различных глубинах Земли в соответствии с указанными плотностями выражаются следующими значениями. Ускорение силы тяжести. В ряде пунктов поверхности Земли геофизическим гравиметрическим методом выполнены измерения абсолютной величины силы тяжести с помощью гравиметров. Эти исследования позволяют выявить гравиметрические аномалии – области значительного увеличения или уменьшения силы тяжести. Увеличение силы тяжести обычно связано с присутствием более плотного вещества, уменьшение указывает на меньшую плотность. Что касается ускорения силы тяжести, то его величина различна. На поверхности оно в среднем составляет 982 см/с2 (при 983 см/с2 - на полюсе и 978 см/с2- на экваторе), с глубиной сначала увеличивается, затем быстро падает. По данным В. А. Магницкого, максимальное значение ускорения силы тяжести достигает в основании нижней мантии у границы с внешним ядром 1037 см/с2. В пределах ядра Земли ускорение силы тяжести начинает значительно уменьшаться, доходя до 452 см/с2 в промежуточном слое F, до 126 см/с2 на глубине 6000 км и в центре до 0. Магнетизм. Земля действует как гигантский магнит с силовым полем вокруг. Сведения о распределении магнитного поля Земли на ее поверхности и околоземном пространстве дают наземные, морские и аэромагнитные съемки, а также измерения, производимые на низколетящих искусственных спутниках Земли. Геомагнитное поле дипольное, магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими, т.е. истинными - северным и южным. Между магнитным и географическим полюсами образуется некоторый угол (около 11,5o), называемый магнитным склонением. Различают также магнитное наклонение, определяемое как угол между магнитными силовыми линиями и горизонтальной плоскостью. Происхождение постоянного магнитного поля Земли связывают с действием сложной системы электрических токов, возникающих при вращении Земли и сопровождающих турбулентную конвекцию (перемещение) в жидком внешнем ядре. Таким образом, Земля работает как динамомашина, в которой механическая энергия этой конвекционной системы генерирует электрические токи и связанный с ними магнетизм. Магнитное поле Землиоказывает влияние и на ориентировку в горных породах ферромагнитных минералов, таких, как гематит, магнетит, титаномагнетит и др. Особенно это проявляется в магматических горных породах – базальтах, габбро, перидотитах и др. Ферромагнитные минералы в процессе застывания магмы принимают ориентировку существующего в это время направления магнитного поля. После того, когда горные породы полностью застывают, ориентировка ферромагнитных минералов сохраняется. Определенная ориентировка ферромагнитных минералов происходит и в осадочных породах во время осаждения железистых минеральных частиц. Намагниченность ориентированных образцов определяется как в лабораториях, так и в полевых условиях. В результате измерений устанавливается склонение и наклонение магнитного поля во время первоначального намагничивания минералов горных пород. Таким образом, и магматические, и осадочные горные породы нередко обладают стабильной намагниченностью, указывающей на направление магнитного поля в момент их формирования. В настоящее время при геологических исследованиях и поиске железорудных месторождений полезных ископаемых широко применяется магнитометрический метод. Тепловой режим Земли определяется излучением Солнца и теплом, выделяемым внутриземными источниками. Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но значительная часть ее отражается обратно в мировое пространство. Количество получаемого и отраженного Землей солнечного тепла неодинаково для различных широт. Среднегодовая температура отдельных пунктов в каждом полушарии уменьшается от экватора к полюсам. Ниже поверхности Земли влияние солнечного тепла резко снижается, в результате чего на небольшой глубине располагается пояс постоянной температуры, равной среднегодовой температуре данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20–30 м. Ниже пояса постоянных температур важное значение приобретает внутренняя тепловая энергия Земли. Давно установлено, что в шахтах, рудниках, буровых скважинах происходит постоянное увеличение температуры с глубиной, связанное с тепловым потоком из внутренних частей Земли. Тепловой поток измеряется в калориях на квадратный сантиметр за секунду - мккал/см2с. По многочисленным данным, средняя величина теплового потока принимается равной 1,4–1,5 мккал/см2 с. Однако исследования, проведенные как на континентах, так и в океанах, показали значительную изменчивость теплового потока в различных структурных зонах. По данным Е.А. Любимовой, наименьшие значения теплового потока отмечены в районе древних кристаллических щитов (Балтийском, Украинском, Канадском) и равны в среднем 0,85 мккал/см2 с 10% (при колебаниях от 0,6 до 1,1). В равнинных платформенных областях тепловой поток находится в интервале 1,0–1,2 мккал/см2 с и только местами на отдельных поднятиях увеличивается до 1,3–1,4 мккал/см2 с. В палеозойских орогенических областях, таких, как Урал, Аппалачи, интенсивность потока поднимается до 1,5 мккал/см2 с. В молодых горных сооружениях, созданных в новейшее геологическое время (таких, как Альпы, Кавказ, Тянь-Шань, Кордильеры и др.), тепловые потоки отличаются большим разнообразием. Так, например, в Складчатых Карпатах и прилегающих частях внутренних прогибов тепловой поток в среднем составляет 1,95 мккал/см2 с, а в Предкарпатском прогибе - 1,18 мккал/см2 с. Аналогичные изменения отмечены на Кавказе, где в зонах поднятий тепловой поток увеличивается до 1,6–1,8 мккал/см2 с, а в складчатом сооружении Большого Кавказа единичные определения дали наиболее высокие значения теплового потока – 3,0–4,0 мккал/см2 с. Для юго-восточного погружения Кавказа отмечены значительные колебания тепловых потоков и установлена интересная деталь увеличения их значений вблизи грязевых вулканов до 1,9–2,33 мккал/см2 с. Высокие тепловые потоки наблюдаются в областях современного вулканизма, составляя в среднем около 3,6 мккал/см2 с. В рифтовой (англ. "рифт" - расселина, ущелье) системе оз. Байкал тепловой поток оценивается от 1,2 до 3,4 мккал/см2 с. В пределах значительных пространств ложа Мирового океана величина теплового потока находится в пределах 1,1–1,2 мккал/см2 с, что сопоставимо с данными по платформенным частям континентов. Высокие тепловые потоки связаны с рифтовыми долинами срединно-океанских хребтов. Средняя величина теплового потока 1,8–2 мккал/см2с, но в нескольких местах увеличивается до 6,7–8,0 мккал/см2c. Разнообразие приведенных величин теплового потока, по-видимому, связано с неоднородными тектономагматическими процессами в различных зонах Земли. Каковы же источники тепла внутри Земли? Как известно, в соответствии с современными представлениями Земля сформировалась в результате аккреции газово-пылевых частиц протопланетного облака в виде холодного тела. Следовательно, внутри Земли должны иметься источники тепла, создающие современный тепловой поток и высокую температуру в недрах Земли. Одним из источников внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных долгоживущих элементов 238U, 235U, 232Th, 40K, 87Rb. Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор они остаются важным источником тепловой энергии. В начальные этапы развития Земли могли быть поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как 26Al, 38C1 и др. Вторым источником тепловой энергии предполагается гравитационная дифференциация вещества, зарождающаяся после некоторого разогрева на уровне ядра и, возможно, в слое В верхней мантии. Но значительная часть тепла, связанная с гравитационной дифференциацией, по-видимому, рассеивалась в пространстве, особенно в начале формирования планеты. Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и в меньшей степени с Солнцем. Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенны, данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин – 12 км (Кольская скважина). Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 10 С - геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150o на 1 км – в штате Орегон (США), 2) 6o на 1 км – зарегистрировано в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20–50o, а геотермической ступени – 15–45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30oС на 1 км. По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20oС на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности вглубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000oС. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250o. Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300–1500oС. При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20–30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150oС. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5–2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120oС, на 10 км -180oС, на 12 км -220oС. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2o С, на 1500 м – 69,9oС, на 2000 м – 80,4oС, на 3000 м – 108,3oС. Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии. По данным В. Н. Жаркова, "детальные исследования фазовой диаграммы Mg2SiO4 - Fe2Si04 позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)" (т.е. перехода оливина в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600oС. Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000–5000o С. Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90–91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа. Наибольшее распространение имеют каменные метеориты – около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими округлыми зернами - хондрами ( 90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы. Повышенное распространение в Земле относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni. Фигуру Земли называют геоидом. О глубинном строении Земли судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Выделяют три главные области: · земная кора; · мантия: верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км; · ядро Земли внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км. Внутреннее тепло Земли связано с распадом радиоактивных элементов – урана, тория, калия, рубидия и др. Средняя, величина теплового потока составляет 1,4– 1,5 мккал/см2.с. - ? – 1. Каковы форма и размеры Земли?
2. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?
3. Каково внутреннее строение Земли?
4. Какие сейсмические разделы первого порядка четко выделяются при анализе строения Земли?
5. Каким границам соответствуют разделы Мохоровичича и Гутенберга?
6. Какая средняя плотность Земли и как она изменяется на границе мантии и ядра?
7. Как изменяется тепловой поток в различных зонах? Как понимается изменение геотермического градиента и геотермической ступени?
8. По каким данным определяется средний химический состав Земли?
Литература · Короновский Н.В., Основы геологии. Учебное издание. /Н.В. Короновский, А.Ф. Якушова/ - М.: Высшая школа,1991. · Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. /Г.В Войткевич./ М., 1988. · Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. /В.Н Жарков/ М., 1978. · Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. /В.А Магницкий/ М., 1965. · Очерки сравнительной планетологии. М., 1981. · Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. /А.Е. Рингвуд/ М., 1981.
Глава 2. |
|||||||||||
|
|
Последнее изменение этой страницы: 2018-05-29; просмотров: 280. stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда... |
В связи с расчленением рельефа (наличием высоких гор и глубоких впадин) действительная форма Земли является более сложной, чем трехосный эллипсоид. Наиболее высокая точка на Земле - гора Джомолунгма в Гималаях - достигает высоты 8848м. Наибольшая глубина 11034 м обнаружена в Марианской впадине. Таким образом, наибольшая амплитуда рельефа земной поверхности составляет немногим менее 20 км. Учитывая эти особенности, немецкий физик Листинг в 1873 г. фигуру Земли назвал геоидом, что дословно обозначает "землеподобный".
