1.

Геология – наука о Земле

Геология (ге греч. «Земля», логос – учение) – наука о Земле.

Геология – наука о вещественном составе Земли, её строении процессах происходящих в ней, а также история её развития.

В силу того, что глубинные оболочки Земли мало доступны для изучения, геология в основном занимается изучением её верхней оболочки – земной коры.

Геология обширная наука, представляющая собой комплекс наук о Земле, в которой можно выделить три группы наук, каждая из которых освещает определенный круг вопросов.

1 группа занимается изучением вещественного состава Земли:

Минералогия – наука о составе, происхождении и свойствах природных соединений – минералов.

Кристаллография – наука о кристаллах и кристаллическом состоянии веществ и изучает формы и законы, управляющие их образованием.

Петрография - изучает состав, строение, происхождение и условия залегания горных пород.

Геохимия – занимается изучением законов распределения и миграции элементов в земной коре.

2 группа изучает строение Земли и процессы, протекающие в ней. К ним относятся:

Динамическая геология – изучает процессы, изменяющие земную кору и облик Земли в целом.

Геотектоника (греч, «тектоника» - строительство) изучает строение и структуру земной коры.

111группа наук изучает историю развития Земли:

Историческая геология – изучает геологию Земли со времени её появления и по настоящее время.

Палеонтология – наука о древних ископаемых организмах.

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

Положение Земли в мировом пространстве.

Земля находится во Вселенной или по-гречески «космос». Вселенная – это все то, что окружает нас. Основными телами во Вселенной являются звезды, в них собрана основная масса вещества Вселенной. Звезды образуют скопления – галактики, число их в галактиках может достигать сотен миллиардов. Галактика – это исполинская система: из конца в конец свет проходит её за 80 тыс. лет. Толщина галактики около 10 тыс. световых лет.

Наша Солнечная система входит в состав галактики Млечный путь, в которой насчитывается свыше 150 миллиардов звезд. Галактика – это исполинская система: из конца в конец свет проходит её за 80 тыс. лет. Толщина галактики около 10 тыс. световых лет. Невооруженным глазом мы видим около 6 тыс. звезд.

Солнечная система состоит из звезды – Солнца, девяти планет с их спутниками, астероидами, кометами, метеоритами. Центром нашей системы является Солнце.

Форма и размеры Земли.

Положение Земли и отдельных участков её поверхности относительно Солнца в значительной степени определяет физико-географическую обстановку на поверхности планеты.

Наиболее близкой к современной фигуре Земли будет фигура по отношению к поверхности которой сила тяжести повсеместно направлена перпендикулярно. Она названа геоидом, что дословно означает «землеподобный).

Фигуру геоида можно себе представить, если мысленно океаны связать каналами, прорезывающими материки во всех направлениях.

2. Внешние оболочки Земли.

Внешние оболочки (атмосфера, гидросфера, биосфера) подвижны и имеют весьма непостоянные и даже неопределенные границы. В сравнении с другими геосферами они наиболее доступны изучению.

Атмосфера.

Сплошная газовая оболочка, мощность которой составляет десятки тысяч километров. 90% атмосферы сосредоточено в верхнем 16 км приземном слое, называемом тропосферой. Этот слой вращается вместе с Землей. Далее идет стратосфера, которая простирается до высоты 55 км. В отличие от тропосферы здесь наблюдается неуклонное повышение температуры с высотой. В верхних слоях стратосферы температура достигает 0⁰С. Следующая оболочка называется мезосфера. Она простирается до высоты 80 –85 км и переходит в термосферу (до 800 км), характеризующуюся неуклонным ростом температур. Выше 800 км и примерно до 2000 км расположена следующая оболочка атмосферы – экзосфера (ионосфера). В её составе преобладают ионы легких газов и элементарные частицы. Заключительная – магнитосфера, определяется внешним магнитным полем Земли (до 20 тыс. км)

Атмосферный воздух в приземных слоях имеет следующий состав: азот –78%, кислород – 21%, остальные – 1%.

Антропогенное воздействие (деятельность человека) оказывает чаще отрицательное воздействие на атмосферу. Это прежде всего загрязнение атмосферы углекислым газом, за счет сжигания огромного количества горючих веществ. Полагают, что содержание СО₂ в атмосфере за последние десятилетия возросло на 10 –15% и продолжает увеличиваться.

Серьезное внимание заслуживает воздействие человека на содержание кислорода в воздухе. Кислород восстанавливается в атмосфере благодаря естественным процессам, в результате фотосинтеза растений. Поэтому уничтожение лесов ослабляет один из основных источников пополнения атмосферы кислородом.

Загрязнение атмосферы промышленными и транспортными выбросами делают в ряде случаев атмосферу мало или даже совсем непригодной для жизни человека и других организмов.

Гидросфера.

Водная оболочка Земли не является сплошной и во многих местах прерывается выступающими над уровнем Мирового океана материками. Под названием Мирового океана объединяются все океаны (Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый), и связанные с ними внутриконтинентальные воды. На гидросферу приходится 70% поверхности земного шара.

Температура поверхности воды колеблется от –2⁰С (полярные области) до +45⁰С (Персидский залив). С глубиной температура воды закономерно понижается и на глубине 1 км океана равна 0⁰С. Соленость мирового океана колеблется от 4,5% (Красное море) до 2% (Балтика). Химический состав морской воды: преимущественно хлориды (80%), далее – сульфаты. Соли в морской воде диссоциированы на ионы.

Роль мирового океана:

1.Продуцирует 25% кислорода атмосферы.

2.Имеет огромные запасы механической и тепловой энергии.

3.Оказывает воздействие на погоду и климат планеты.

4.Океан – источник пищевых ресурсов.

5.В океане огромные запасы минеральных ресурсов.

6.В океан сбрасываются промышленные и бытовые отходы. Этот последний фактор принял угрожающие размеры.

Жизнь на Земле находится в тесной зависимости от жизни океана.

Биосфера.

Сфера жизни Земли не занимает обособленного положения, а располагается в пределах других оболочек, охватывая полностью гидросферу, нижнюю часть атмосферы (тропосферу) и самую верхнюю часть земной коры – её поверхность и почвенный слой. Ниже почвенного слоя живые организмы встречаются в глубоких трещинах, подземных водах, иногда на глубине сотни и даже тысячи метров.

Биосферу можно определить как многокомпонентную сложную самоуправляющую систему живого вещества, почвенного покрова, атмосферы, гидросферы и верхних слоев литосферы. Живым веществом назвал Вернадский всю совокупность растительных и животных организмов, весь мир микроорганизмов и насекомых, живущих на суше в воде и атмосфере.

По подсчетам Вернадского и других исследователей современная биомасса живого вещества планеты Земля составляет 10^13-14 тонн (растения 99%).

Химический состав биосферы: кислород – 70%, углерод –18%, водород –10,5%, азот – 0,3%, калий, фосфор, сера, железо, кальций, магний.

Биосфера – сложная динамическая система, в которой постоянно происходят два взаимосвязанных противоположных процесса:

1.Образование живого вещества из минеральных соединений и аккумуляция энергии.

2.Превращение сложных органических соединений в простые минеральные и освобождение энергии.

Появление на Земле человека и его деятельность стало началом грозного, вначале медленного, а затем ускоренного процесса разрушения биосферы. Отчуждая биологическую продукцию, человек нарушает важнейший принцип биосферы – цикличность. Значение биосферы:

1.С биосферой связан круговорот азота и углерода.

2.Под влиянием биосферы на поверхности горных пород образовалась почва.

3.Биосфера аккумулирует солнечную энергию в виде угля, нефти, мела, органического вещества почв.

4.Образование минералов и горных пород (фосфориты).

3. Внутренние оболочки Земли.

К внутренним оболочкам относятся земная кора (литосфера), мантия (промежуточная оболочка) и ядро.

0 литосфера Земная кора представляет

80. собой верхнюю оболочку

Земли. Её мощность от 5 –15

мантия км под океаном и до 80 км под

2900. материками. В доступной для

изучения части земной коры

ядро выявлено 89 хим. элементов,

которые образуют природные

6741. соединения – минералы.

Преобладающими химическими элементами являются кремний и алюминий, что определяет другое название земной коры – сиаллитная оболочка. По массе земная кора занимает менее 0,1%.

Мантия Земли располагается ниже литосферы, простирается до глубины 2900 км и занимает 67% массы, имеет сложное строение, состоит из очагов плавления вещества. Граница между земной корой и мантией установлена по резкой смене скорости сейсмических волн (1909), она названа границей (поверхностью) Мохоровичича, впервые её установившего. В химическом составе преобладают два элемента – кремний и магний в связи с чем её называют симатической оболочкой.

Ядро Земли составляет по массе 33% . И довольно большой плотности – 12,8 г/см³. О составе и строении существуют только гипотезы. Высокое содержание железа и никеля определило название ядра – нифе.

Типы строения земной коры.

Состав и свойства вещества, слагающего верхнюю часть земной коры, отражают породы, отобранные из естественных обнажений, горных выработок, а также образцы из буровых скважин. О более глубоких горизонтах земной коры можно судить лишь по косвенным данным, на основании скорости прохождения сейсмических волн.

Мощность (толщина) земной коры неодинакова, под горами 60 –80 км, а под материками 5 – 10 км. В строении земной коры выделяется два типа: материковый (континентальный) и океанический.

Материковый (континентальный) тип строения земной коры характеризуется наличием трех слоев:

1.Осадочный слой сложен рыхлыми породами осадочного происхождения (известняки, пески, глины )

2.Гранитный слой сложен кислыми породами гранитного состава.

3.Базальтовый слой представлен породами основного состава.

Океанический тип отличается двухслойным строением т.е. состоит из осадочного и базальтового слоев.

Переход от земной коры к мантии получил название границы Мохоровичича или границы (поверхности) Мохо. Это сейсмическая граница получила название по имени югославского сейсмолога Андрея Мохоровичича. Он, в 1909 году наблюдая землетрясение в Загребе, обнаружил, что на глубине 60 км скорость сейсмических волн резко увеличивается. Это привело его к выводу, что именно здесь проходит граница земной коры и мантии. По современным данным глубина залегания поверхности Мохо изменяется от 6 км (дно океана) до 70 км в горах.

В 1923 году австрийский ученый Конрод выделил внутри земной коры сейсмическую поверхность, принимаемую за границу между гранитным и базальтовым слоями. Эта граница получила название поверхности Конрода или К– поверхности.

4. Минералы, их классификация

Минералогия – наука изучающая состав, строение, свойства и происхождение минералов.

Минералы – это природные соединения состоящие из одного или нескольких химических элементов, имеющие постоянный химический состав определенные физические свойства, образовавшиеся в результате процессов, происходящих в земной коре.

Слово «минера» с лат «руда».

В настоящее время известно около 4000 минералов и их разновидностей

Приведена упрощенная классификация минералов:

1.Самородные элементы (золото).

2.Сульфиды и близкие к ним арсениды, селениды и т.д. (пирит).

3.Галогениды (галит).

4.Оксиды и гидрооксиды (кварц).

5.Соли кислородных кислот:

а) нитраты,

б) карбонаты,

в) сульфаты,

г) фосфаты,

д) силикаты и алюмосиликаты и т.д.

6.Органические кислоты (янтарь)

Все геологические процессы образования минералов по источнику энергии делятся на две группы: эндогенные и экзогенные.

Эндогенные (внутри рожденные) происходят за счет внутренней тепловой энергии земного шара. Эти процессы связаны с магмой.

Магма – огненно-жидкий силикатный расплав, насыщенный газами. Расплав состоит из окислов SiO₂ , Al₂O_{3 ,} Na₂O, K₂O, MgO, CaO, FeO, Fe₂O₃ насыщен газами HF, HCl, H₂S, CO, CO₂, летучих соединений B, F, S.

магматическое

эндогенное пегматитовое

образование пневматолитовое

гидротермальное

Магматическое – образование минералов происходит на глубине при высокой температуре и большом давлении, возникающем, вследствие расплавления пород из-за радиоактивного распада в небольших обособленных очагах на разных глубинах. Кристаллизация минералов наблюдается при понижении температуры ниже 1100⁰ . Так образуются магнетит, полевые шпаты, слюды. С магматическим происхождением связано образование рудных и нерудных полезных ископаемых.

Пегматитовое – минералообразование происходит в верхних слоях магматических очагов из остаточных магматических расплавов при температуре 700 – 400⁰ С. Так образуется около 300 минералов: горный хрусталь, топаз, изумруд.

Следующие эндогенные процессы образования минералов относятся к, так называемому, поствулканическому.

Пневматолитовое – образование минералов из газов, покидающих магматический очаг. Так образуются флюорит, вольфрамит.

Когда температура паров понижается до 370-360⁰ С, то есть станет ниже критической точки воды (374⁰), появляются горячие водные растворы, гидротермы и пневматолитовая стадия переходит в гидротермальную. По мере подъема горячих водных растворов из них выделяются минералы. Так образуются сульфиды.

Скарновое образование минералов происходит на контакте внедрившихся растворов магмы с известняками и доломитами. Со скарнами связаны месторождения железа.

Минералы, находящиеся в условиях их образования, устойчивы, но попадая на поверхность Земли постепенно разрушаются и из них образуются экзогенные минералы или минералы осадочного происхождения:

1.Минералы образуются в результате химического изменения на поверхности Земли (кальцит).

2.Минералы образуются в результате выпадения в осадок из насыщенных природных растворов в условиях сухого и жаркого климата (галит).

3.Минералы образуются в результате жизнедеятельности и отмирания организмов (опал).

Метаморфическое образование минералов проявляется в перекристаллизации в глубинах Земли под действием давления и температуры (тальк).

5. Понятие о горных породах и их классификация.

Горная порода – это природное скопление одного или нескольких минералов, занимающих значительные пространства в земной коре.

По условиям образования все горные породы делятся на три большие группы: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматическими называют кристаллические породы, образовавшиеся при застывании магмы в недрах Земли или на её поверхности (гранит).

Осадочными называются породы, возникшие в условиях поверхностных температур и давления из продуктов разрушения любых пород, иногда благодаря процессов жизнедеятельности и отмирания организмов.

Метаморфические горные породы образуются в глубинах Земли в результате изменения любых горных пород под действием высоких температур и давления.

На глубине до 16 км на долю магматических пород приходится 95%, метаморфических – 4%, осадочных –1%. На поверхности Земли 75% осадочных горных пород

6. Динамическая геология – наука о геологических процессах изменяющих состав, строение и облик Земли.

Она исследует перемещение пород в земной коре, изучает все современные процессы, обуславливаемые энергией недр Земли и энергией Солнца.

Общие закономерности геологических процессов.

Современный облик Земли – результат сложного взаимодействия геологических процессов. Геологическими исследованиями установлено, что в истории Земли многократно изменялись физико-географические условия и на общем фоне эволюции соответственно менялся органический мир. Это совпадало с эпохами мощных горообразовательных процессов, сопровождаемых сжатием слоев горных пород в складки, крупными разрывными нарушениями земной коры, извержением вулканов и другими процессами.

Например. Осадочные горные породы образуются в верхней части земной коры и включенная в них ископаемая фауна, в виде окаменелостей, указывает на то, что на месте Восточно-Европейской равнины, Западно-Сибирской равнины и в других районах происходило неоднократное наступление и отступление моря. Высокие молодые горы, (Альпы, Карпаты, Кавказ ) возникли на месте глубоких морей. Вместе с тем некоторые более древние горы в значительной степени сглажены ветрами, водой и другими внешними агентами.

Геологическими – называют процессы изменения развития земной коры под действием внутренних и внешних сил.

Геологические процессы могут существовать благодаря источникам энергии. Одни из них связаны с силами, возникающими внутри Земли и называются процессами внутренней динамики или эндогенными процессами. К ним относятся: магматизм, метаморфизм, вулканизм, колебательные движения земной коры, горообразовательные процессы, землетрясения.

Другой комплекс процессов проявляется на поверхности Земли или в верхних частях земной коры и связаны с воздействием разнообразных внешних факторов (атмосферы, гидросферы, биосферы). Эти процессы называются экзогенными. К ним относятся: выветривание, деятельность текучих поверхностных вод, геологическая деятельность подземных вод, геологическая работа ледников, геологическая работа ветра и так далее.

В результате разрушительной деятельности внешних факторов возникает большое количество обломочного материала и растворенных веществ, которые перемещаются различными способами

Эндогенные силы создают неровности земной поверхности, а экзогенные – сглаживают эти неровности. Философский закон единства и борьбы противоположностей.

7.Эндогенные геологические процессы происходят за счет внутренней энергии Земли (радиоактивный распад, химические процессы). К ним относятся вулканизм, землетрясения, колебательные движения земной коры и т.д.

Вулканы, продукты их извержения

Наиболее ярким процессом внутренней динамики земной коры, играющим важную роль в её формировании и изменении, является магматизм. Этот процесс обусловлен возникновением жидких обособленных цистерн магмы, проявляющихся временно и на определенный срок вследствие скопления в этих зонах радиоактивных элементов и других физико-химических процессов. Глубина залегания этих очагов (цистерн) до 100 км.

Вулкан обычно представляет собой конусообразную гору различной высоты. Выводной канал – жерло – заканчивается на поверхности чашей или воронкой, называемой кратером.

Когда магма находится в глубине земной коры под большим давлением, все её газовые компоненты остаются в растворенном состоянии. По мере продвижения магмы к поверхности давление уменьшается, газы начинают выделяться, в результате излившаяся на поверхность магма существенно отличается от первоначальной и её называют лавой (от греч. лава – затопляю).

Жидкие продукты извержения – лавы. По своему составу они бывают различны. Это определяется прежде всего содержанием в них кремнезема SiO₂. По этому принципу лавы, также как и горные породы, делятся на ультрокислые, кислые, средние, основные, ультроосновные. Основные лавы более тяжелые, но наименее вязкие, так как температура их обычно выше. Кислые легче, но более вязкие и менее подвижные. Это сказывается на характере извержения вулканов и их морфологии. При застывании их поверхность приобретает различный вид.

Газообразные продукты извержения сопровождают любое извержение вулканов. Но в момент извержения изучение состава непосредственно из кратера невозможно. Поэтому оно производится из трещин, образовавшихся на склонах вулканов, или из лавового потока. Струи горячего вулканического газа называются фумаролы. Накопленный за последние годы аналитический материал показывает, что все выделяющиеся из магмы газы содержат галогениды, серу, углерод, водород. Но особенно много водяного пара (до 90 %). Фумаролы выделяются из кратера и со склонов. По химическому составу они бывают кислые (H₂O, HCl), щелочные, аммиачные, сернистые и углекислые.

Твердые продукты извержения образуются за счет застывания лавы, выброшенной на большую высоту взрывами и рассеянной в атмосфере или толще морской воды. Все твердые продукты, возникающие при извержении вулканов называются пирокластические (греч. пир – огонь, кластикос – раздробленный). Твердые продукты по размеру обломков подразделяются на несколько типов.

Вулканический пепел представляет собой мелкие частицы лавы, напоминающие по внешнему виду обычный пепел или тонкую пыль. При сильных извержениях пепел разносится на очень далекие расстояния и, выпадая на поверхность образует пепловые слои.

Вулканический песок состоит из более крупных частиц размером от 0,5 мм до горошины.

Лаппили (итал. камешки) вулканические образования размером от 1,5 до3 см (грецкий орех).

Вулканические бомбы - самые крупные образования размером от 10 см до нескольких метров. В отдельных случаях они весят несколько тонн. По своей форме они бывают веретенообразные, грушевидные и других форм. Такая форма показывает, что вулканические бомбы образовались из пластического вещества – лавы, вращающейся в воздухе. Вместе с такими бомбами падают различные угловатые глыбы, состоящие из горных пород, слагающих стенки кратера и жерла вулкана, раздробленные и выброшенные газовыми взрывами. Как правило, крупные обломки выпадают вместе с пеплом, ближе к кратеру вулкана. Чем дальше от кратера, тем более мелкий материал откладывается.

Твердые продукты со временем уплотняются, цементируются, образуя породы – вулканические туфы.

Поствулканические явления.

При затухании вулканической деятельности еще длительное время наблюдается ряд характерных явлений, указывающих на активные процессы, продолжающиеся в глубине. К ним относятся выделения газов (фумаролы), гейзеры, термы и грязевые вулканы.

Фумаролы – выделяются после извержения вулкана длительное время из кратера и трещин (близ Неаполя, на Аляске).

Гейзеры – это периодически действующие паро–водяные фонтаны 90 – 98^оС (Исландия).

Термы (термальные источники) – выход на поверхность горячих источников подземных вод. Они характерны для молодых гор (Кавказ) и потухших вулканов.

Грязевые вулканы – встречаются в вулканических областях. Горячие пары воды и газа прорываются к поверхности через трещины и образуют небольшие выводные отверстия. Эти отверстия заполнены грязью.

В настоящее время на Земле известно 600 действующих вулканов (из них 60 – подводных) и 2000 – потухших.

Современные вулканы приурочены к подвижным участкам земной коры – геосинклиналям. К ним относится тихоокеанское огненное кольцо, евроазиатский широтный пояс, Атлантическая меридианная зона.

Причина вулканических извержений заключается в смещении каменных слоев земной коры.

Землетрясения, их географическое распространение и причины.

Изучением землетрясений занимается сейсмология.

Сильные землетрясения носят катастрофический характер уступая по числу жертв только тайфунам. Но из сотни тысяч землетрясений (300 тыс) ежегодно происходящих на Земле, только единицы катастрофических.

Землетрясения – особый вид тектонических движений, выражающийся во внезапных сотрясениях того или иного участка земной коры, вызванный естественными причинами. Землетрясения обычно продолжаются несколько секунд.

Землетрясения возникают на различной глубине, начиная от поверхности Земли и до 700 километров вглубь, но 3/4 сейсмической энергии выделяется в очагах на глубине до 70 км. Место в земной коре или верхней мантии, где произошел толчок называется гипоцентр, а проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентр.

Прогноз землетрясений очень сложен. Задача прогноза, ведущегося на основе наблюдений за предвестниками, установить не только место, но, и самое главное, время сейсмического события.

Выветривание и его типы.

Выветривание – процесс разрушения минералов, горных пород и стройматериалов под влиянием факторов и условий среды.

Различают три типа выветривания: физическое, химическое, биологическое.

На процессы выветривания исключительно большое влияние оказывает климат местности. Глубина проникновения различных агентов выветривания колеблется в широких пределах в зависимости от структуры и пористости пород.

Физическое выветривание.

Это процесс разрушения минералов и горных пород на обломки без изменения их химического состава. Различают:

1.Температурное выветривание вызывают суточные и сезонные колебания температуры. Неравномерный нагрев горных пород, сложенных различными минералами, ночное охлаждение разрушают горные породы.

2.Замерзание воды морозное выветривание). Вода, попадая в трещины, при понижении температуры замерзает, расширяется, увеличиваясь в объеме до 9% и разрушает горные породы, превращая их в зависимости от структуры в обломки различной величины. При этом давление достигает 1000 кг/см².

3.Рост кристаллов особенно в районах, сложенных породами химического происхождения, также способствует разрушению и измельчению пород.

Значение физического выветривания состоит в том, что массивная горная порода разрушается и измельчается и создаются условия для химического выветривания.

Химическое выветривание.

Это процесс химического изменения минералов и горных пород. В нем участвуют химически активные элементы: вода, углекислый газ, кислород и органические кислоты.

Сущность химического выветривания можно свести к следующим химическим реакциям: растворение, окисление, гидратация, гидролиз.

По степени устойчивости различают

1.Минералы: химически устойчивые (кварц, топаз, золото);

2.Химически неустойчивые (пирит, халькопирит, ортоклаз).

Однако абсолютно химически устойчивых минералов нет.

Растворение проявляется с различной скоростью для разных пород. Наибольшей растворимостью обладают хлориды (галит, сильвин). Менее растворимы сульфаты, карбонаты. Растворимость увеличиваются с повышением температуры. При этом происходит вымывание (выщелачивание) пород, что приводит к карсту.

Окисление происходит в верхних слоях земной коры, расположенных выше уровня грунтовых вод

Гидратация – процесс присоединения воды

Fe₂O₃ + n H₂O = Fe₂O₃ nH₂O

Гематит лимонит

CaSO₄ + nH₂O = CaSO₄ n H₂O

ангидрит гипс.

Гидролиз – процесс изменения минералов под действием воды и растворенного в ней СО₂.

Биологическое выветривание.

Это процесс механического разрушения и химического изменения минералов и горных пород под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности (дерево на скале). Разрушение начинается с появления первых поселенцев на поверхности пород – микроорганизмов. Растения, в процессе своей жизнедеятельности, проникая в трещины, механически разрушают горную породу, и изменяют её химически. При отмирании происходит разложение опада органической массы и в результате получается большое количество органического вещества (гумуса). Наличие органических веществ активизирует растворение и гидролиз.

Животные, как и растения, механически разрыхляют горные породы и своими выделениями изменяют их химически (кроты, дождевые черви).

При биологическом выветривании создаются условия для накопления элементов минерального питания растений.

Следует отметить, что в природе, как правило, все виды выветривания проявляются одновременно

9. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД.

Подземные воды изучает гидрогеология.

Все воды, находящиеся в земной коре ниже поверхности Земли называются подземными. Учесть общее количество подземных вод довольно трудно и определяется оно 100 – 200 млн. км³.

Происхождение и классификация подземных вод.

На глубине 14 16 км, где температура достигает 370⁰С геологические процессы идут без участия воды.

Подземные воды образуются вследствие:

1.Инфильтрации – просачивания атмосферных осадков в горные породы. Доказательством служит повышение уровня воды в колодцах при выпадении осадков. Горные породы по водопроницаемости делятся на водопроницаемые (песок),полу водопроницаемые (лессы) и водоупорные (глины). Вода просачивается до водоупора.

2.Конденсация водяных паров в трещинах горных пород.

3.Реликтовые (остаточные) – воды морского происхож - дения, образовавшиеся в результате накопления морских осад -ков. Благоприятные условия для сохранения первоначальных запасов вод морского происхождения создаются при захоро - нении их под мощными водонепроницаемыми слоями. В этом случае они называются погребенными.

Все подземные воды, циркулирующие в верхней части земной коры и участвующие в общем круговороте воды в при -роде называются вадозными (лат. вадозус – неглубокие, мел - кие), в отличие от ювенильных (лат. ювенилис – юный), образовавшихся в результате поступления водяных паров из магмы.

Водные свойства горных пород.

Горные породы по отношению к воде характеризуются следующими показателями: влагоемкость, водоотдача и водопроницаемость.

Влагоемкость – способность породы вмещать и удерживать в себе воду. Зависит от величины пористости породы. Если все поры заполнены водой, порода будет находится в состоянии полного насыщения. Влажность, отвечающая этому состоянии называется полной влагоемкостью.

По степени влагоемкости породы подразделяются на весьма влагоемкие (торф, глина), слабовлагоемкие (песчаники, лёсс), и невлагоёмкие (гравий, песок).

Водоотдача – способность пород, насыщенных водой, отдавать гравитационную влагу в виде свободного стока.

Наибольшей водоотдачей обладают крупнообломочные породы, в глинах водоотдача равна нулю.

Водопроницаемость - способность пород пропускать гравитационную воду через поры и трещины.

Породы разделяются на три группы: водопроницаемые (песок, галечник), полупроницаемые (лёсс, торф), непроницаемые (массивные, глина). Непроницаемые породы принято называть водоупорами, а водопроницаемые – водоносные горизонты.

Классификация подземных вод по условиям залегания.

По условиям залегания в подземных водах выделяются следующие типы:

1.Почвенные воды.

2.Верховодка.

3.Грунтовые воды.

4.Артезианские воды.

Почвенные воды (прочно и рыхло связанные) очень тесно связаны с атмосферой, поверхностными водами, растениями и животными.

Верховодка – воды временного сезонного характера, залегающие вблизи дневной поверхности Земли на поверхности небольших линз водонепроницемых пород. Летом колодцы с этой водой пересыхают, зимой промерзают. Эта группа вод широко распространена на водораздельных пространствах. Верховодка имеет большое значение для питания растений, особенно древесных, но при близком залегании они вымокают.

Грунтовые воды широко распространены в природе. Глубина залегания от 2 до 50 м. Это не напорные воды, залегающие вблизи дневной поверхности. На первом водоупорном слое. В грунтовых водах различают верхнюю поверхность называемую зеркалом и водоупорное ложе. Питание за счет атмосферных осадков. Грунтовые воды без напора. Если бурится скважина, то грунтовые воды устанавливаются на уровне залегания в породе. Режим грунтовых вод определяется климатическим условиями и особенно количеством атмосферных осадков.

Грунтовые воды играют важную роль в процессе почвообразования: они растворяют и переносят продукты почвообразования. Если грунтовые воды залегают на глубине более 10 м, то они не влияют на процесс почвообразования, если глубина 6 – 10 м – оказывают косвенное влияние через растительный покров, при глубине 3 –6 ч оказывают влияние так как в почвенном профиле появляется капиллярная вода. При глубине менее 3 м вода активно участвует в почвообразовании. От химического состава грунтовых вод зависят свойства почв.

. Карты поверхности грунтовых вод.

В практике строительства чаще приходится встречаться именно с грунтовыми водами, иногда с верховодкой Они создают большие трудности при производстве строительных работ (заливают котлованы, создают опасность оползания) и мешают нормально эксплуатировать здания и сооружения.

Для выявления характера поверхности (зеркала) грунтовых вод составляют карты изогипс.

Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод.

Карты и гидроизогипс необходимы при решении задач, связанных с проектированием водозаборов подземных вод, борьбой с подтоплением территорий и др. Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. С помощью карты гидроизогипс можно выяснить направление и узнать скорость движения грунтового потока в любой точке и определить глубину залегания грунтовых вод.

10. Грунтоведение – наука о грунтах, их свойствах, применительно к строительству, основных способах улучшения их свойств

Грунт- рыхлые горные породы несвязанные (сыпучие) или связанные, прочность связи которых во много раз меньше прочности самих частиц. (1 определение)

Грунт - любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, изменяющиеся во времени, с целью их познания как объекта инженерной деятельности человека. (2 определение)

Прогноз изменений свойств грунтов во времени под влиянием различных воздействий возможен только при условии полной информации об их свойствах, условиях образования (генезиса) и залегания.

Грунты бывают:

1. Скальные и полускальные, имеющие жесткие структурные связи между минералами или зернами, залегающие в виде сплошного массива или трещиноватого слоя.

2. Дисперсные (связные и несвязные), имеющие механические или водно-коллоидные связи.

3. Мерзлые (скальные, полускальные, связные ледяные), имеющие криогенные структурные связи.

• Состояние грунтов.

К числу характеристик определяющих состояние грунтов относятся:

1. Степень трещиноватости

2. Степень выветрелости

3. Степень влажности

4. Степень водонасыщенности

5. Степень плотности.

Такие характеристики как степень выветрелости и трещиноватости определяются в массиве и наличие этих данных резко уменьшают прочностные и деформационные показатели.

Степень влажности чаще определяют при оценки свойств дисперсных грунтов. Она определяет возникновение таких опасных явлений как оползни, сели и т.д. Степень влажности сказывается на прочностных характеристиках грунтов.

Степень водонасыщенности применима к скальным трещиноватым грунтам.

По степени плотности бывают недоуплотненные (песчаные и пылеватые), для которых характерны просадочные явления.

Физические свойства грунтов

Наиболее характерные физические свойства плотность и пористость породы.

Плотность грунта – это отношение массы породы, включая массу воды в её порах, к занимаемому этой породой объему.

ρ = m / v,

ρ – плотность грунта, г/см³,

m – масса породы с естественной влажностью и строением, г

v – объем занимаемой породой, см³.

Плотность породы зависит от минералогического состава, влажности и характера сложения (пористости).

Плотность частиц грунта – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в его порах, к объему твердой части грунта.

ρ_s = (m – m_в) / v,

ρ_s – плотность грунта, г/см³,

m – масса породы с естественной влажностью и строением, г

m_в – масса воды в порах грунта, г

v – объем занимаемой породой, см³.

Плотность частиц грунта изменяется от 2,61 до 2,75 г/см³ и определяется её минералогическим составом.

Плотность скелета породы (плотность сухого грунта) представляет собой отношение массы минеральных частиц породы (твердой части грунта) при естественной структуре, исключая массу воды в его порах, к занимаемому этой породой объему:

ρ_d= (m – m_в) / v,

ρ_d– плотность скелета породы, г/см³,

m – масса породы с естественной влажностью и строением, г

m_в – масса воды в порах грунта, г

v – объем занимаемой породой, см³.

Плотность скелета породы величина постоянная по сравнению с плотностью породы и обычно вычисляется по данным определения плотности и влажности по формуле

ρ_d= ρ/(1 + 0,01w),

ρ_d– плотность скелета породы, г /см³,

ρ – плотность грунта, г /см³,

w – влажность породы, %

Пористость пород – суммарный объем пор и пустот в породе, выраженная в процентах.

n = (v_n/v)100

n – пористость породы, %

v_n – объем пустот породы, см³,

v – объем занимаемый породой, см³.

Коэффициент пористости – отношение объема пустот к объему твердых минеральных частиц породы

е = (ρ_{s -} ρ_{d ) /} ρ_d ,

е – коэффициент пористости,

ρ_s – плотность грунта, г/см³,

ρ_d– плотность скелета породы, г /см³,

Водно-физические свойства грунтов

Влажность породы – отношение массы воды, содержащейся в порах, к массе сухой породы. Под естественной влажностью породы понимают количество воды, содержащееся в породе в естественных условиях.

W = [( m – m₁)/m₁] 100

W – влажность породы, %,

m – масса влажной породы, г

m₁ – масса сухой породы, г.

Максимально возможное содержание в грунтах связной, капиллярной и гравитационной воды при полном заполнении пор называют полной влагоемкостью породы и определяют по формуле

Wn = e ρ_w/ ρ_s

e – коэффициент пористости,

ρ_w – плотность воды, г/см³,

ρ_s - плотность грунта, г/см³.

Пластичность - способность породы изменять под действием внешних сил свою форму без разрыва сплошности и сохранять эту форму после устранения силы. Пластичность проявляется только во влажном состоянии. Существует верхний и нижний пределы пластичности.

Нижний предел пластичности W_ρ или границей раскатывания, называют такую степень влажности глинистой породы, при которой глинистая масса, замешанная на дистиллированной воде, раскатывается в жгутик диаметром 3 мм, начинает крошиться, т.е. грунт переходит из твердого состояния в пластичное.

Верхний предел пластичности W_L, или граница текучести, представляют собой такую влажность горной породы, при которой глинистая масса, положенная в фарфоровую чашку и разрезанная глубокой бороздой сливается после трех легких толчков чашки ладонью.

Число пластичности – разность между верхним и нижним пределами пластичности

J_ρ = W_L - W_ρ

По числу пластичности выделяют породы четырех типов:

1.Высокопластичные (глины) – 17%

2.Пластичные (суглинки) – 17-7%

3.Слабопластичные (супеси) – 7%

4.Непластичные (пески) – 0

Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Набухание зависит от содержания в породе глинистых частиц и их минералогического состава.

Явление набухания учитывают при строительных работах. Набухание горных пород (особенно дисперсных) наблюдается в котлованах, траншеях, а также при строительстве транспортных насыпей и водохранилищ, когда изменяются гидрологические условия сооружений и увеличивается влажность пород, особенно глинистых, за счет поступающей воды.

Усадка – уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от её естественной влажности: чем больше влажность, тем больше усадка. В наибольшей степени набуханию и усадке подвержены глинистые породы.

Размокание – способность глинистых пород в соприкосновении со стоячей водой терять связность и разрушаться - превращаться в рыхлую массу с частичной или полной потерей несущей способности. Скорость размокания определяет степень её устойчивости под водой.

Большая часть пород с кристаллизационной структурой является практически неразмокаемой. Размокание имеет существенное значение при подготовке проекта производства работ и организации возведения сооружений с учетом климатических особенностей и сезонности работ.

Размываемость – обуславливается разрушением пород при длительном воздействии текучей воды.

Деформационные и прочностные свойства грунтов.

Расчет оснований и сооружений, проектирование фундаментов, создание проектов производства работ, оценка и прогноз эксплуатации оснований и фундаментов, а конечном итоге и сооружений. Наиболее важными из них являются деформационные и прочностные характеристики.

Сжимаемость – способность грунтов уменьшать объем под действием вертикального (сжимающего) давления.

Уменьшение объема глинистых грунтов происходит за счет уменьшения пор соответственно сближения взаимного расположения частиц твердой фазы, имеющих слабые связи между собой. Сжимаемость зависит от гранулометрического и минералогического составов, характеристики структуры и текстуры. Испытания грунтов на сжимаемость проводят в полевых и лабораторных условиях (компрессионные испытания).

Прочность грунтов - определяется сопротивлением грунта срезу и удельным сцеплением. Прочностные характеристики грунтов являются определяющими при решении инженерно-геологических задач, возникающих при оценки оснований, проектировании, строительстве и эксплуатации фундаментов сооружений. Сопротивление грунтов сдвигу является их важнейшим прочностным свойством. Под действием внешней нагрузки в определенных зонах грунта связи между частицами нарушаются и происходит смещение (сдвиг) одних частиц относительно других.

11. Почвоведение – наука о почвах, их образовании (генезисе), строении, составе и свойствах; о закономерностях их географического распространения, о процессах взаимосвязи с внешней средой, определяющих формирование и развитие главнейшего свойства – плодородия; о путях рационального использования почв в сельском хозяйстве и об изменениях почвенного покрова под влиянием человека.

Почвоведение как наука сформировалась в России в конце Х1Х века.

Первое определение почвы дал В.В.Докучаев.

Почвой следует называть «дневные» или наружные горизонты горных пород, естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха и различного рода организмов живых и мертвых.

Плодородие – это способность почвы удовлетворять потребности растений в элементах минерального питания, воде, обеспечивать их корневые системы достаточным количеством тепла для нормальной деятельности и создания урожая.

Различают три вида почвенного плодородия:

Естественное, которое определяется природными факторами (целина).

Искусственное определяется изменениями в свойствах и режимах почв, вызванное воздействиями человека ( обработка почв, удобрение, орошение). Этот вид почвенного плодородия может быть как положительным, так и отрицательным.

Эффективное - сумма естественного и искусственного. Определяется урожаем сельскохозяйственных культур.

Существует также понятие потенциального плодородия которое характеризуется общими запасами элементов питания растений, формами их соединений и другими факторами (водой, воздухом, теплом), способными длительное время поддерживать высокий уровень эффективного плодородия. Высокое потенциальное плодородие имеют черноземы, низкое – подзолы.

12. ОБЩАЯ СХЕМА ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО

ПРОЦЕССА.

Большой геологический и малый биологический

круговорот веществ.

Превращение горной породы в почву происходит в процессе почвообразования. Он осуществляется в результате длительного взаимодействия массы материнской породы с живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. В основе процесса почвообразования лежит малый биологический круговорот, развивающийся (как и сам процесс почвообразования) на фоне большого геологического круговорота веществ.

Большой геологический круговорот веществ – это процесс превращен массы горной породы, совершающийся на протяжении геологических эпох. Он господствовал на Земле до появления живых организмов. Характерной особенностью большого геологического круговорота веществ является постепенное обеднение горной породы элементами минерального питания растений, вследствие вымывания в гидросферу.

Малый биологический круговорот веществ обусловлен жизнедеятельностью живых организмов, и, прежде всего зеленых растений. Характерными чертами его являются:

1.Извлечение из материнской породы (а в дальнейшем из почвы) элементов питания растений.

2.Синтез биомассы и включение элементов питания растений в состав сложных органических соединений.

3.Возврат в формирующуюся почву этих соединений с ежегодным опадом отмирающей биомассы в виде наземного опада и корней.

Основным итогом биологического круговорота является биологическая аккумуляция элементов питания растений в корнеобитаемом слое почвы и их консервация здесь, что и обусловливает постепенное развитие плодородия. Интенсивность биологического круговорота различна и зависит от климатических условий и характера растительности.

Растения обладают избирательной способностью. Она выражается в том, что корни растений извлекают химические элементы не в тех соотношениях, в которых они содержатся в целом в почве или в почвенном растворе. Например, азота в почве содержится немного, а в растениях его больше.

13.Факторы почвообразования

Основы учения о факторах почвообразования заложены В.В.Докучаевым, который установил, что почва, как особое природное тело формируется в результате тесного взаимодействия климата, растительности, почвообразующих пород, рельефа местности и времени (возраста страны).

Климат как фактор почвообразования.

Скорость процессов почвообразования на земной поверхности весьма различна и связана с различным количеством поступающей в почву энергии. Главным энергетическим источником почвообразования является Солнце.

Атмосферный климат – это среднее состояние атмосферы территории, характеризуемое средними показателями метеорологических элементов (температура, осадки, относительная влажность воздуха и т.д.) и их крайними показателями, дающими представление об амплитудах колебаний в течение суток, сезонов и целого года.

Для изучения почвенных процессов важнейшее значение имеют температурные условия и увлажнение. Количество солнечной энергии, которое получает почва и теряет в процессе теплообмена изменяется в течение суток и по сезонам года. В суточном цикле с восхода солнца до 14 часов почва нагревается, затем постепенно охлаждается. Минимум температуры наблюдается в 4-5 часов утра. В годовом цикле максимум отмечается в середине лета, минимум – в последний месяц зимы. Суточные колебания температуры проявляются до глубины 50 см. Наибольшая амплитуда отмечается у поверхности почвы. Годовые колебания температуры распространяются до глубины 14 м. (наиболее резкие 3-5м). На распространение тепла в почве влияет теплопроводность.

Основой для выделения главных термических групп климатов является сумма среднесуточных температур выше 10⁰С за вегетационный период.

Группа климатов. .> 10⁰С

Холодные (полярные) <600

Холодно-умеренные (бореальные) 600 – 2000

Тепло-умеренные (суббореальные) 2000 – 3800

Теплые (субтропические) 3800 – 8000

Жаркие (тропические) > 8000

Климаты этих термических групп располагаются в виде широтных поясов, окружающих земной шар. Пояса характеризуются не только суммой среднесуточных температур, но и определенным типом растительности и почв. Они получили название почвенно-биоклиматических поясов.

Уровень увлажнения характеризуется по коэффициенту увлажнения (КУ) – это отношение количества осадков к испаряемости. Впервые был установлен Высоцким. По условиям увлажнения различают 6 групп.

Роль воздействия климата как фактора почвообразования сводится к следующему:

1 Климат определяет развитие биологических и биохимических процессов. Определенное сочетание температуры и увлажнения обуславливает тип растительности и темпы создания и разрушения органического вещества, состав и интенсивность деятельности почвенной микрофлоры и фауны.

2. Климат влияет на водно-воздушный, тепловой и окслительно-восстановительный режимы почвы.

3.Климат влияет на процессы превращения минеральных соединений в почве (направление и тип выветривания).

4.Климат оказывает влияние на процессы ветровой и водной эрозии.

Рельеф как фактор почвообразования.

Изучению рельефа, как фактора почвообразования, посвящены многих почвоведов (Докучаев, Сибирцев, Вильямс, Герасимов).

Рельеф – это неровности земной поверхности. Под влиянием рельефа происходит распределение климатических факторов: тепла, осадков. Различают следующие формы рельефа:

Мегарельеф - значительные территории материков (Русская равнина, Кавказ).

Макрорельеф – участки, измеряемые сотнями километров (высокие, средние, низкие горы).

Мезорельеф – участки, измеряемые десятками километров в горизонтальном направлении и 10 м в вертикальном (дельты, террасы рек, предгорные равнины).

Микрорельеф – незначительные формы рельефа, занимающие десятки и сотни метров (овраги, склоны).

В целом все виды рельефа подразделяются на положительные (гора) и отрицательные (овраг).

В почвоведении значительную роль играет крутизна склонов. Склоны бывают:

1.Очень пологие < 3⁰

2.Пологие 3-5⁰

3.Слабо покатые 5 -10⁰

4.Покатые 10-15⁰

5.Сильно покатые 15 -20⁰

6.Крутые 20 - 25⁰

7.Очень крутые 25 - 40⁰

8.Обрывистые >40⁰

Экспозиция склонов также оказывает влияние на интенсивность почвообразовательных процессов.

Глубина залегания грунтовых вод значительно влияет на почвы. По положению в рельефе и перераспределению осадков различают следующие группы почв, которые называют рядами увлажнения:

Автоморфные почвы формируются на ровных поверхностях и склонах в условиях свободного стока поверхностных вод, при глубоком залегании грунтовых (>10 м)

Полугидроморфные почвы – формируются при кратковременном застое поверхностных водили при залегании грунтовых вод на глубине 3-6 м (капиллярная кайма достигает корней растений).

Гидроморфные почвы – формируются в условиях длительного поверхностного застоя или при залегании грунтовых вод на глубине менее 3 м (капиллярная кайма может достигать поверхности почвы).

Рельеф оказывает большое влияние на развитие эрозионных процессов. В условиях склоновых форм рельефа возможно проявление водной эрозии. Равнинные формы в районах с засушливым и континентальным климатом благоприятствуют возникновению ветровой эрозии.

Организмы как фактор почвообразования.

В почвообразовании участвуют три группы организмов: зеленые растения, микроорганизмы и животные, образующие на суше сложные биоценозы.

Зеленые растения. На суше ежегодно образуется 15*10¹⁰ тонн биомассы, синтезируемой зелеными растениями. Часть этой биомассы в виде корневых остатков и наземного опада ежегодно возвращается в почву. Основная функция для процессов почвообразования биологический круговорот веществ – поступление из почвы элементов питания и воды, синтез органической массы и возврат её в почву после завершения жизненного цикла. Все живые организмы на Земле взаимосвязаны в биологические ценозы.

Основы учения о растительных формациях с точки зрения почвоведения были разработаны В.Р.Вильямсом. Он учитывал состав растительных группировок, особенности поступления в почву органического вещества и характер его разложения под воздействием микроорганизмов и при различном соотношении аэробных и анаэробных процессов.

Различают следующие формации растений:

1.Деревянистая формация: таежные леса, широколиственные леса, субтропические и влажные тропические леса.

2.Травянистые формации: суходольные и заболоченные луга, степи умеренного пояса, травянистые прерии, субтропические кустарниковые степи.

3.Пустынные формации.

4.Лишайниково-моховые формации: тундра, болота.

Каждая из этих формаций характеризуется своим составом органического вещества и своим жизненным циклом.

Деревянистая растительность преобладает на земной поверхности по биомассе. Особенность в том, что она многолетняя и растительные остатки попадают в почву в виде наземного опада. Процесс преобразования этих остатков протекает на поверхности почвы, где формируется так называемая лесная подстилка и в минеральную толщу поступают водно-растворимые продукты разложения. Особенностью биологического круговорота в лесу является длительная консервация значительного количества питательных веществ и выключение их из ежегодного биологического круговорота. Под покровом леса уменьшается испарение воды с поверхности почвы, господствуют нисходящие токи воды. В различных условиях формируются разные типы лесов и, соответственно, разные типы почв.

Травянистая растительность по суммарной биомасс занимает второе место на суше, причем в различных природных условиях общая биомасса травянистых ценозов колеблется от 40 ц/га в пустынях и арктической тундре до 250 ц/га в луговых степях. Травянистая растительность образует в почве густую сеть тонких корней, переплетающих всю верхнюю часть почвенного профиля, которая обычно превышает наземную часть. Она богата элементами минерального питания, которые ежегодно возвращаются в верхнюю часть почвенного профиля, обусловливая их аккумуляцию и интенсивный биологический круговорот веществ. Процесс трансформации этих растительных остатков протекает непосредственно в толще почвы. Корневые системы и продукты их разложения повышают плодородие почв, обогащая их элементами питания растений.

Лишайниково-моховая растительность ежегодно поставляет 30 –50 ц/га, но малая интенсивность биологического круговорота и высокая влагоемкость мха превращают его постепенно в торф, а в случае постоянного иссушения легко развеваются ветром. Процесс аккумуляции происходит на поверхности.

Органическое вещество почв.

Характеристика органической части почвы.

Органическая часть почвы на является химически индивидуальным веществом. Она представлена как минимум четырьмя сложными по химическому составу компонентами:

1.Неразложившиеся (свежие) органические остатки.

2.Полуразложившиеся, потерявшие форму и анатомическое строение органические остатки.

3.Низкомолекулярные и высокомолекулярные вещества – продукты разложения органических остатков.

4.Специфические почвенные продукты синтеза новых органических веществ – гумуса.

С агрономической точки зрения особое внимание заслуживает гумус, специфическое органическое вещество почвы (humus – лат. почва, земля).

Из четырех указанных компонентов только первый может быть более или менее полностью отделен от основной массы почвы при её подготовке к анализу на содержание гумуса. Остальные три компонента невозможно отделить от массы почвы. Они составляют общий гумус.

Гумус – это сложный динамический комплекс органических соединений, образовавшийся при разложении и гумификации органических остатков.

Источником гумуса служат преимущественно органические остатки высших растений, низших организмов и животных, развивающихся в почве.

По химическому составу органическое вещество почвы делится на две группы:

1.Неспецифические органические соединения, которые могут быть выделены из почвы и количественно определены ( сахара, аминокислоты, белки, органические основания, дубильные вещества, органические кислоты ).

2.Специфические гумусовые соединения – это наиболее характерная специфическая часть, составляющая 80 – 90% общего содержания органического вещества в большинстве минеральных почв.

Эти гумусовые вещества представляют собой смесь различных по составу и свойствам высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений, объединённых общностью происхождения, некоторых свойств и строения. Важнейшие особенности:

1.Специфическая окраска, изменяющаяся от темно-бурой ( почти черной) до красно-бурой (почти оранжевой).

2.Кислотный характер, обусловленный карбоксильными группами.

3.Содержание углерода 36 –62%, азота 2,5-5% в различных группах и фракциях.

4.Наличие во всех группах циклических фрагментов, содержащих 3 –6% гетероциклического азота.

5.Наличие негидролизуемого азота в количестве 25-35% от общего.

6.Большое разнообразие веществ по молекулярным массам, в пределах 700 –сотен тысяч.

Гумусовые вещества по растворимости и экстрагируемости делятся на группы:

Фульвокислоты (ФК),

Гуминовые кислоты (ГК),

Гумины,

Гиматомелановые кислоты

Фульвокислоты – наиболее растворимая группа гумусовых соединений, обладающая высокой подвижностью. Они растворимы в воде, кислотах, слабых растворах щелочей, органических растворителях. Выделенные из почвы фульвокислоты, окрашены в светло- бурый цвет, а растворы – от желтого до оранжевого. Состав: С - 36 – 44%, Н – 3 –5%, О – 45 –50%, N – 3-4,5%/. Преобладают в почвах подзолистого типа, красноземах.

Гуминовые кислоты – нерастворимы в минеральных и органических кислотах. Выделяются из почвы растворами щелочей или совместным воздействием со слабыми кислотами. Состав С – 52 - 62%, О –31 – 39%, H – 3 – 6%, N – 3 – 5%.

Водород карбоксильных групп способен замещаться различными катионами с образованием солей – гуматов. Гуматы одновалентных катионов (Na⁺, K⁺, NH₄⁺) – растворимы в воде. В большинстве почв из катионов преобладает Са и в основном образуются гуматы кальция, которые нерастворимы в воде и выпадают в почве в осадок. Гуматы магния и трехвалентных катионов (Fe, Al ) также нерастворимы в воде.

Гумины – почвенного гумуса представляют собой комплекс гуминовых и фульвокислот, прочно связанных друг с другом и с минеральной частью почвы. Этим объясняется высокая устойчивость к действию кислот и щелочей. Это не экстрагируемая часть гумуса.

Гиматомеланивые кислоты – группа гумусовых веществ с промежуточными свойствами между гуминовыми и фульвокислотами. Ранее включались в группу гуминовых кислот и отличались от них растворимостью в полярных органических растворителях и другими свойствами.

Роль органического вещества в почве.

1.Способствет формированию устойчивой структуры.

2.Источник элементов минерального питания растений (азот, фосфор, калий ) и микроэлементов.

3.Источник органического питания для м/организмов.

4.Влияет на продуктивность фотосинтеза, являясь источником СО₂ в приземном слое воздуха

5.Источник биологически активных веществ в почве (природные ростовые вещества, ферменты, витамины, и т.д.).

6.Ускоряет разложение пестицидов в почве.

7.Снижает поступление загрязняющих токсичных веществ в растения и способствует их удалению.

Это, конечно далеко не исчерпывающая информация о роли органического вещества в почве. При использовании почв в сельскохозяйственном производстве необходимо регулировать количество гумуса. К основным мероприятиям по регулированию гумуса относятся:

1.Систематическое внесение в почву достаточно высоких норм органических удобрений в виде навоза и торфяных компостов.

2.Применение зеленых удобрений (люпин, сераделла).

3.Выращивание многолетних трав.

4.Известкование кислых и гипсование солонцов.

5.Рациональная обработка почвы для данной зоны.

6.Мелиорация (орошение и осушение).

15. Поглотительная способность почв.

Большую роль в изучении почвенных коллоидов и их свойств в почвообразовании и плодородии сыграли работы К.К.Гедройца, который разработал методику определения поглотительной способности почв.

Поглотительная способность почв – это способность поглощать и удерживать в себе растворенные вещества, твердые частицы, пары воды, газы.

Гедройц выделил пять видов поглотительной способности:

1.Механическая – свойство почвы, как всякого пористого тела, задерживать в своей толще твердые частицы, крупнее, чем система пор.

2.Физическая – способность почвы поглощать целые молекулы поверхностью коллоидных частиц, то есть, вследствие адсорбции. Чем больше в почве коллоидных частиц, тем выше поглотительная способность. Физически поглощают водяной пар, молекулы газа, твердых веществ, целые бактерии. Примером физического поглощения служит гигроскопическая влага – это молекулы воды, адсорбированные вокруг коллоидных частиц почвы.

Физическая поглотительная способность основана на свойстве почвы изменять концентрацию молекул различных веществ на поверхности мельчайших частиц. Молекулярная адсорбция бывает положительной и отрицательной. Молекулы, притягивающиеся к поверхности частиц, испытывают положительную физическую сорбцию. Это органические кислоты, высокомолекулярные органические соединения. Молекулы, не увеличивающие свою концентрацию на поверхности высокодисперсных частиц, испытывают отрицательную физическую сорбцию (нитраты, хлориды). Она приводит к тому, что почва их не удерживает.

3.Физико-химическая поглотительная способность – свойство почвы обменивать некоторую часть катионов, содержащихся в твердой фазе на эквивалентное количество катионов почвенного раствора.

Совокупность соединений, обладающих способностью к обменным реакциям называется почвенным поглощающим комплексом (ППК).

Физико-химическое поглощение в почве – это обмен катионов для которых характерны эквивалентность и полная обратимость.

Обменное поглощение анионов выражено у кислых почв, богатых железом и алюминием, которые являются амфолитоидами. В таких почвах предполагается наличие базоидов, которые способны обменно поглощать ионы хлора, нитратов, сульфатов.

4.Химическая поглотительная способность состоит в образовании трудно растворимых соединений при взаимодействии отдельных компонентов почвенного раствора. При этом образуется новая твердая фаза. Химическая поглотительная способность имеет значение в поглощении анионов фосфорной кислоты, органического вещества.

5.Биологическая поглотительная способность выражается в поглощении почвенными организмами и корнями растений веществ из почвенного раствора. Для биологической поглотительной способности характерна избирательность, это свойство живых организмов, а не почвы. Состояние живого органического вещества – это единственное состояние в котором минеральное вещество защищено от растворения в воде.

16. Кислотность и щелочность почв.

Почвенный раствор оказывает значительное влияние на плодородие. Поэтому необходимо знать его состав, свойства и реакцию среды. Она определяется соотношением свободных ионов Н⁺ и ОН^-. Концентрация свободных ионов Н⁺ выражается величиной рН, представляющей отрицательный логарифм концентрации ионов водорода. Реакция почвы при рН 7 нейтральная, рН менее 7 – кислая, более 7 – щелочная.

Реакция почвенного раствора в различных почвах изменяется от рН 3 до рН 9.

сильно кислые рН 3 – 4 - болотные

кислые 4 – 5 - подзолистые

слабокислые 5 – 6 - дерново-подзолистые

нейтральные 6 – 7 - черноземы

щелочные 7 – 8 - каштановые

сильно щелочные 8 – 9 -солонцы

Сельскохозяйственные растения предъявляют разные требования к рН почвы. Наиболее благоприятна слабокислая и нейтральная реакция. Отрицательно сказывается на развитии растений сильно кислая и особенно сильно щелочная реакция почвенного раствора. Наиболее лояльны к кислой среде люпин, картофель, чай; к щелочной – люцерна (оптимум рН 7 – 8), хлопчатник.

С реакцией почвенного раствора тесно связана жизнедеятельность почвенной микрофлоры. В кислой среде преобладает грибная микрофлора, в нейтральной и слабощелочной – бактериальная.

Различают следующие виды почвенной кислотности:

актуальная (активная) кислотность и потенциальная, которая подразделяется на обменную и гидролитическую.

Актуальная обусловлена наличием ионов водорода в почвенном растворе, находящимися в почве органическим и минеральными кислотами, гидролитически кислыми солями, углекислым газом. Актуальная кислотность легко изменяется и оказывает непосредственное влияние на развитие растений и микрофлору.

Потенциальная кислотность – это кислотность твердой фазы. Она имеет сложную природу и носителями её являются ионы водорода и алюминия.

В гумусовых горизонтах наибольшее значение в формировании кислотности принадлежит иону водорода, а в минеральных горизонтах – алюминию. Особенном много алюминия в почвах, формирующихся на аллитной коре выветривания в условиях влажного субтропического и тропического климата (красноземы и желтоземы).

Знание кислотности необходимо при решении вопросов известкования, гипсования почв, проблем применения удобрений.

Известкование кислых почв.

Для устранения избыточной кислотности проводят известкование кислых почв.

Известковые удобрения применяются в сельском хозяйстве очень давно. Еще 2 тысячи лет назад земледельцы британских островов и Галлии использовали мергель и мел на полях и пастбищах. Однако они не знали его природы и применяли известь как средство заменяющее навоз, вносили большие дозы, что приводило к отрицательным результатам.

В России более 40 млн га пашни и 12 млн га лугов имеют повышенную кислотность.

2Н⁺ Са⁺⁺

ППК)Са⁺⁺ + п СаСО₃ = ППК) Са⁺⁺ + (п-1)СаСО₃ + Н₂СО₃

Н₂О СО₂

Доза извести = 1,5 Н_г т/га.

Щелочность почв.

По аналогии с кислотностью различают актуальную и потенциальную щелочность.

Актуальная кислотность определяется содержанием в почвенном растворе или водной вытяжке гидролитически щелочных солей, преимущественно карбонатов и гидрокарбонатов щелочных и щелочноземельных металлов (Na₂CO₃, NaHCO₃, Ca(HCO)₃). Актуальная щелочность может определяться значением рН водной вытяжки, а также титрованием водной вытяжки кислотой. Оценивается в мг – экв / 100г почвы.

Потенциальная щелочность почв определяется содержанием обменного натрия, поскольку может переходить в почвенный раствор, подщелачивая его. Щелочность почв принято оценивать только по значению актуальной щелочности. Актуальная и потенциальная щелочности тесно связаны через процессы ионного обмена.

Гипсование почв.

Для борьбы с излишней щелочностью и значительным количеством обменного натрия проводят гипсование

2 Na⁺ Ca⁺⁺

ППК Ca⁺⁺ + n CaSO₄ = ППК Ca⁺⁺ + (n – 1) CaSO₄ + Na₂SO₄

Этот прием эффективен при условии промывки и удаления сульфата натрия.

Доза гипса, применяемая для борьбы с поглощенным натрием

CaSO₄ 2H₂O (т/га ) = 0,086 (Na – K T) h d_v

0,086 – значение 1 м –экв гипса.

Na – общее содержание обменного натрия.

T – емкость катионного обмена.

17. Структура почв.

В практике земледелия давно отмечено влияние структуры почвы на её плодородие и развитие растений. Структуру почвы изучали Докучаев, Костычев, Вильямс, позднее Гедройц, Вершинин, Качинский, Саввинов.

Морфология почв.

Способность почвы распадаться на агрегаты называется структурностью, а совокупность агрегатов разной величины, формы и состава называется структурой.

Структура – агрегаты на которые распадается почва. Они состоят из соединенных между собой механических элементов и мелких агрегатов. По форме, размерам и качественному составу иногда можно определить тип почвы.

По Захарову различают три основных типа структуры:

1.Кубовидная – структурные отдельности равномерно развиты по трем взаимно перпендикулярным осям.

2.Призмовидную – отдельности развиты преимущественно по вертикальной оси.

3.Плитовидную – отдельности развиты по двум горизонтальным осям и укорочены по вертикали.

Каждый из перечисленных типов в зависимости от характера ребер, граней и размера подразделяются на более мелкие единицы (род, вид).

В зависимости от размера структуры подразделяются на следующие группы (по Вершинину):

1.Мегаструктура (глыбистая) > 10 мм

2.Макроструктара 10 – 0,25 мм

3.Грубая микроструктура 0,25 – 0,01 мм

4.Тонкая микроструктура < 0,01 мм

Почва может быть структурной и бесструктурной. При структурном состоянии почвы она равномерно распадается на отдельности той или иной формы и величины. Бесструктурные почвы характеризуются раздельными механическими элементами (рыхлый песок).

В любом из почвенных горизонтов структурные отдельности не бывают одного размера и формы и при описании её отличают двумя или тремя словами ( комковато-пластинчато- пылеватая).

Агрономическое значение структуры.

Оценка структуры определяется её размером, пористостью, механической прочностью и водопрочностью.

Агрономически ценные – агрегаты размером 10 – 0,25 мм, обладающие активной пористостью (>45%), и водопрочностью.

Водопрочность – способность почвы противостоять размывающему действию воды. При отсутствии этого показателя структурные отдельности быстро разрушаются при выпадение дождей или орошении и почва становится бесструктурной. Во влажном состоянии такая почва заплывает, при подсыхании образуется корка.

При наличии агрономически ценной структуры в почве создается благоприятное сочетание капиллярной и некапиллярной пористости. Между агрегатами (комками) преобладают некапиллярные поры, а внутри агрегатов – капиллярные.

В бесструктурной почве механические элементы лежат плотно, поэтому в ней образуются в основном капиллярные поры.

Структурные почвы, благодаря наличию некапиллярных пор хорошо впитывают влагу, которая по мере движения рассасывается комками, промежутки между комками заполняются воздухом. Такая почва легко поглощает воду, а наличие некапиллярных пор предохраняет почву от испарения влаги с поверхности. Таким образом, в структурной почве одновременно создаются условия для обеспечения растений влагой и воздухом.

Бесструктурной почвой вода поглощается медленно, значительная часть её теряется вследствие поверхностного стока. Сплошные капилляры вызывают большие потери влаги от испарения. В такой почве наблюдается два крайних состояния увлажнения: избыточное или недостаточное. При избыточном увлажнении все промежутки заполнены водой и воздух отсутствует, при недостаточном увлажнении – дефицит влаги.

Утрата и восстановления структуры.

Структура почвы динамична. Она восстанавливается под влиянием различных факторов. Причинами утраты являются: механическое разрушение, физико-химические явления и биологические процессы.

Механическое разрушение структуры происходит под влиянием обработки почвы, передвижения по поверхности машин, орудий, животных, под ударами капель дождя. Восстановление происходит при обработке почвы в состоянии физической спелости.

Физико-химические причины связаны с заменой в ППК 2-х валентных катионов (кальций, магний) на одновалентные (натрий). Применение химических мелиораций (известкование, гипсование) обогащает ППК кальцием и улучшает структуру.

Биологические причины разрушения структуры связаны с процессами минерализации гумуса – основного клеющего вещества при образовании структуры.

Восстановление и сохранение структуры в условиях сельскохозяйственного использования проводится агротехническими методами: посев многолетних трав, обработка почвы в спелом состоянии, известкование кислых и гипсование солонцов, внесение органических удобрений.

Искусственное оструктуривание почв осуществляется введением в них небольшого количества (0,001% от массы почвы) структурообразующий веществ (крилиумов) по составу органических веществ.