Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
Р.Н. ПЛОТНИКОВА, О.В. КЛЕПИКОВ,
М.В. ЕНЮТИНА, Л.Н. КОСТЫЛЕВА
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ФГБОУ ВПО
Утверждено
ВОРОНЕЖ
2012
УДК 50 (075)
Б1 я 7
Н34
Научный редактор профессор В. И. КОРЧАГИН
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра геоэкологии и мониторинга окружающей среды
Воронежского государственного университета;
д-р техн. наук Н. В. МОЗГОВОЙ
(Воронежский государственный технический университет)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Науки о Земле [Текст] : учеб. пособие / Р. Н. Плотникова,
Н34 О. В. Клепиков, М. В. Енютина, Л. Н. Костылева; Воронеж. гос.
ун-т инж. технол. – Воронеж : ВГУИТ, 2012. - 275 с.
ISBN 978-5-89448-934-6
Учебное пособие написано в соответствии с требованиями ФГОС ВПО
подготовки бакалавра по направлению 241000.62 – «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»
(профиль «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»). Оно предназначено для закрепления теоретических знаний
дисциплины цикла ЕН. Приведены систематизированные сведения, которые
могут быть использованы для создания активной системы контроля за состоянием окружающей среды и разработки научно обоснованных прогнозов экологических последствий хозяйственной деятельности.
1501000000-05 УДК 50 (075)
Н Без объявл. Б1 я 7
ОК2 (03)-2012
ISBN 978-5-89448-934-6
© Плотникова Р.Н., Клепиков О.В.,
Енютина М.В., Костылева Л. Н., 2012
© ФГБОУ ВПО «Воронеж. гос. ун-т
инж. технол», 2012
Оригинал–макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
«Науки о Земле» - одна из основополагающих естественнонаучных дисциплин при подготовке бакалавров. В соответствии с
требованиями Государственного образовательного стандарта
высшего образования она включает в себя: геологию, гидрогеологию, гидрологию, гидрометрию, почвоведение, ландшафтоведение, климатологию и метеорологию.
Ее преподавание согласно учебному плану подготовки бакалавров по направлению 241000.62 - «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» предусмотрено после изучения дисциплины «Экология». В ней освещаются закономерности различных физических,
физико-химических, химических, биологических и биохимических процессов, происходящих в объектах окружающей среды:
атмосфере, гидросфере, почвах. Качественное усвоение материала базируется на знании таких естественно-научных дисциплин,
как «Общая и неорганическая химия», «Аналитическая химия и
физико-химические методы анализа», «Экология».
Учебное пособие предназначено для систематизации и закрепления лекционного материала, а также для самостоятельной
работы студентов. Материалы издания могут быть использованы
при подготовке к лабораторным работам и коллоквиумам, при
выполнении индивидуальных домашних заданий.
Изучение процессов формирования и трансформации отдельных объектов окружающей среды позволяет прогнозировать
их состояние на локальных участках, в отдельном регионе и глобальных масштабах, давать экономическую оценку состояния
окружающей среды и природных ресурсов, а следовательно, и
стоимость реализации проектов гражданского, промышленного и
сельскохозяйственного назначения.
Глава 1 «Геология» освещает вопросы строения и современного состояния Земли и земной коры, влияния экзо- и эндогенных процессов.
В главах 2, 3 «Почвоведение» и «Основные типы почв»
рассмотрены различные аспекты почвообразовательных процессов и их связи с другими биосферными процессами, а также
3
представлены основные типы почв, находящиеся на территории
России.
В главе 4 «Ландшафтоведение» описано влияние различных
ландшафтов на состояние и перспективы развития отдельных
природных объектов, накопления, миграции и трансформации
загрязняющих веществ природного и антропогенного характера в
почвах различного происхождения и состава.
Главы 5, 6 «Гидрология и гидрометрия», «Гидрогеология»
дают представление о процессах и закономерностях формирования и распространения поверхностных и подземных вод во взаимосвязи с эндогенными, экзогенными и техногенными факторами.
В главе 7 «Метеорология и климатология» освещены основные аспекты климатологии и метеорологии.
Пособие может быть полезно студентам, инженернотехническим работникам, занимающимся экологическими вопросами и экологическим образованием на предприятиях, а также
вопросами экономики и прогнозирования промышленного природопользования.
4
ГЛАВА 1. ГЕОЛОГИЯ
Геология знакомит со строением, состоянием Земли и зем-
ной коры, эндогенными и экзогенными геологическими процессами.
Наружные оболочки Земли различаются по фазовому состоянию основных элементов, представляющих собой каждую из
оболочек. Многолетние исследования ученых доказали их тесную
связь и способность вещества каждой из них проникать в пределы других. Так, подземные воды проникают в верхнюю часть
земной коры, большая часть газов растворена в водах Мирового
океана либо входит в состав почв и горных пород, парообразная и
капельная влага, а также различные минеральные частицы находятся в тропосфере. Такая тесная взаимосвязь требует дальнейшего изучения эволюции каждой из оболочек.
1.1. Строение и химический состав Земли и земной коры
1.1.1. Структура Земли
Под формой Земли понимается форма физической поверхности ее континентов и дна Мирового океана. Геодезические измерения показали, что Земля имеет форму шара, сплюснутого у
полюсов, или эллипсоида вращения. Длина экваториального и
полярного радиусов составляет 6378 и 6356 км. Разница в их
длине, или сплюснутость - 21382 м. Длина экватора - 40075 км,
меридиана - 40008 км. Площадь поверхности - 510,08 млн км2 , из
которых 148,63 млн км2 занято сушей, остальное - Мировым
океаном. Средняя глубина водной оболочки Земли - 3794 м,
средняя высота суши над уровнем моря - 850 м.
Согласно современным научным представлениям выделя-
ются три главные области Земли:
1. Земная кора (слой А) представляет собой верхнюю оболочку Земли от 6 – 7 км под глубокими частями океанов, до 35 –
40 км под равнинными платформенными территориями континентов и до 50 – 75 км под горными массивами.
5
2. Мантия Земли распространяется до глубин 2900 км:
верхняя мантия (слой В) до 400 км и (слой С) – до 800-1000 км,
нижняя мантия (слой D) до 2700 км с переходным слоем от 2700
до 2900 км.
3. В ядре Земли выделяются: слой Е – от 2900 до 4980 км,
переходная оболочка – от 4980 до 5120 км и внутреннее ядро
(слой G) – до 6971 км.
Континенты и впадины океанов - наиболее крупные структурные элементы земной коры. Они отличаются друг от друга
своим строением, почти везде ограничены разломами с глубиной
заложения до 100 км, проходящими вдоль континентальных
склонов на дне океанических впадин. Отдельные участки земной
коры, занимающие большие площади континентов (платформы
тектонического движения), испытывают радиальные тектонические перемещения.
Тектонические процессы приводят к перестройке и развитию литосферы, при этом образуются узкие (до нескольких сотен
километров) зоны между платформами, отличающиеся большими
(до десятков километров) амплитудами и контрастностью движений. Эти участки (геосинклинальные пояса), нередко имеющие
глобальное распространение, обычно состоят из нескольких геосинклинальных систем с ярко выраженным проявлением магнетизма. Таким образом, земная кора разделяется на литосферные
плиты, границы между которыми проходят по дну океанов вдоль
средних океанических хребтов, а на континентах протягиваются
по узким зонам максимальной сейсмичности с большим числом очагов землетрясений.
Континентальная и океаническая кора также существенно
отличается по строению. Кора континентов имеет – значительную толщину и состоит из 3 слоев: осадочного, гранитометаморфического и базальтового. Океаническая кора при значительно меньшей толщине состоит из 2 слоев – маломощного осадочного и базальтового. Плотность практически всех оболочек
скачкообразно увеличивается по направлению к ядру.
При исследованиях структуры Земли с помощью сейсмических волн отмечена разная скорость их прохождения в различных
6
слоях земной коры. На основании полученных результатов исследований выделены шесть слоев с различной скоростью прохождения волн:
Слой 1 – осадочный, породы которого образовались осаждением частиц из воды. Его толщина на материках достигает до
35 км, в океанах до 8-12 км и меньше. Скорость сейсмических
волн в этом слое постепенно увеличивается. У границы слоя 2
отмечается скачкообразное увеличение скорости прохождения
волн с 3,5 до 5,5 км/с.
Слой 2 – гранитно-метаморфический. Его толщина в некоторых местах материков доходит до 35 км, тогда как в океанах
он практически отсутствует. Скорость сейсмических волн здесь
увеличивается от 5,5 до 6,2 км/с, с резким изменением в слое 3,
граница с которым называется разделом Конраде или разделом К.
Слой 3 – базальтовый. Базальты представляют собой продукты вулканических извержений, образовавшиеся в результате
затвердевания лавы с большим количеством железа, магния, хлора. Кроме базальтов в этом слое большую роль играют амфиболиты – метаморфические породы, состоящие из минералов групп
амфиболов. Толщина базальтового слоя на материках достигает
40 км. В океанах под осадочным слоем небольшой мощности
сразу залегает базальтовый толщиной не более 5 км, в котором
выделяются 2 слоя: собственно базальтовый, состоящий из базальтов с повышенным содержанием олова, и амфиболитовый.
Скорость прохождения сейсмических волн в базальтовом слое
увеличивается к нижней его границе от 6,6 до 7,4 км/с и резко
возрастает ниже ее. Эта граница называется разделом Мохорови-
ча (раздел Мохо или разделом М). Он является нижней границей
земной коры, средняя толщина которой около 40 км.
Верхняя мантия состоит из литифицированной мантии,
слоев Гуттенберга и Голицына.
Слой 4 – литифицированная мантия, состоящая из минера-
лов групп олеина и гранатов. Толщина слоя достигает 100 км.
Скорость распространения сейсмических волн 8,2–8,6 км/с. Земная кора и литифицированная мантия образуют твердую литосферу, ниже находится сейсмический раздел первого порядка, на
котором скорость сейсмических волн резко уменьшается.
7
Слой 5 – слой Гуттенберга (астеносфера), в котором скорость сейсмических волн снижается до 7,5 км/с. Это связано с
тем, что в астеносфере небольшая вязкость вещества за счет частичного расплавления нижней границы этого слоя, местами уходящего на глубину более 400 км. Предполагается, что в астеносфере происходят процессы, определяющие тектонические движения вышележащих слоев. В ней фиксируются очаги глубокофокусных землетрясений и, вероятно, магматические очаги. В
связи с этим первые 5 слоев часто объединяют в тектоносферу,
учитывая, что здесь возникают, формируются и развиваются
структуры литосферы.
Слой 6 – слой Голицына, в котором скорость сейсмических
волн вновь начинает возрастать до границы верхней и нижней
мантии, достигая 11,4 км/с.
1.1.2. Элементы рельефа Земли
Наиболее крупные элементы рельефа Земли – материки и
океаны – являются элементами мегарельефа. К элементам макрорельефа относят: хребты, кряжи, равнины, низменности. Мезорельеф представляют отдельные горы, долины рек, озер, морей.
Рельеф континентов существенно отличается от рельефа
дна океанов. Высоких гор на Земле немного. Их площадь составляет всего несколько процентов от площади всей планеты. Около
20 % площади на материках занимают равнины, высота которых
редко превышает 300 м от уровня моря.
Низкая равнинная часть континентов, приближающаяся к
морям и океанам и опускающаяся под них, называется материковой платформой. Она образует практически горизонтальную поверхность на глубинах до 250 м на площади около 6 %. Континентальные слои простираются до глубины 2500 м, занимая
площадь более 10 %. Рельеф континентального склона осложнен
каньонами, спускающимися к подножию; некоторые из них достигают глубины 1000 м. На глубине 2000-9500 м выделяется
континентальное подножие, переходящее в ложе Мирового
8
океана со средней глубиной 3797 м, занимающее площадь более
5 % поверхности Земли.
Зоны перехода от континентов к океанам не везде одинаковы. По окраинам океана они достаточно сложны и характеризуются небольшим шельфом, окраинными морями.
1.1.3. Химический состав земной коры
Во второй половине XIX века химики всего мира активно
изучали химический состав горных пород. Установлено, что в
земной коре преобладают следующие химические элементы: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий, натрий. По предложению академика А. Е. Ферсмана среднее значение относительного содержания химического элемента в земной
коре и других глобальных и космических системах называется
кларком. Кларки химических элементов первой (главные элемен-
ты) группы и второй (рассеянные элементы) группы могут различаться в миллиарды раз (таблица).
Таблица
Химический
элемент
Кислород 481000 Рений 0,0007
Кремний 399000 Свинец 16
Алюминий 80000 Вольфрам 1,9
Железо 36000 Бром 2,2
Калии 27000 Кобальт 7,3
Кальций 25000 Хром 34
Натрий 22000 Сера 400
Молибден 1,3 Углерод 300
Среднее содержа-
ние, 10-4, %
Химический
элемент
Среднее содержа-
ние, 10-4, %
Для образования любого химического соединения необходима концентрация исходных элементов не менее минимальной,
ниже которой реакция невозможна, поэтому в земной коре представлены соединения главных элементов с высокими кларками, в
то время как количество различных минералов превышает
2-3 тыс. видов. Силикаты алюминия, железа, кальция, магния,
9
калия и натрия в различных минералах составляют до 80 % массы земной коры, оксида кремния – около 12 %.
Все минералы имеют кристаллическое строение, особенностями которого объясняется, по концепции В. М. Гольдшмидта,
распределение рассеянных элементов. Согласно этой концепции
кристаллическая структура в основном состоит из анионов кислорода, образуя своеобразный геохимический фильтр, способствующий дифференциации химических элементов по величине их
ионов. Поэтому в конкретную кристаллохимическую структуру
могут войти не любые элементы, а только те, ионы которых имеют необходимый размер радиусов. Так происходит сортировка
рассеянных элементов.
Взаимное замещение ионов в кристаллической структуре
по близкому размеру радиусов называется изоморфизмом. Следствием изоморфизма является концентрирование отдельных рассеянных элементов в определенных минералах. Например, полевые шпаты концентрируют барий, стронций, свинец, оливины,
никель, кобальт и т. Д. Рубидий, рений, гафний вообще не образуют самостоятельных соединений в литосфере, но встречаются в
кристаллохимических структурах минералов-носителей.
Большая доля рассеянных элементов, не входящих в кристаллохимическую структуру, закрепляется в дефектах кристаллов (различного рода трещины) посредством сорбционных сил.
Так, в породообразующих силикатах до 10-20 % рассеянных металлов находятся в таком виде.
Распределение различных элементов по поверхности Земли неравномерно и сосредоточено в основном в месторождениях
руд с постепенным снижением концентрации металлов при переходе от залежей руд к окружающим горным породам. Неравномерные по конфигурации образования с постепенным уменьшением концентрации от центра к периферии называются орео-
лами рассеяния. Неравномерность распространения элементов в
породах зависит от геологического строения, состава вмещающих пород и условий рудообразования.
В определенном географическом районе с соответствующим типом пород среднее содержание какого-либо элемента
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]