Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

космологическим представлениям, заложенным О. Ю. Шмидтом, Земля и Луна, равно как и другие планеты Солнечной системы, образовались за счет аккреции (слипания и дальнейшего роста) твердых частиц газопылевого протопланетного облака. На первом этапе рост Земли шел в ускоряющемся режиме аккреции, но по мере исчерпания запасов твердого вещества в околоземном рое планетезималей протопланетного облака этот рост постепенно замедлился. Процесс аккреции Земли сопровождался выделением колоссального количества гравитационной энергии, примерно 23,3 х 1038 эрг Такое количество энергии способно было не только расплавить вещество, но даже растворить его, но большая часть этой энергии выделялась в приповерхностной части Протоземли и терялась в виде теплового излучения На то, чтобы Земля сформировалась на 99 % от ее современной массы,

потребовалось 100 млн лет.

На первом этапе молодая Земля сразу же после образования была относительно холодным телом и температура ее недр не превышала температуры плавления земного вещества, в силу того, что при формировании планеты происходил не только нагрев за счет падающих планетезималей, но и остывание за счет теплопотерь в окружающее пространство, кроме того, Земля имела однородный состав. Дальнейшая эволюция Земли обусловлена ее составом, теплозапасом и историей взаимодействия с Луной. Влияние состава сказывается прежде всего через энергию распада радиоактивных элементов и гравитационную дифференциацию земного вещества.

До формирования планетной системы звезда Солнце представляла собой практически классический красный гигант Звезды этого типа в результате внутренних ядерных реакций водородного горения формируют более тяжелые химические элементы с выделением огромного количества энергии и возникновением сильного светового давления с поверхности на газообразную атмосферу. В результате комбинационного воздействия этого давления и огромного притяжения атмосфера звезды испытывала

попеременное сжатие и расширение Этот процесс в условиях динамического увеличения массы газовой оболочки продолжался до тех пор, пока в результаге резонанса внешняя газовая оболочка, оторвавшись от Солнца, не превратилась в планетарную туманность.

Под воздействием силового магнитного поля звезды ионизированное вещество планетарной туманности подверглось электромагнитной сепарации слагающих его химических элементов Постепенная потеря тепловой энергии и электрических зарядов газов привело их к слипанию. При этом под воздействием магнитного поля звезды обеспечивалась эффективная передача момента вращения к образовавшимся в результате аккреции планетезималям,

которые послужили началом формирования всех планет солнечной системы При потере заряда ионизированными химическими элементами последние превращались в молекулы, реагировавшими друг с другом, образуя простей-

шие химические соединения гидриды, карбиды, оксиды, цианиды, сульфиды и хлориды железа и др.

Процесс постепенного уплотнения, разогревания и дальнейшей дифференциации вещества в образовавшихся планетах происходил с захватом частиц из окружающего пространства. В центре формирующейся протопланеты концентрировались металлы за счет гравитационного разделения вещества. Вокруг этой зоны собирались карбиды железа и никеля, сернистое железо и оксид железа. Таким образом образовалось внешнее жидкое ядро, которое в своей оболочке содержало гидриды и оксиды кремния и алюминия, воду, метан, водород, оксиды магния, калия,

натрия, алюминия, кальция и другие соединения. При этом происходила зонная плавка образовавшейся оболочки и сокращение поверхности и уменьшение объема планеты. Следующими этапами было формирование мантии, протокоры и выплавление астеносферы. Протокора дробилась за счет упомянутого выше сокращения объема и поверхности. За счет этого на поверхность изливались базальты, которые после остывания вновь погружались в глубинную часть мантии и подвергались следующей

переплавке, затем часть базальтовой коры постепенно трансформировалась в гранитную.

Поверхностные слои Земли на этапе формирования состояли из мелкопористого реголита, который активно связывал выделявшиеся воду и углекислый газ за счет своего ультраосновного состава. Общий теплозапас Земли и распределение температуры в ее недрах определялись скоростью роста планеты. В целом в отличие от Луны Земля никогда не плавилась полностью, а процесс формирования земного ядра растянулся приблизи-

тельно на 4 млрд лет.

Примерно 600 млн лет продолжалось состояние холодной и тектонически пассивной Земли. В это время медленно разогревались недра планеты и примерно 4 млрд лет тому назад на Земле проявилась активная гранитизация и сформировалась астеносфера. При этом Луна как самый массивный спутник «вычищал» из околоземного пространства все имевшиеся там меньшие спутники и микролуны, а на самой Луне произошла вспышка базальтового магматизма, что совпало с началом тектонической активности на Земле (период продолжался от 4,0 до 3,6 млрд лет назад). В

этот же момент в недрах Земли возбуждается процесс гравитационной дифференциации земного вещества — главного процесса, поддерживавшего тектоническую активность Земли во все последующие геологические эпохи и приведшего к выделению и росту плотного оксидно-железного земного ядра.

Так как в криптотектоническую эпоху (катархее) земное вещество никогда не плавилось, то не могли развиваться процессы дегазации Земли,

поэтому первые 600 млн лет существования Земли на ее поверхности полностью отсутствовала гидросфера, а атмосфера была исключительно разряженной и состояла из благородных газов. В это время рельеф Земли был сглаженным, состоявшим из темно-серого реголита. Это освещалось желтым слабогреющим Солнцем (светимость была на 30 % меньше современной) и

непомерно большим без пятен диском Луны (она приблизительно в 300—350

раз превышала современную видимую площадь диска Луны). Луна была еще

горячей планетой и могла обогревать Землю. Стремительным было движение Солнца всего за 3 ч оно пересекало небосвод, чтобы через 3 ч вновь взойти с востока Гораздо медленнее двигалась Луна, так как она быстро вращалась вокруг Земли в ту же сторону, что и фазы Луны проходили все стадии за 8— 10 ч Луна обращалась вокруг Земли по орбите с радиусом 14—25 тыс км

(сейчас радиус 384,4 тыс км). Интенсивные приливные деформации Земли вызывали вслед движению Луны непрерывную (через каждые 18—20 ч)

череду землетрясений Амплитуда лунных приливов составляла 1,5 км Постепенно, примерно через миллион лет после образования, за счет

осуществлявшегося отталкивания лунные приливы снизились до 130 м, еще через 10 млн лет до 25 м, а через 100 млн лет —до 15 м, к концу катархея — до 7 м, а сейчас в подлунной точке современные приливы твердой Земли составляют 45 см. Приливные землетрясения были исключительно экзогенного характера, так как никакой тектонической деятельности еще не было В архее, в самом начале, дифференциация земного вещества происхо-

дила путем выплавления из него металлического железа на уровне верхней мантии. В связи с исключительно высокой вязкостью холодной сердцевины молодой Земли возникшая гравитационная неустойчивость могла быть компенсирована путем выжимания этой сердцевины к земной поверхности и затекания на ее место выделившихся ранее тяжелых расплавов, т. е. путем формирования у Земли плотного ядра. Этот процесс завершился к концу архея около 2,7—2,6 млрд лет назад, в это время все обособленные до этого континентальные массивы стремительно начали двигаться к одному из полюсов и объединились в первый на планете суперконтинент Моногея.

Ландшафты Земли изменились, контрастность рельефа не превышала 1—2

км, все понижения рельефа постепенно заполнялись водой и в позднем архее,

образовался мелководный (до 1 км), единый Мировой океан.

В начале архея Луна удалилась от Земли на 160 тыс км, Земля вращалась вокруг своей оси с большой скоростью (в году было 890 суток, а

сутки продолжались 9,9 ч). Лунные приливы амплитудой до 360 см

деформировали поверхность Земли через каждые 5,2 ч, к концу архея вращение Земли существенно замедлилось (в году стало 490 суток по 19 ч), а

Луна перестала влиять на тектоническую активность Земли Атмосфера в архее пополнилась азотом, углекислым газом и парами воды, но кислород отсутствовал, так как он мгновенно связывался свободным (металлическим)

железом мантийного вещества, постоянно поднимавшегося через рифтовые зоны к поверхности Земли.

В протерозое за счет перераспределения конвективных движений под суперконтинентом Моногея восходящий поток привел к его распаду

(примерно 2,4—3,3 млрд. лет тому назад). Последовавшие затем формирования и дробления суперконтинентов Мегагеи, Мезогеи и Пангеи проходили с образованием сложнейших тектонических структур и продолжались вплоть до кембрия и ордовика (уже в палеозое). К этому времени масса воды на поверхности Земли стала настолько большой, что уже проявилось в формировании Мирового океана. Океанская кора подверглась гидратации и этот процесс сопровождался усилением поглощения углекислого газа с образованием карбонатов. Атмосфера продолжала оставаться обедненной кислородом за счет продолжавшегося связывания его выделявшимся железом. Этот процесс завершился только к началу фанерозоя и с этого времени земная атмосфера стала активно насыщаться кислородом,

постепенно приближаясь к ее современному составу.

В этой новой ситуации произошла резкая активизация жизненных форм, обмен веществ которых был построен на реакциях обратного окисления органических веществ, синтезируемых растениями. Так появились организмы царства животных, это уже к концу кембрийского периода, уже в фанерозое, привело к возникновению всех типов скелетных и бесскелетных животных, сказавшихся на многих геологических процессах в поверхностной зоне Земли в последующие геологические эпохи. Геологическая эволюция фанерозоя изучена гораздо подробнее, чем другие эпохи и можно коротко описать ее только следующим образом. В это наиболее близкое нам время,

как было выявлено, происходили трансгрессии и регрессии океана,

глобальные изменения климата, в частности, чередование ледниковых и практически безледниковых периодов, кстати, первым, как предполагается,

на Земле было Гуронское оледенение в протерозое.

Процессы трансгрессий и регрессий океана при мощном развитии жизненных форм, активная эродирующая деятельность ледников и эрозионная деятельность ледниковых вод привели к значительной переработке пород, слагавших поверхностную зону земной коры,

накоплению терригенного материала на океанском дне, седиментационным процессам накопления органогенного и хемогенного материала в водных бассейнах.

Пространственное расположение материков и океанов постепенно менялось и было весьма различным относительно экватора: попеременно, то северное, то южное полушарие было континентальным или океаническим:

Климат также неоднократно менялся, находясь в тесной связи с эпохами оледенений и межледниковый. Активно от палеозоя до кайнозоя (и в нем)

происходило изменение глубин, температуры и состава вод Мирового океана; развитие жизненных форм привело к выходу их из водной среды и постепенному освоению суши, а также эволюции жизненных форм вплоть до известных. На основании анализа геологической истории фанерозоя следует вывод, что все главные рубежи (разделение геохронологической шкалы на эры, периоды и эпохи) в значительной степени обусловлены столкновениями и расколами материков в процессе глобального перемещения «ансамбля» литосферных плит.

Форма Земли

Форма Земли обычно именуется Земным шаром. Установлено, что масса Земли равна 5,98 х 1027 г, объем 1,083 х 10 27 см3. Средний радиус 6371

км, средняя плотность 5,52 г/см3, среднее ускорение силы тяжести 981 Гал.

Форма Земли близка к трехосному эллипсоиду вращения с полярным сжатием: у современной Земли полярный радиус 6356,78 км, а

экваториальный 6378,16 км. Длина земного меридиана составляет 40008,548

км, длина экватора 40075,704 км. Полярное сжатие (или «сплюснутость»)

обусловлена вращением Земли вокруг полярной оси и величина этого сжатия связана со скоростью вращения Земли. Иногда форму Земли именуют сфероидом, но для Земли есть и собственное наименование формы, а именно геоид. Дело в том, что земная поверхность изменчива и значительна по высоте (есть высочайшие горные системы более чем в 8000 м, например гора Эверест—8842 м и глубокие океанические впадины более чем в 11 000 м,

Марианская впадина — 11 521 м). Геоид вне континентов совпадает с невозмущенной поверхностью Мирового океана, на континентах поверхность геоида рассчитана по гравиметрическим исследованиям и с помощью наблюдений из космоса.

Земля обладает сложноорганизованным магнитным полем, которое можно описать полем, создаваемым намагниченным шаром или магнитным диполем.

Поверхность земного шара на 70,8 % (361,1 млн. км2) занята поверхностными водами (океанами, морями, озерами, водохранилищами,

реками и т. д.). Суша составляет 29,2 % (148,9 млн. км2).

Строение Земли

В общем виде, как установлено современными геофизическими исследованиями на основании, в частности, оценок скоростей распро-

странения сейсмических волн, изучения плотности земного вещества, массы Земли, результатов космических экспериментов по определению распределения воздушного и водного пространств и другими данными, Земля сложена как бы несколькими концентрическими оболочками: внешними— атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера

(область распространения живого вещества, по В.И. Вернадскому) и

внутренними, которые называют собственно геосферами (ядро, мантия и литосфера) (рис. 1).

Непосредственному наблюдению доступны атмосфера, гидросфера,

биосфера и самая верхняя часть земной коры. С помощью буровых скважин человеку удается изучать глубины в основном до 8 км. Проходка сверхглубоких скважин, которая осуществляется в научных целях в нашей стране, США и Канаде (в России на Кольской сверхглубокой скважине достигнута глубина более 12 км, что позволило отобрать образцы горных пород для непосредственного прямого изучения). Основной целью сверхглубокого бурения является достижение глубинных слоев земной коры

— границ «гранитного» и «базальтового» слоев или верхних границ мантии.

Строение более глубоких недр Земли изучается геофизическими методами,

из которых наибольшее значение имеют сейсмические и гравиметрические.

Изучение вещества, поднятого с границ мантии, должно внести ясность в проблему строения Земли. Особый интерес представляет собой мантия, так как земная кора со всеми полезными ископаемыми образовалась в конечном счете из ее вещества.

Атмосфера по распределенной в ней температуре снизу вверх подразделяется на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Тропосфера составляет около 80 % всей массы атмосферы и достигает высоты 16—18 км в экваториальной части и 8—10 км в полярных областях. Стратосфера простирается до высоты 55 км и имеет у верхней границы слой озона. Далее идут до высоты 80 км мезосфера, до 800—1000 км термосфера и выше располагается экзосфера (сфера рассеивания),

составляющая не более 0,5 % массы земной атмосферы (см. рис. 1). В состав атмосферы входит азот (75,51%),кислород(23,3%), аргон(1,28%), углекислота

(0,04 %) и другие газы и почти весь водяной пар. Содержание озона (О3)

равно 3,1 х 1015 г, а кислорода (О2) 1,192 х 1021 г. С удалением от поверхности Земли температура атмосферы резко понижается и на высоте

10—12 км она уже составляет около - 500С. В тропосфере происходит образование облаков и сосредотачиваются тепловые движения воздуха. У

поверхности Земли наиболее высокая температура была отмечена в Ливии (+ 58 °С в тени), на территории бывшего СССР в районе г. Термез (+ 500С в

тени).

Наиболее низкая температура зафиксирована в Антарктиде (—87 °С), а

на территории России в Якутии (—71 °С).

Стратосфера — следующий над тропосферой слой. Присутствие озона в данном атмосферном слое обусловливает повышение температуры в нем до

+ 50 °С, но на высоте 8—90 км температура снова понижается до (—60)— (—90) °С.

Среднее давление воздуха на уровне моря равно 1,0132 бар (760 мм рт.

ст.), а плотность 1,3 х 103 г/см . В атмосфере и ее облачном покрове поглощается 18 % излучения Солнца. В результате радиационного баланса система Земля-атмосфера средняя температура на поверхности Земли положительная + 15 °С, хотя ее колебания в разных климатических зонах могут достигать 150 °С.

Гидросфера — водная оболочка, которая играет большую роль в геологических процессах Земли. В ее состав входят все воды Земли (океаны,

моря, реки, озера, материковые льды и т. д.). Гидросфера не образует сплошного слоя и покрывает земную поверхность на 70,8 %. Средняя мощность ее около 3,8 км, наибольшая—свыше 11 км (11 521 м — Марианская впадина в Тихом океане).

Гидросфера Земли значительно моложе самой планеты. На первых этапах своего существования поверхность Земли была полностью безводной,

да и в атмосфере водяного пара практически не было. Образование гидросферы обусловлено процессами отделения воды из вещества мантии.

Гидросфера в настоящее время составляет неразрывное единство с литосферой, атмосферой и биосферой. Именно для последней — биосферы

— весьма важное значение имеют уникальные свойства воды, как химического соединения, например, изменения в объеме при переходе воды из одного фазового состояния в другое (при замерзании, при испарении);

высокая растворяющая способность по отношению почти ко всем соединениям на Земле.

Таблица 1

_________________

*Активному водообмену и использованию могут быть подвергнуты всего лишь 4 000 тыс. км3 подземных вод, расположенных на небольших глубинах.

Именно наличие воды по своей сути обеспечивает существование жизни на Земле в известной нам форме. Из воды, как простого соединения и углекислоты, растения способны под воздействием солнечной энергии и в присутствии хлорофилла образовывать сложные органические соединения,

что собственно и является процессом фотосинтеза. Вода на Земле распределена неравномерно, большая ее часть сосредоточена на поверхности. По отношению же к объему земного шара общий объем гидросферы не превышает 0,13 %. Основную часть гидросферы составляет Мировой океан (94 %), площадь которого 261 059 км2, а общий объем —1370

млн. км3. В континентальной земной коре 4,42 х 1023 г воды, в океанической

—3,61 х 1023 г. В табл. 1 приведено распределение воды на Земле.

Температура воды в океане меняется не только в зависимости от широты местности (близость к полюсам или экватору), но и от глубины