Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

океана. Наибольшей изменчивостью температур отличается поверхностный слой до глубины 150 м. Самая высокая температура воды в верхнем слое отмечена в Персидском заливе (+ 35,6 °С), а наиболее низкая —в Северном Ледовитом океане (—2,8 °С).

Химический состав гидросферы весьма разнообразен: от весьма пресных до очень соленых вод типа рассолов.

Более 98 % всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и некоторых озер, а также минерализованные подземные воды. Общий объем пресной воды на Земле равен 28,25 млн. км3, что составляет всего лишь около 2 % общего объема гидросферы, при этом наибольшая часть пресных вод сосредоточена в материковых льдах Антарктиды, Гренландии, полярных островов и высокогорных областей. Это вода в настоящее время малодоступна для практического использования человеком.

В Мировом океане содержится 1,4 х 102 диоксида углерода (СО2), что почти в 60 раз больше, чем в атмосфере; кислорода в океане растворено 8 х

1018 г или почти в 150 раз меньше, чем в атмосфере. Ежегодно реки сносят в океаны около 2,53 х 1016 г терригенного материала с суши, из них почти 2,25

х 1016 г приходится на взвесь, остальное — растворимые и органические вещества.

Соленость (средняя) морской воды равна 3,5 % (35 г/л). В морской воде содержится кроме хлоридов, сульфатов и карбонатов также йод, фтор,

фосфор, рубидий, цезий, золото и другие элементы. В воде растворено 0,48 х 1023 г солей.

Глубоководные исследования, проведенные в последние годы,

позволили установить наличие горизонтальных и вертикальных течений,

существование форм жизни во всей толще воды. Органический мир моря разделяется на бентос, планктон и нектон. К бентосу относятся организмы,

обитающие на грунте и в фунте морских и континентальных водоемов.

Планктон — совокупность организмов, населяющих толщу воды, не

способных противостоять переносу течением. Нектон — активно плавающие,

например рыбы, и другие морские животные.

В настоящее время серьезным становится вопрос о дефиците пресной воды, что является одной из составляющих развивающегося глобального экологического кризиса. Дело в том, что пресная вода необходима не только для утилитарных нужд человека (питья, приготовления пищи, умывания и т.

п.), но и для большинства промышленных процессов, не говоря уже о том,

что только пресная вода пригодна для сельскохозяйственного производства

— агротехники и животноводства, так как подавляющее большинство растений и животных сосредоточено на суше и для осуществления своей жизнедеятельности они используют исключительно пресную воду. Рост населения Земли (уже сейчас на планете более 6 млрд. чел) и связанное с этим активное развитие промышленности и сельскохозяйственного производства привели к тому, что ежегодно человеком потребляется 3,5 тыс.

км3 пресной воды, причем безвозвратные потери составляют 150 км3. Та часть гидросферы, которая пригодна для водоснабжения, составляет 4,2 км3,

это всего лишь 0,3 % объема гидросферы. В России достаточно большие запасы пресной воды (около 150 тысяч рек, 200 тысяч озер, множество водохранилищ и прудов, значительные объемы подземных вод), однако распределение этих запасов по территории страны далеко неравномерно.

Гидросфера играет важную роль в проявлении многих геологических процессов, особенно в поверхностной зоне земной коры. С одной стороны,

под воздействием гидросферы происходит интенсивное разрушение горных пород и их перемещение, переотложение, с другой — гидросфера выступает как мощный созидательный фактор, являясь по существу бассейном для накопления в ее пределах значительных толщ осадков разного состава.

Биосфера находится в постоянном взаимодействии с литосферой,

гидросферой и атмосферой, что существенно сказывается на составе и строении литосферы.

В целом под биосферой в настоящее время понимают область

распространения живого вещества (живые организмы известных науке форм); это сложноорганизованная оболочка, связанная биохимическими (и

геохимическими) циклами миграции вещества, энергии и информации.

Академик В.И. Вернадский в понятие биосферы включает все структуры Земли, генетически связанные с живым веществом, прошлой или современной деятельностью живых организмов. Большая часть геологической истории Земли связана с деятельностью живых организмов особенно в поверхностной части земной коры, например, это весьма мощные осадочные толщи органогенных горных пород — известняков, диатомитов и др. Область распространения биосферы ограничивается в атмосфере озоновым слоем (примерно 18—50 км над поверхностью планеты), выше которого известные на Земле формы жизни невозможны без специальных средств защиты, как это осуществляется при космических полетах за пределы атмосферы и на другие планеты. В недра Земли до последнего времени биосфера распространялась до глубины Марианской впадины в 11 521 м, однако при бурении Кольской сверхглубокой скважины достигнута глубина более 12 км, а это означает, что на данную глубину осуществлено проникновение живого вещества.

Внутреннее строение Земли по современным представлениям состоит из ядра, мантии и литосферы. Границы между ними достаточно условны,

вследствие взаимопроникновения как по площади, так и по глубине (рис. 1 ).

Земное ядро состоит из внешнего (жидкого) и внутреннего (твердого)

ядра. Радиус внутреннего ядра (так называемый слой G) примерно равен

1200—1250 км, переходный слой (F) между внутренним и внешним ядром имеет мощность около 300—-400 км, а радиус внешнего ядра равен 3450— 3500 км (соответственно глубина 2870—2920 км). Плотность вещества во внешнем ядре с глубиной возрастает с 9,5 до 12,3 г/см3. В центральной части внутреннего ядра плотность вещества достигает почти 14 г/см3. Все это показывает, что масса земного ядра составляет до 32 % всей массы Земли, в

то время как объем всего примерно 16 % от объема Земли. Современные

специалисты считают, что земное ядро почти на 90 % представляет собой железо с примесью кислорода, серы, углерода и водорода, причем внутреннее ядро имеет железо-никелевый состав, что полностью отвечает составу ряда метеоритов.

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8 % от общей массы Земли (О. Г. Сорохтин, 1994). Геофизическими исследованиями установлено,

что мантия, в свою очередь, может быть подразделена на верхнюю (слой В) (рис. 1 ) (до глубины 400 км), переходный слой Голицына (слой С на глубине от 400 до 1000 км) и нижнюю мантию (слой Д с подошвой на глубине примерно 2900 км). Под океанами в верхней мантии выделяется слой, в

котором мантийное вещество находится в частично расплавленном состоянии. Весьма важным элементом в строении мантии является зона,

подстилающая подошву литосферы. Физически она представляет собой поверхность перехода сверху вниз от охлажденных жестких пород к частично расплавленному мантийному веществу, находящемуся в пластическом состоянии и составляющему астеносферу.

По современным представлениям мантия имеет ультраосновной состав

(пиролита, как смеси 75 % перидотита и 25 % толеитового базальта или лерцолита), в связи с чем ее часто называют перидотитовой или «каменной» оболочкой. Содержание радиоактивных элементов в мантии весьма низки.

Так в среднем 10-8 % U; 10-7 % Th, 10-6 % 40К. Мантия в настоящее время оценивается как источник сейсмических и вулканических явлений,

горообразовательных процессов, а также зона реализации магматизма.

Земная кора представляет собой верхний слой Земли, который имеет нижнюю границу или подошву по сейсмическим данным по слою Мохоровичича, где отмечено скачкообразное увеличение скоростей распространения упругих (сейсмических) волн до 8,2 км/с.

Для инженера-геолога земная кора является основным объектом исследований, именно на ее поверхности и в ее недрах возводятся

инженерные сооружения, т. е. осуществляется строительная деятельность. В

частности, для решения многих практических задач важным является выяснение процессов формирования поверхности земной коры, истории этого формирования.

В целом поверхность земной коры формируется под воздействием направленных противоположно друг другу процессов:

• эндогенных, включающих в себя тектонические и магматические процессы, которые ведут к вертикальным перемещениям в земной коре — поднятиям и опусканиям, т. е. создают «неровности» рельефа;

• экзогенных, вызывающих денудацию (выполаживание, выравни-

вание) рельефа за счет выветривания, эрозии различных видов и гравитационных сил;

•седиментационных (осадконакопление), как «выполняющих»

осадками все созданные при эндогенезе неровности.

В настоящее время выделяются два типа земной коры: «базальтовая» океаническая и «гранитная» континентальная.

Океаническая кора достаточно проста по составу и представляет! собой некое трехслойное формирование. Верхний слой, мощности которого колеблется от 0,5 км в срединной части океана до 15 км у глубоководных дельт рек и материковых склонов, где накапливается1 практически весь терригенный материал, в то время как в других зона)! океана осадочный материал представлен карбонатными осадками и бескарбонатными красными глубоководными глинами. Второй слой сложен подушечными лавами базальтов океанического типа, подстилаемый долеритовыми дайками того же состава; общая мощность этого слоя составляет 1,5—2 км. Третий слой в верхней части разряда представлен слоем габбро, который вблизи от срединных океанических хребтов подстилается серпентинитами; общая мощность третьего слоя лежит в пределах от 4,7 до 5 км.

Средняя плотность океанической коры (без осадков) равна 2,9 г/см3, ее масса — 6,4 х 1024 г, объем осадков 323 млн. км3. Океаническая кора

образуется в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов за счет происходящего под ними выделения базальтовых расплавов из асте-

носферного слоя Земли и излияния толеитовых базальтов на океанское дно.

Установлено, что ежегодно из растеносферы поступает 12 км3 базальтов. Все эти грандиозные тектоно-магматические процессы сопровождаются повышенной сейсмичностью и не имеют себе равных на континентах.

Континентальная кора резко отличается от океанической по мощности,

строению и составу. Ее мощность меняется от 20—25 км под островными дугами и участками с переходным типом коры до 80 км под молодыми складчатыми поясами Земли, например, под Андами или Альпийско-

Гималайским поясом. Мощность континентальной коры под древними платформами составляет в среднем 40 км. Континентальная кора сложена тремя слоями, верхний из которых осадочный, а два нижних представлены кристаллическими породами. Осадочный слой сложен глинистыми осадками и карбонатами мелководных морских бассейнов и имеет весьма различную мощность от 0 на древних щитах до 15 км в краевых прогибах платформ. Под осадочным слоем залегают докембрийские «гранитные» породы, зачастую преобразованные процессами регионального метаморфизма. Под этим слоем залегает базальтовый. Отличием океанической коры от континентальной является наличие в ней гранитного слоя. Далее океаническая и континентальная кора подстилается породами верхней мантии.

Земная кора имеет алюмосиликатный состав, представленный, главным образом, легкоплавкими соединениями. Из химических элементов преобладающими являются кислород (43,13 %), кремний (26 %) и алюминий

(7,45 %) (табл. 2) в форме силикатов и оксидов.

Химический состав земной коры, %, следующий: кислород—46,8;

кремний—27,3; алюминий—8,7; железо — 5,1; кальций —3,6; натрий —2,6;

калий —2,6; магний —2,1; другие —1,2.

Как показывают последние данные, состав океанической коры настолько постоянен, что его можно считать одной из глобальных констант,

так же как состав атмосферного воздуха или средняя соленость морской воды. Это является свидетельством единства механизма ее образования.

Важным обстоятельством, отличающим земную кору от других внутренних геосфер, является наличие в ней повышенного содержания долгоживущих радиоактивных изотопов урана 232U, тория 237Th, калия 40К,

причем их наибольшая концентрация отмечена для «гранитного» слоя континентальной коры, в океанической же коре радиоактивных элементов ничтожно мало.

Литосфера — это каменная оболочка Земли, объединяющая земную кору, подкоровую часть верхней мантии и подстилаемая астеносферой.

Характерным признаком литосферы является то, что в нее входят породы в твердом кристаллическом состоянии и она обладает жесткостью и прочностью. Вниз по разрезу от поверхности Земли наблюдается рост температуры. Расположенная под литосферой пластичная оболочка мантии

— астеносфера, в которой при высоких температурах вещество частично расплавлено, и вследствие этого в отличие от литосферы астеносфера не обладает прочностью и может пластично деформироваться, вплоть до способности течь даже под действием очень малых избыточных давлений. В

свете современных представлений согласно теории тектоники литосферных плит установлено, что литосферные плиты, которые слагают внешнюю оболочку Земли, образуются за счет остывания и полной кристаллизации частично расплавленного вещества астеносферы, подобно тому, как это происходит, например, на реке при замерзании воды и образовании льда в морозный день. Следует отметить, что слагающий верхнюю мантию лерцолит обладает сложным составом, в связи с чем вещество астеносферы,

находясь в твердом состоянии, механически ослаблено настолько, что способно проявлять ползучесть. Это показывает, что астеносфера в масштабах геологического времени ведет себя как вязкая жидкость. Таким образом, литосфера способна к движению относительно нижней мантии за счет ослабленности астеносферы. Важным фактом, подтверждающим

возможность перемещения литосферных плит, является то, что астеносфера выражена глобально, хотя ее глубина, мощность и физические свойства варьируют в широких пределах. Мощность литосферы меняется от нескольких километров под рифтовыми долинами срединных океанических хребтов до 100 км под периферией океанов, а под древними щитами мощность литосферы достигает 300—350 км.

ГЛАВА 2

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Земная кора имеет два основных источника тепла: от Солнца и от распада радиоактивных веществ в своей нижней части на границе с верхней мантией. В недрах же Земли температура увеличивается с глубиной от 1300 °С в верхней мантии до 3700 °С в центре ядра. Увеличение температуры происходит по адиабатическому закону: оно зависит от сжатия вещества под давлением при невозможности теплообмена с окружающей средой.

В земной коре различают три температурные зоны: 1) переменных температур; 2) постоянных температур; 3) нарастания температур (рис. 2).

Изменение температур в зоне переменных температур определяется климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубинах около 1,5 м, а годовые (сезонные) на глубинах 20—30 м. Для средних широт характерна кривая 1 (летний период) и кривая 2 (зимний период). В зимний период в зоне I образуется также подзона промерзания (IA), где температура опускается ниже 0 °С. Мощность этой подзоны зависит от климата, типа горных пород и колеблется от нескольких сантиметров до 2 м и более.

По мере углубления в землю влияние сезонных колебаний температур уменьшается и на глубине примерно 15—40 м находится зона постоянной температуры, которая соответствует среднегодовой температуре данной местности. Под Москвой эта зона начинается на глубине 20 м, около Санкт-

Петербурга с 19,6 м.

В пределах III зоны температура с глубиной возрастает. Величина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называется геотермическим градиентом, а глубина, при которой температура повышается на 1°С, геотермической ступенью. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м. Непосредственные измерения показали, что величина геотермической ступени на разных участках Земли колеблется довольно в широких пределах: Мон-четундра — 6,54 м, Донецкий бассейн — 30,68 м и т. д.

Закономерное нарастание температуры с глубиной справедливо лишь до некоторой глубины. Исследования последних лет показали, что в Москве на глубине 1630 м она достигает + 41 °С, а в ГТрикаспии на глубине 3000 м

уже + 108 °С.

Нарастание температуры с глубиной следует учитывать при проектировании сооружений глубокого заложения, особенно при активно развивающемся в последние годы освоении подземного пространства городов, при строительстве метрополитенов, при проектируемых хранилищах различного рода промышленных отходов, особенно радиоактивных.

Краткий очерк современной теории тектоники плит

В середине XX века были сделаны выдающиеся геологические и

геофизические открытия, в частности, было установлено наличие глобальной системы срединно-океанических хребтов (СОХ) и рифтов; выявлено существование пластичного слоя астеносферы; открыто, что на Земле существуют линейные вытянутые пояса, в которых сосредоточено 98 % всех эпицентров землетрясений и которые окаймляют почти асейсмичные зоны,

названные впоследствии литосферными плитами, а также ряд других материалов, которые в целом позволили сделать вывод, что господствовавшая к этому «фиксистская» тектоническая теория не может объяснить, в частности, выявленных палеомагнитных данных о географических положениях континентов Земли.

К началу 70-х годов нынешнего столетия американскими геологом Г.

Хессом и геофизиком Р. Дитцем, на базе открытия явления спрединга

(разрастания) океанского дна, за счет того, что горячее, частично расплавленное мантийное вещество, поднимаясь вдоль рифтовых трещин,

должно растекаться в разные стороны от оси срединно-оке-анического хребта и «расталкивать» океанское дно в разные стороны; поднятое мантий-

ное вещество заполняет рифтовую трещину и, застывая в ней, наращивает расходящиеся края океанической коры. Последующие геологические открытия подтвердили эти положжения. Например, было установлено, что самый древний возраст океанической коры не превышает 150—160 млн. лет

(это всего лишь 1/30 от возраста нашей планеты), в рифтовых трещинах залегают современные породы, а наиболее древние максимально удалены от СОХ.

В настоящее время в верхней оболочке Земли выделяют семь крупных плит: Тихоокеанская, Евразийская, Индо-Австралийская, Антарктическая,

Африканская, Се-веро- и Южноамериканские; семь плит среднего размера,

например Аравийская, Наска, Кокос и др. В пределах крупных плит иногда выделяют самостоятельные плиты или блоки средних размеров и множество мелких. Все плиты перемещаются друг относительно друга, поэтому их границы четко маркируются зонами повышенной сейсмичности.