Лекция 3. Метаморфизм.

Метаморфизм – это преобразование горных пород под действием эндогенных сил, вызывающих изменение физико-химических условий в земной коре. Преобразованию могут подвергаться любые уже сложившиеся горные породы – осадочные, магматические, а также метаморфические. Все сформировавшиеся горные породы, сложенные минералами, находятся в состоянии внутреннего физико-химического равновесия. Метаморфизм приводит к нарушению этого равновесия, при котором в новых условиях сложившиеся минералы существовать не могут и преобразуются в новые минералы, устойчивые в возникшей обстановке. При этом происходит изменение структуры и текстуры породы. Переход – преобразование одних минералов в другие осуществляется, как правило, без их расплавления.

Главными причинами – факторами метаморфизма являются температура, давление и летучие компоненты. Температура метаморфизма, по мнению многих исследователей, колеблется в пределах 300-900 и редко более градусов. Вызывается она двумя основными причинами: погружением горных пород на глубину и тепловым воздействием внедряющейся в земную кору магмы. Давление обуславливается действием на погружающиеся породы массы вышележащих толщ (петростатическое давление) и стрессом, возникающим в процессе тектонических нарушений в земной коре (одностороннее давление). И, наконец, летучие компоненты (гидротермы и газы) связаны с магмой или с подкоровыми источниками. В зависимости от сочетания трех названных факторов, вызывающих изменение горных пород, выделяют три типа метаморфизма: региональный, контактовый и динамический.

Региональный метаморфизм

Этот тип метаморфизма является наиболее распространенным, развит на больших пространствах и обусловлен двумя факторами: температурой и давлением. Эти факторы проявляются, когда породы под действием накопления вышележащих осадков погружаются на все большую и большую глубину. Региональный метаморфизм – процесс изохимический, когда изменение минерального состава пород протекает без привноса и выноса химических элементов; общий (валовый) химический состав первичных и вторичных пород не меняется. В отдельных случаях, при мономинеральном составе пород (например, известняки), при метаморфизме не происходит изменения минерального состава породы (известняки переходят в мраморы), изменяются лишь их структурно-текстурные особенности.

Главное направление регионально-метаморфического процесса – это перекристаллизация часто за счет мелких кристаллов с образованием крупных. Поскольку региональный метаморфизм связан с постепенным погружением горных пород в толщу земной коры, то и процессы их изменения происходят постепенно в пределах температур от 300 до 900^О. В зависимости от глубины погружения пород по мере изменения термодинамических условий проявляется разная степень их метаморфических преобразований. Выделяют три зоны (верхнюю, среднюю, нижнюю) – три ступени (низшую, среднюю, высшую) преобразования пород, каждая из которых отвечает определенным термодинамическим параметрам и характеризуется определенными породами.

Верхняя зона (низшая ступень) характеризуется температурой 300-550⁰ и давлением от 0,4 до 1,0 ГПа. В этих условиях происходит дегидратация гидрооксидов и начальная перекристаллизация карбонатов, аутигенного кремнезема, фосфата, возникают такие минералы, как серицит, хлорит, тремолит, тальк и др., образуются микрочешуйчатые сланцы, кристаллические известняки и доломиты, метапесчаники.

Средняя зона (средняя ступень) соответствует температуре 550-670⁰ и давлению от 0,7 до 1,0 ГПа. В этих условиях продолжается перекристаллизация пород, происходит полная дегидратация минералов, возникают такие минералы как биотит, мусковит, ставролит, дистен, гранат, амфибол, пироксен и др. Образуются такие породы, как слюдяные и кристаллические сланцы, гнейсы, мраморы, кварциты, характеризующиеся крупночешуйчатой, зернисто-кристаллической и порфиробластовой структурами, полосчатой, сланцевой, и другими текстурами.

Нижняя зона (высшая ступень) отвечает температуре 670-900⁰ и давлению от 0,7 до 1,3 ГПа. Высокие температура и давление приводят к образованию наиболее тугоплавких минералов, таких, как магнезиальный пироксен, скаполит, пироп, альмандин, оливин и др. В этой зоне исчезают сланцевые породы и возникают равномернозернистые пироксеновые гнейсы, пироксениты и гранулиты.

Наряду с зонами метаморфизма существует понятие «метаморфическая фация», предложенное П. Эсколой. Под метаморфической фацией понимается группа пород разного состава, образовавшихся в сходных термодинамических условиях. В качестве показателей этих условий выступают эталонные минералы, которые образуются в определенных физико-химических условиях. Каждая фация характеризуется конкретным составом минералов. Выделяются следующие фации регионального метаморфизма: фация зеленых сланцев, эпидот-амфиболитовая, амфиболитовая и гранулитовая.

Фация зеленых сланцев характеризуется низкотемпературными минералами: тальком, хлоритом, серицитом, альбитом. В этой фации за счет осадочных пород образуются серицитовые и хлоритовые сланцы, кристаллические известняки, метапесчаники и другие породы. Фация эпидот-амфиболитовая представлена такими минералами, как эпидот, мусковит, биотит, андалузит, волластонит, возникают слюдяные сланцы, мраморы, кварциты. Амфиболитовая фация характеризуется такими минералами как роговая обманка, плагиоклаз, дистен, гранат. В этой фации образуются различные гнейсы, гранат-слюдяные сланцы, амфиболиты, кварциты и другие породы. Гранулитовая фация характеризуется высокотемпературными минералами: гиперстеном, диопсидом, силлиманитом, оливином, наряду с которыми присутствуют минералы амфиболитовой фации. Породы гранулитовой фации представлены пироксеновыми гнейсами, амфиболитами, гранулитами.

При региональном метаморфизме в наиболее погруженных в земную кору участках могут возникнуть условия, когда породы благодаря высокой температуре начинают расплавляться. Происходит частичное или полное их расплавление. Такая стадия регионального метаморфизма, связанная с расплавлением горных пород, называется ультраметаморфизмом, и весь этот процесс находится на границе метаморфизма и магматизма. Расплавы, возникающие при ультраметаморфизме, имеют, как правило, кислый состав. Они проникают вверх во вмещающие породы, прорывают их и, застывая, образуют тела сложной формы. Вновь образованные гранитоидные породы называются мигматитами.

Контактовый метаморфизм

Этот тип метаморфизма связан с магмой и проявляется на контакте магматических и вмещающих пород. Внедряющаяся магма обладает очень высокой температурой, а растворенные в ней газы и гидротермы оказывают сильное влияние на боковые породы. Эти два фактора (температура и летучие вещества) приводят к нарушению равновесия в окружающих магматическое тело горных породах, и в них происходят процессы контактового метаморфизма. В итоге вокруг магматического тела образуется ореол измененных пород. Ширина такого ореола зависит, в первую очередь, от размера интрузии. Чем крупнее интрузия, тем большее количество тепловой энергии и летучих компонентов приносит она с собой и, соответственно, шире ореол контактовых изменений.

Контактовый метаморфизм является процессом метасоматическим, при котором происходит интенсивный привнос и вынос химических элементов. В итоге вмещающие, а порой и материнские породы оказываются почти полностью переработанными под воздействием летучих компонентов. Такой процесс замещения одних минералов другими с изменением общего химического состава породы называется метасоматозом, а вновь образованные породы – метасоматитами. В зависимости от преобладания одного из двух факторов контактового метаморфизма и места их проявления выделяют три вида этого типа метаморфизма: контактово-термальный, контактово-метасоматический и гидротермальный (рис. 2.2.).

Рис. 2.2. Виды и продукты

контактового метаморфизма:

I – контактово-термального,

II – контактово-метасоматического, III – гидротермального;

1 – мраморы, 2 – роговики, 3 – скарны,

4 – березиты, 5 – грейзены.

Вмещающие породы: 6 – известняки, 7 – аргиллиты, 8 – песчаники,

9 – материнские породы – граниты, 10 – движение флюидов.

Метаморфизм контактово-термальный совершается под влиянием высоких температур исключительно вблизи магматического тела. Происходит он одновременно с внедрением магмы и представляет процесс изохимический. Породы, возникшие в результате контактово-термального метаморфизма, называются роговиками.

Метаморфизм контактово-метасоматический происходит в результате действия летучих веществ на вмещающие и материнские породы. Совершается он в постмагматическую стадию, после кристаллизации магмы, когда происходит интенсивный привнос и вынос химических элементов. Образуются метасоматиты: скарны по карбонатным породам, и грейзены по гранитоидным породам.

Метаморфизм гидротермальный проявляется в отдалении от магматического тела, без видимой с ним связи. Метасоматическому изменению при этом типе метаморфизма подвергаются все типы алюмосиликатных пород, наиболее распространенными метасоматитами являются березиты, аргиллизиты и др.

Динамометаморфизм

Этот тип метаморфизма связан с тектоническими движениями земной коры. Изменение горных пород происходит под влиянием одностороннего давления – стресса. В результате такого процесса разрушаются, дробятся минералы, а главное, изменяется структура горной породы. Внешним признаком проявления динамометаморфизма является сланцеватость – свойство породы раскалываться на тонкие плитки. Дробленые породы называют катаклазитами, тектоническими брекчиями и милонитами.

лекция 4. Тектоника

Земная кора с момента своего образования находится в непрерывных движениях, называемых тектоническими. Эти движения, как и большинство других эндогенных процессов, недоступны визуальному наблюдению. Поэтому их изучают по результатам их действия на горные породы в виде складок, разрывов, характера осадочной седиментации и геоморфологических наблюдений. Тектонические движения разделяются на две крупные группы: колебательные и дислокационные.

Вертикальные колебательные и горизонтальные поступательные

тектонические движения

Установлено, что в истории развития Земли происходят медленные вертикальными перемещения земной коры. Практически нет ни одного участка земной коры, который находился бы в состоянии покоя. Земная кора на отдельных участках то поднимается, то опускается. По времени своего проявления колебательные движения подразделяются на современные, новейшие и древние.

Современные – это движения, проявившиеся в период развития человечества и продолжающиеся в настоящее время. Основные методы, используемые для изучения этих движений – исторический и геодезический. Исторический метод основан на изучении инженерных сооружений по отношению к береговой линии моря или озера, археологических раскопок и других фактах, которые происходили и происходят на глазах человечества. Геодезический метод заключается в многократном измерении высотной отметки какой-либо точки и определении разницы между отсчетами.

Новейшие движения – это движения, проявившиеся в недавнем прошлом: в неогене (25 млн. лет назад) и в четвертичное время (1 млн. лет назад). Главный метод их изучения геоморфологический. С новейшими тектоническими движениями (неотектоникой) связано формирование современного рельефа.

Древние тектонические движения – это движения, происходившие в донеогеновое время развития Земли. Определяются они геологическим методом путем изучения разреза (характера наслоения) осадочных горных пород. По смене грубых осадков (конгломераты, гравелиты, песчаники) тонкими (аргиллиты, известняки, доломиты) и наоборот тонких грубыми определяется число трансгрессий и регрессией моря. Трансгрессия – это наступление моря на сушу, вызванное опусканием участка земной коры. Регрессия – отступление моря, вызванное поднятием блока земной коры.

Дислокационные движения

Эти движения в отличие от колебательных вызывают нарушение первичного залегания горных пород. Первичное (ненарушенное) залегание горных пород выражено горизонтальным положением осадочных толщ. Дислокационные движения сминают породы в складки, разрывают границы слоев и магматических тел, перемещают разорванные части. По форме своего проявления дислокационные движения разделяются на три группы: складчатые или пликативные, разрывные или дизъюнктивные и инъективные (внедрение).

С кладчатые нарушения. Эти нарушения выражаются в волнообразном изгибании слоев горных пород без разрыва их сплошности. Среди пликативных нарушений различают несколько структурных форм: моноклинали, флексуры и складки. Моноклиналь – это нарушение, в котором все слои падают в одну сторону. Флексура – это уступообразный изгиб, горизонтально или наклонно залегающих пород. Складки являются основной формой пликативных нарушений. В зависимости от направления изгиба различают складки антиклинальные, выпуклые (антиклиналь) и синклинальные, вогнутые (синклиналь) (рис.2.3.).

Разрывные нарушения. Выражаются в нарушении сплошности горных пород и разрыве их по какой-либо поверхности. Эти нарушения делятся на две группы: разрывы без смещения и разрывы со смещением. К первой группе относятся различного рода трещины. Они встречаются во всех породах и могут быть вызваны разными причинами: тектонической, петрогенетической и другими.

Рис.2.3. Виды складок. Тектонические трещины образуются в результате

А – антиклиналь, С – синклиналь тектонических напряжений. Образуется несколько

направлений трещин – система трещин. Позднее по этим трещинам могут циркулировать растворы и осаждаться минералы, в том числе и рудные. Петрогенетические трещины возникают при остывании магмы и диагенезе осадочных горных пород.

В разрывах со смещением происходит перемещение пород по тектонической трещине. Плоскость, по которой происходит смещение, называется сместителем (рис.2.6.). Блоки пород, смещенные по сместителю, называются крыльями. При наклонном сместителе крыло, расположенное над ним, называется висячим, находящееся под ним – лежачим

Рис. 2.6. Элементы разрывного нарушения

1 – сместитель, 2 – висячее крыло,

3 – лежачее крыло, 4 – амплитуда вертикальная,

5 – осадочный слой.

По характеру перемещения крыльев разрывы разделяются на сбросы, взбросы, надвиги и сдвиги (рис. 2.7.).

Сброс – нарушение, в котором висячее крыло опущено, а лежачее приподнято, сместитель наклонен в сторону опущенного крыла. Сбросы образуются в условиях растяжения земной коры.

Взброс – нарушение, в котором висячее крыло приподнято, а лежачее опущено, сместитель наклонен в сторону приподнятого крыла.

Рис. 2.7. Типы разрывных нарушений

I – сброс, II – взброс, III – надвиг, а – растяжение, б – сжатие.

Надвиг – это взброс с полого наклоненным сместителем (угол менее 35⁰).

Сдвиг – нарушение, в котором перемещение блоков происходит в горизонтальном направлении.

ЛЕКЦИЯ 5. Экзогенные процессы

Экзогенные процессы – это процессы, происходящие на поверхности Земли и изменяющие её облик. Движущей силой этих процессов является энергия Солнца, действие гравитации и жизнедеятельность организмов. В общем, виде экзогенные процессы развиваются по следующей схеме: выветривание – денудация – аккумуляция.

Выветривание

Выветривание – это процесс разрушения горных пород на поверхности Земли под действием температуры, воды и кислорода. Различают две формы выветривания: физическое и химическое.

Физическое выветривание. Этот тип выветривания представляет собой механическое разрушение горных пород без изменения их химического состава. Главными факторами физического выветривания являются колебания температуры и действие воды. Подавляющее большинство горных пород состоит из нескольких минералов, каждый из которых обладает определенным коэффициентом объёмного расширения. Днем при нагревании солнечным теплом минералы, расширяясь, давят друг на друга, ночью, остывая, сжимаются. Многократное повторение такого процесса приводит к образованию между минералами микроскопических трещин, которые, расширяясь, ведут к образованию трещиноватости в породах. Увеличиваясь в ширине, трещины приводят к раскалыванию и обрушению скальных пород. В умеренном климате в весенне-осеннее время температурный фактор дополняется действием воды. Проникая днем в трещины, ночью вода в них замерзает и, увеличиваясь в объеме при переходе в лед, ускоряет разрушение горных пород. Оказывают разрушительное воздействие и сезонные колебания температуры. В результате такого выветривания образуются обломочный материал дресвяно-глыбовой размерности. Эти процессы наиболее активно протекают в условиях интенсивно пересеченного рельефа.

Химическое выветривание. Такой тип выветривания заключается в химическом разложении породы под действием атмосферных факторов. Главным из них является вода, ей помогают кислород, углекислый газ и температура воздушной среды. Химическое выветривание – это разрушение горных пород с изменением их химического состава. В этом типе выветривания имеют место четыре идущих одновременно процесса: растворение, окисление, гидратация и гидролиз.

Растворение заключается в переходе некоторых минералов (галит, сильвин, кальцит, доломит, гипс, ангидрит и др.) в раствор. Растворению могут подвергаться полностью слои, сложенные этими минералами, с образованием карстовых пустот, и может происходить выщелачивание минералов из пород с возникновением пор.

Окисление заключается в переходе закисных низковалентных соединений в окисные высоковалентные с присоединением кислорода.

Одновременно с окислением происходит гидратация вещества – присоединение к нему воды. Последняя, входя в состав минерала, называется кристаллизационной. Например: FeS₂ (пирит) + O₂ + H₂O→Fe₂O₃ х nH₂O (лимонит) + H₂SO₄.

Гидролиз – это разложение минералов с выносом из них элементов и образование новых минералов. В первую очередь из минералов выносятся щелочные элементы, затем щелочноземельные и другие. Никогда не выносятся, остаются на месте и накапливаются в форме гидрооксидов Fe, Al и Mn.

В результате химического выветривания образуются две группы продуктов: подвижные, растворимые соединения, выносимые из зоны выветривания, и малоподвижные, устойчивые к выветриванию (остаточные), накапливающиеся в зоне выветривания. Совокупность остаточных продуктов выветривания (физического и химического) называется корой выветривания. При физическом выветривании это будут обломочные породы, химическое выветривание осуществляется постепенно и приводит к появлению разнообразных новообразованных веществ.

Выделяется четыре стадии (и соответственно четыре зоны) развития коры химического выветривания пород, присущие разным климатическим зонам Земли (рис. 2.9.):

- зона дезинтеграции – начальная стадия разрушения горных пород с образованием крупных и мелких фрагментов исходных пород, территория холодного климата;

- зона гидрослюдистая, стадия умеренного выветривания, отвечает выносу наиболее подвижных химических элементов из горных пород, ей соответствуют такие минералы как иллит, хлорит, монтмориллонит и др., территория средних широт;

- зона каолинитовая, стадия интенсивного выветривания, где происходит вынос всех за исключением Si, Fe, Al и Mn элементов и образуются такие глинистые минералы как каолинит, галлуазит, палыгорскит и др., территория субтропиков;

- зона латеритная, стадия исключительно сильного выветривания, характеризуется выносом кремнезема с разрушением глинистых минералов и образованием оксидов и гидрооксидов Al (гиббсит), Fe (гетит, лимонит), Mn (пиролюзит, псиломелан), территория тропиков.

Рис. 2.9. Стадии и зоны химического выветривания

I – стадия начального выветривания, 1 – зона дезинтеграции; II – стадия умеренного выветривания, 2 – зона гидрослюдистая; III – стадия интенсивного выветривания, 3 – зона каолинитовая; IV – стадия очень сильного выветривания, 4 – зона латеритная;

коренные породы обозначены крестом.

Каждому району Земли свойственны свой тип и мощность коры химического выветривания. Незначительная мощность коры выветривания (не более 1,0 м) образуется в тундре (стадия дезъинтеграции). Чуть большая мощность коры выветривания, несколько метров, образуется в умеренном климате (стадия образования гидрослюд). В субтропиках кора химического выветривания составляет десятки метров (стадия образования каолинита) и в экваториальном тропическом поясе (латеритная стадия) она достигает максимального значения, в несколько сотен метров. В последних двух зонах формируются месторождения каолиновых глин, алюминевых (бокситы), железных и марганцевых руд. Неперемещенные, оставшиеся на месте продукты выветривания, называются элювием.

Денудация и аккумуляция веществ

Денудация – это удаление продуктов выветривания силой гравитации (сползание по склону), ветром, водами рек и морей, ледниками. В результате денудации происходит перенос рыхлого материала и отложение его в конечные водоемы, в том числе и на путях переноса. Подсчитано, что каждые 20 лет денудация снимает с поверхности Земного шара слой толщиной в 1 мм. Продукты денудации, перемещающиеся силой гравитации вниз по склону, называются делювием, рыхлый материал, скапливающийся в виде узкого шлейфа у подножья склона, называется коллювием.

Аккумуляция – это накопление продуктов выветривания в реках, озерах и морях, а также продуктов химико-биологических процессов в водоемах. Генетически аккумуляция – процесс противоположный денудации и зависящий от нее. Мощность аккумулированных толщ зависит от интенсивности денудации и скорости прогибания бассейна, где происходит накопление осадков. Другими словами, между аккумуляцией и тектоническим режимом бассейна существует взаимосвязь – чем интенсивней скорость прогибания бассейна (отрицательные тектонические движения) тем больше мощность накопленных осадков и, наоборот, положительные вертикальные движения приводят к сокращению мощности осадков. Различают аккумуляцию наземную (отложения рек, морей, озер, ледников, ветра) и подводную (накопления дельт, мутьевых потоков, вулканических выбросов, химических осадков).

В целом, все три процесса (выветривание, денудация, аккумуляция), будучи связанными между собой, зависят от многих факторов, таких как климат, тектоника, географическое положение района и др., проявляются неодинаково в геологической деятельности рек, подземных вод, морей, озер, ледников и других природных агентов.

ЛЕКЦИЯ 6. Геологическая деятельность поверхностных вод

По силе разрушительного действия поверхностные воды являются самым сильным агентом экзогенеза. Ежегодное количество осадков, выпадающих на поверхность Земли, составляет 100 тыс. км³. Из них 63% испаряется и 37% стекает по поверхности или просачивается в недра, производя в обоих случаях разрушительную работу. По оценкам специалистов реки всех континентов Земного шара выносят ежегодно в моря и океаны 10 км³ рыхлого материала и 1 км³ растворенных веществ – это продукты физического и химического выветривания пород.

Деятельность поверхностных текучих вод разделяется на три стадии: разрушение коренных пород, перенос продуктов разрушения и накопление их на путях переноса и в конечных водоемах. Поверхностный сток воды может быть площадным и линейным.

Площадной сток, осуществляется действием водных струй, образующихся сразу после выпадения дождя или при таянии снега и града. Такие струи обладают незначительной кинетической энергией, размывают и перемещают рыхлые водораздельные (элювиальные) и склоновые (делювиальные) образования. В первую очередь при площадном стоке смывается почвенный слой, затем глинистые, алевритовые и песчаные образования. Мощность коллювия в зависимости от протяженности склона и интенсивности атмосферных осадков может достигать несколько метров.

Наиболее интенсивную разрушительную деятельность производят воды линейного стока, образующие водотоки временного и постоянного действия.

Временные водотоки. Эти водотоки возникают за счет атмосферных осадков и при таянии снежного покрова из струй площадного стока, которые, соединяясь, образуют водотоки с явно выраженным руслом. Русло – это углубление, по которому течет вода. Эрозия временных потоков носит линейный характер, а действие их кратковременно. Геологическая деятельность их разрушительная и проявляется по-разному на равнинах и в горных областях.

На равнинах в рыхлых, неплотных породах временные водотоки, размывая их, приводят к образованию оврагов. Начиная от небольшой ложбины или рытвины, овраги постепенно, углубляясь и удлиняясь, расчленяют пологие склоны и водоразделы на сеть оврагов, превращая отличные сельскохозяйственные угодья в непригодные для землеиспользования площади.

В горных областях временные водотоки наиболее активны. Горные склоны повсеместно изрезаны сетью поперечных ложбин стока. Это узкие, неглубокие V-образные эрозионные промоины, которые большую часть года бывают сухими. Но в периоды дождей и таяния снегов в них устремляется огромная масса воды, производящая разрушительную работу. В горных областях, сложенных кристаллическими породами (магматическими и метаморфическими), водные потоки размывают делювий, разрушают скальные выходы и выносят к подножью склонов огромные массы обломочного материала. Здесь потоки, как правило, ослабевают, и обломочный материал сгружается в виде вееробразного наноса (конус выноса). Материал здесь не окатан, не отсортирован, в нем песчано-дресвяно-щебне-глыбовая масса хаотично перемешана. Подобные образования называют пролювиальными, а тип отложений пролювием.

В горных областях, сложенных молодыми неоген-палеогеновыми рыхлыми осадочными породами, при обильных дождях происходит набухание глин, образуется плотная и в то время текучая суспензия, в которой многие обломки как бы всплывают. Водные потоки устремляются вниз по склону и далее по речной долине несут в себе огромную массу обломочного материала. Такой поток обладает большой разрушительной силой и называется селевым потоком (сель). Достигая жилых мест, сель разрушает непрочные сооружения и заполняет грязевой массой большие пространства

Постоянные водотоки. Наиболее значительная экзогенная деятельность на Земле производится постоянными водотоками – реками. Для зарождения реки необходимы два главных условия – источник питания и рельеф, допускающий движение воды. Источниками питания могут являться атмосферные осадки, тающие ледники и подземные воды. Рельеф – его расчлененность и площадь стока определяют скорость и полноводность речных вод. Часть земной поверхности, в пределах которой осуществляется поверхностный сток в единую гидравлическую систему, называется водосборным бассейном. Такой бассейн охватывает множество рек и речек разного порядка и, соответственно, занимает разную площадь. Естественными границами бассейнов служат возвышения рельефа, называемые водоразделами. Самую большую площадь водосборного бассейна имеет р. Амазонка – 7180 тыс. км². В пределах бассейна у реки выделяют исток (начало стока) и устье (конечная точка течения реки).

Геологическая деятельность рек складывается из трех процессов: разрушение горных пород (эрозия), перенос продуктов разрушения и их аккумуляция.

Эрозия. Кинетическая энергия текучей воды пропорциональна массе воды и скорости течения реки. Протекая по поверхности различных горных пород, река производит их механическое разрушение – эрозию. Иными словами эрозия – это линейно выраженное разрушение горных пород, главным образом, речными водами. Различают эрозию глубинную и боковую.

В своем развитии река проходит три условно выделяемых стадии: юности, зрелости и старости. Движение этих стадий, их смена, продолжительность и приостановка зависят исключительно от тектонического режима области рождения реки.

Юность реки. Начальный этап зарождения реки происходит на фоне восходящих тектонических движений земной коры. В этот момент энергии реки хватает лишь на “пропиливание” горных пород (глубинная эрозия) с образованием узкой V-образной долины в виде ущелья или каньона. Глубина эрозии зависит от уклона русла, который определяется разницей высотных отметок истока и устья. Устье реки – точка, ниже которой не происходит углубление; она называется базисом эрозии. Различают базис эрозии местный – устье одного из притоков реки – и общий - уровень озера или моря, куда впадает сама река. При нарастающих восходящих движениях района эрозия развивается не только вглубь, она захватывает исток, который перемещается, удаляясь от устья. Развивается так называемая «попятная» эрозия, когда река вырабатывает свой продольный профиль – кривая, показывающая изменение высоты истока реки относительно ее базиса эрозии. Продольный профиль отражает состояние развития реки, ее эрозионную деятельность. Профиль, при котором река не производит разрушения, называется профилем равновесия. Практически все реки стремятся выработать такой профиль – профиль равновесия На первом этапе развития реки в узких долинах, в русле накапливается грубый валунно-галечный и песчано-гравийный материал, называемый аллювием.

Зрелость реки. Эта стадия наступает, когда восходящие тектонические движения земной коры ослабевают. Река начинает работать не только вглубь, но и вширь, производя боковую эрозию. При боковой эрозии склоны долины сглаживаются, становятся более пологими. Расширяется дно долины благодаря миграции русла от одного склона к другому. Долина реки приобретает U-образную форму. Русло меняет прямолинейное направление, становится извилистым, меандрирует, в нем осаждается преимущественно песчаный материал. В периоды половодьев вода выходит из русла, разливается по всей долине, в ней отлагаются тонкие алеврито-глинистые осадки, формируется пойменный аллювий. Со временем профиль реки сглаживается – выравнивается, и после того, как река выработает профиль равновесия, прекращается ее эрозионная деятельность; она вступает в следующую стадию развития.

Старость реки. Эта стадия возникает, когда тектоническая деятельность в регионе полностью затухает. На первое место приходят процессы денудации и выветривания. Долина реки выполаживается, становится корытообразной, река характеризуется сильной извилистостью, сглаживается рельеф, водораздельные пространства становятся плоскими, невысокими, происходит выравнивание поверхности суши, ее пенепленезация. В конечном итоге, на месте бывших гор образуется пенеплен – плоская, слабо всхолмленная возвышенность. В этот период накопление аллювия в русле практически не происходит, и лишь в сезон половодья в долине отлагается тонкий глинистый ил.

Три стадии развития реки (юность, зрелость и старость) составляют цикл эрозии реки. Большинство рек проходят все эти стадии. Но бывает, что после наступления старости или зрелости реки неожиданно понижается ее базис эрозии. Это может быть связано с активизацией тектонической деятельности района, проявившейся в его повторном воздымании. Происходит омоложение реки. Вновь развивается глубинная эрозия, река врезается в коренные породы (стадия юности). Расширяется долина, размывая накопленный ранее аллювий (стадия зрелости) и при новом выравнивании профиля равновесия вновь наступает старость реки. Так совершается второй цикл эрозии реки. Новая долина реки углубилась относительно первой, ее аллювиальные накопления располагаются ниже аллювия первой долины и, если он не размылся во время второго цикла эрозии, то сохранится в форме уступа, называемого террасой, расположенного в боковой части общей долины. Террас может быть несколько, и количество их определяет число циклов эрозии реки (рис. 2.11.).

Аллювиальные накопления являются хорошим строительным материалом и могут быть вместилищем многих полезных минералов: золота, платины, алмазов и др. Такие образования называются россыпями

Рис. 2.11. Циклы эрозии

I – первый цикл эрозии, вторая надпойменная терраса;

II – второй цикл эрозии, первая надпойменная терраса;

III – развивающийся цикл эрозии;

1 – аллювиальные образования,

2 – коренные породы.

При впадении реки в море русловые отложения выносятся в водоем и осаждаются, образуя аккумулятивную форму в виде треугольника. Такой треугольник называется дельтой, площадь ее и масса вынесенного материала могут быть огромными, что зависит от водосборной площади реки.

ЛЕКЦИЯ 7. Геологическая деятельность подземных вод

Подземными называются воды, находящиеся ниже земной поверхности в теле горных пород. Горные породы не монолитны, они разбиты многочисленными трещинами, образующимися при тектонических движениях, остывании магмы, диагенезе осадков и других процессах. Осадочные породы, особенно обломочные, характеризуются, как правило, пористостью. В этих пустотах (трещинах и порах) содержится вода. И эта вода, соединяясь, образует уже массы воды, которые при наличии уклона или напора, приобретает способность течь, перемещается. Так возникают подземные воды.

Водные массы, сосредоточенные в горных породах, огромны. По оценке В.И. Вернадского масса подземных вод достигает 5·10¹⁷ тонн (500 млн. км³), что немногим меньше общей массы Мирового океана. Подземные воды играют огромную роль в человеческой деятельности. Они являются источниками водоснабжения населенных пунктов и источниками лечебными. В других случаях подземные воды используются при поисках ряда полезных ископаемых. Отрасль геологии, занимающаяся изучением подземных вод, называется гидрогеологией.

Происхождение подземных вод. В основной своей массе подземные воды образуются за счет атмосферных осадков. Эти осадки проникают в Землю путем просачивания через поры (инфильтрация), через трещины (инфлюация) и образуют так называемые вадозные воды. Часть подземных вод образуется при остывании магмы – это гидротермы. Гидротермальные воды, поступающие из-под корового вещества носят название ювенильных вод. Кроме того, выделяются воды конденсационные, образующиеся при конденсации водяных паров в воздухе у поверхности Земли. Заметную роль конденсационные воды играют в пустотах и полупустотах. Выделяются воды остаточные или реликтовые, образующиеся при захоронении вод древних морских бассейнов вместе с осадками морей. Часто эти воды составляют значительную массу, но являются, как правило, солеными. В конечном итоге, все эти воды смешиваются при перемещении по порам и трещинам, образуя смешанные воды.

Классификация подземных вод. По условиям залегания подземные воды подразделяются на пять типов: почвенные, верховодки, грунтовые, межпластовые и трещинные (рис. 2.12.).

Рис. 2.12. Классификация подземных вод

I – почвенные воды, II – верховодка,

III – грунтовые воды, IV – межпластовые

воды, V – трещинные воды;

1 – почва, 2 – пески – водоносные породы,

3 – суглинок, 4 – глина – водоупорные

породы, 5 – коренные породы.

Почвенные располагаются у поверхности земли, заполняя поры в почве. Почвенная вода подвержена действию суточных и сезонных температурных колебаний. В умеренных и тропических зонах почвенная вода частично испаряется, частично уходит вниз, образуя другие типы вод. В засушливых зонах почвенная вода постоянно испаряется, заставляя подтягиваться вверх ниже расположенные воды. При испарении минеральная часть вод остается в породе и так раз за разом минерализует почву, главным образом, засолоняет её – карбонатизирует, загипсовывает.

Верховодка – это самый верхний временный водоносный горизонт, расположенный в зоне аэрации и связанный с областью питания. Горизонт воды здесь не сплошной, в виде линзы мощностью 1-2 м. В засушливое время он исчезает.

Грунтовые воды – воды, залегающие на некоторой глубине от поверхности Земли, ниже зоны аэрации. Подстилаются они слоем водоупорных пород. Водоупорные породы – породы, имеющие низкую водопроницаемость – глины, мергели. Водопроницаемость – способность пород пропускать воду. Влагоёмкость – это способность пород поглощать воду и удерживать ее. Главным образом, это глины. Особенностями грунтовых вод являются: наличие уровенной поверхности (уровня грунтовых вод), наличие или отсутствия напора.

Межпластовые воды – воды, заключенные между двумя водоупорами, сверху, со стороны кровли, и снизу, со стороны подошвы. Благодаря водоупорным «тискам» межпластовые воды транспортируются на значительные расстояния от места их питания.

В зависимости от рельефа, гидравлических условий и положения области питания межпластовые воды могут быть напорными и ненапорными (рис.2.13.).

Рис. 2.13. Разрез межпластовых безнапорных (I) и напорных (II) вод

1 – водоносные породы, 2 – водонепроницаемые породы,

а – область питания, б – область разгрузки,

Н – гидростатический напор, Н₁ – напор ниже поверхности земли,

Н₂ – напор выше поверхности земли.

При наклонном положении водоносного пласта и соответствующем рельефе, расположенном выше уровня подъема воды, вода из пласта в области разгрузки изливается самопроизвольно. Область разгрузки, называемая дренажем, является нисходящей (ненапорной). Если же поверхность рельефа находится ниже уровня подъема воды, в прогнутой части пласта, образуется напор, и при вскрытии его или самопроизвольно вода здесь может изливаться под давлением – напором. Такие воды называются напорными или артезианскими. Артезиа – местность во Франции, где впервые использовали такие воды. Артезианские воды широко используются для водоснабжения промышленных и коммунальных предприятий. Запасы этих вод, как правило, большие, а качество воды хорошее. Так используются воды Московского, Днепровско-Донецкого, Тбилисского артезианских бассейнов. Очень большим (крупнейшим в мире) является Западно-Сибирский артезианский бассейн – 3 млн. км².

Трещинные воды приурочены исключительно к трещинам крепких пород. Они не образуют пластов, а заполняют трещины, которые, соединяясь между собой, образуют изометричные природные резервуары (массивы воды). Это чаще всего минеральные источники в областях активной вулканической или тектонической деятельности.

Подземные воды классифицируются также по содержанию растворенных солей и их химическому составу. Суммарное количество растворенных солей называют общей минерализацией вод. Образование минерализации связывается с взаимоотношением подземных вод и горных пород. Подземные воды в процессе прохождения через горные породы растворяют легкорастворимые соединения, выщелачивают их из горных пород, минерализуются порой до очень высоких концентраций.

Минерализация выражается в граммах или миллиграммах сухого вещества на 1 литр воды. В.И. Вернадский разделяет все воды по степени минерализации на пресные (солей до 1 г/л), солоноватые (до 10 г/л), соленые (до 50 г/л) и рассолы (более 50 г/л).

Среди пресных вод выделяются жесткие с сухим остатком 0,25 – 1,0 г/л и мягкие – менее 0,25 г/л. Жесткость подземные вод определяется наличием солей: Ca(HCO₃)_2, Mg(HCO₃)_2, CaSO_4, MgSO_4, CaCl₂, MgCl₂.

По химическому составу, выделяют воды: гидрокарбонатные (или углекислые) – HCO^-₃, сульфатные – SO^-₄, хлористые – Cl^- и смешанные.

Разрушительная деятельность грунтовых вод. В геологической деятельности подземные воды производят более разрушительное действие, чем созидательное. Разрушительная деятельность проявляется в растворении и выщелачивании. Растворение – переход минерального вещества в раствор. Выщелачивание – это извлечение водой из горных пород какого-либо компонента без разрушения структуры породы. Растворение и выщелачивание возрастают с увеличением температуры, давления и содержания в воде кислот и щелочей. В первую очередь разрушительному действию подземных и поверхностных вод подвергаются галогенные породы, хлоридные, сульфатные, карбонатные, а также сульфидные залежи.

Совокупность геологических явлений, связанных с растворением и выщелачиванием горных пород называют карстовыми явлениями или карстом. Интенсивному карстованию подвергаются известняки, гипсы, ангидриты, в меньшей мере доломиты. Закарстованность пород является осложняющим фактором при горном производстве – бурении, проходке выработок. Так, если закарстованы породы, расположенные в кровле или подошве тела полезного ископаемого, нарушается устойчивость штолен, штреков, карьеров. Создается угроза обвалов или внезапного появления карстовых вод. Если закарстована вся вмещающая толща, то, во-первых, ухудшается качество полезного ископаемого (происходит разубоживание сырья) и, во-вторых, усложняется его разработка.

Большую разрушительную работу осуществляют подземные воды на берегах рек, озер, морей, бортах карьеров и водохранилищ, способствуя образованию обвалов, оплывин и оползней.

Созидательная деятельность подземных вод. Эта деятельность проявляется в выделении осадков из подземных вод. В процессе растворения карбонатов и сульфатов в подземные воды попадает заключенный в породах терригенный материал, так называемый нерастворимый остаток. Главным образом, это глинистая масса, которая отлагается в пещерах на дне, иногда в значительном количестве. Но наиболее характерными образованиями подземных вод являются минеральные отложения: кальцит и гипс, опал, фосфаты, соли меди. Проходя по стенкам пещер и других полостей, подземные воды, испаряясь, выделяют минеральные вещества в виде своеобразных натечных образований на стенках, потолке и дне пещер. Образования, растущие сверху вниз в виде сосулек, называются сталактитами образования, растущие снизу вверх – сталагмитами. Соединяясь, они образуют колонки, перегородки. С карстовыми пустотами связано образование ряда полезных ископаемых: лимонита, псиломелана, фосфоритов, бокситов и др.

При выходе горячих минерализованных источников на поверхность происходит их быстрое охлаждение, что ведет к падению растворимости растворенных в них солей, и последние выпадают из раствора, образуя карбонатные, кремнистые, железистые, марганцевые и другие осадки. Известковые осадки называются травертинами (известковыми туфами), кремнистые – гейзеритами (кремнистыми туфами). Они образуют различные натечные формы – бугры, холмы, ванны и др.