Основная геология
- Гипотезы происхождения Земли и их обоснование
Современные гипотезы образования Земли и других планет Солнечной системы основаны на выдвинутой в 18в. И. Кантом (Германия) и независимо от него П. Лапласом (Франция) концепции образования планет из пылевого вещества и газовой туманности, позднее эта гипотеза получила название Канта-Лапласа. В 20в. эту концепцию развили О. Ю. Шмидт (СССР), К. Вейцзекер (Германия), Ф. Фойл (Англия), А. Камерон (США) и Э. Шацман (Франция).
Кант и Лаплас обратили внимание на то, что Солнце горячее, а Земля холодная и по своему размеру много меньше, чем Солнце. Все планеты обращаются по окружностям, в одну и ту же сторону и почти в одной и той же плоскости. Это составляет основные отличительные черты Солнечной системы.
Кант и Лаплас утверждали, что в природе все непрерывно изменяется, развивается. И Земля и Солнце раньше не были такими, какие они сейчас, а составляющее их вещество существовало совсем в другом виде. Лаплас обосновал свою гипотезу более убедительно. Он считал, что когда-то Солнечной системы не было, а была первичная разряженная и раскаленная газовая туманность с уплотнением в центре. Она медленно вращалась, и размеры ее были больше, чем теперь поперечник самой удаленной от Солнца планеты. Гравитационное притяжение частичек туманности друг к другу приводило к сжатию туманности и уменьшению ее размеров. Согласно закону сохранения момента импульса при сжатии вращающегося тела скорость его вращения возрастает. Поэтому при вращении туманности большое количество частичек на ее экваторе (которые вращались быстрее, чем у полюсов) отрывались, или, точнее, отслаивались от нее. Вокруг туманности возникало вращающееся кольцо. Вместе с тем туманность, шарообразная вначале, вследствие центробежной сплющивалась у полюсов и становилась похожей на линзу.
Все время сжимаясь и ускоряя свое вращение, туманность постепенно отслаивала от себя кольцо за кольцом, которые вращались в одну и ту же сторону и в одной и той же плоскости. Газовые кольца имели неоднородности плотности. Наибольшее сгущение в каждом из колец постепенно притягивало к себе остальное вещество кольца. Так каждое кольцо превращалось в один большой газовый клубок, вращающийся вокруг своей оси. После этого с ним повторялось то же, что с огромной первичной туманностью: он превращался в сравнительно небольшой шар, окруженный кольцами, опять сгущавшимися в небольшие тела. Последние, охладившись, становились спутниками больших газовых шаров, обращавшихся вокруг Солнца и после затвердевания превратившихся в планеты. Наибольшая часть туманностей сосредоточилась в центре; она не остыла до сих пор и стала Солнцем.
Гипотеза Лапласа была научной, поскольку основывалась на законах природы, известных из опыта. Однако после Лапласа были открыты новые явления в Солнечной системе, которые его теория не могла объяснить. Например, оказалось, что планета Уран вращается вокруг своей оси не в ту сторону, куда вращаются остальные планеты. Были лучше изучены свойства газов и особенности движения планет и их спутников. Эти явления также не согласовывались с гипотезой Лапласа и от нее пришлось отказаться.
Определенным этапом в развитии взглядов на образование Солнечной системы была гипотеза английского астрофизика Джеймса Джинса. Он считал, что планеты образовались в результате катастрофы: какая-то относительно большая звезда прошла совсем близко от уже существовавшего Солнца, следствием чего явился выброс из поверхностных слоев Солнца струи газа, из которых впоследствии образовались планеты. Но гипотеза Джинса, так же как гипотеза Канта-Лапласа, не может объяснить несоответствие в распределении момента количества движения между планетами и Солнцем.
Известный советский ученый академик О. Ю Шмидт предложил гипотезу, в разработке которой приняли участие астрономы, геофизики, геологи и другие ученые и согласно которой Земля и другие планеты никогда, не были раскаленными газовыми телами, подобными Солнцу и звездам, а должны были образоваться из холодных частиц вещества. Эти частицы первоначально двигались беспорядочно. Затем их орбиты становились круговыми и располагались примерно в одной и той же плоскости. При этом направление вращения частиц в какую-либо определенную сторону со временем начинало преобладать, и, в конце концов, все частицы стали вращаться в одну и ту же сторону. В результате столкновения частиц при первоначальном беспорядочном движении энергия их движения частично переходила в тепло и рассеивалась в пространство. Расчеты показали, что в результате этих процессов шарообразное облако постепенно сплющивалось и наконец стало по форме похожим на блин. Далее гравитационное взаимодействие привело к росту более крупных частиц путем захвата ими мелких частиц. Таким образом, большая часть пылинок собралась в несколько гигантских комков вещества, которые стали планетами.
Согласно оценкам, полученным Шмидтом, для образования Солнечной системы потребовалось 6-7 млрд. лет, что по порядку величины согласуется с данными, полученными в результате изотопического анализа.
По гипотезе Шмидта, Земля никогда не была огненно-жидкой, а разогрев внутренней области Земли произошел в результате ядерных реакций распада тяжелых элементов, входящих в состав первоначального вещества.
2.Описание пород: мрамор, известняк-ракушечник, кварцит.
Мрамор образуется из известняка и других карбонатных пород под действием высоких температур и давления в результате регионального и контактного метаморфизма. Структура пород мрамора чаще всего гранобластовая. Породы мрамора бывают полностью раскристаллизованы (собственно мрамор) или частично раскристаллизованы (мраморовидные известняки). По величине зерна различают мелко, средне и крупнозернистые разновидности мрамора. Наибольшей прочностью, износостойкостью и долговечностью обладают мелкозернистые разновидности мрамора. По однородности размеров зерен различают равномерно- и неравномернозернистую структуру; по характеру границ между зернами — мозаичную, зубчато-мозаичную и зубчатую структуру мрамора. Тесная взаимосвязь зерен обеспечивает долговечность и износостойкость пород (особенно зубчатая и зубчато-мозаичная структура). Текстура пород слоистая, массивная. По цвету мраморы делятся на белые и цветные (розовые, желтые, серые, голубые, зеленоватые, красноватые, черные, коричневые, а также различные сочетания этих цветов). Цветному мрамору свойственно наличие прожилок, представляющих собой трещины, заполненные природными цементами. Наиболее ценной разновидностью является чистый, белый статуарный мрамор, который используется для изготовления скульптур. Мраморные конгломераты, брекчии и конглобрекчии состоят из различных галек и кусков природного щебня, скрепленных известковым цементом; им свойственна пестрота цвета. В мраморном ониксе ценится просвечиваемость. Породы мрамора прочны, достаточно износостойки, плотны, декоративны, хорошо обрабатываются и легко принимают полировку. Объемная масса колеблется от 2,3 до 2,6 т/м3, пористость от 0,6 до 3,3%, прочность на сжатие от 30 до 153 МПа, твердость по шкале Мооса от 3 до 4. Мрамор широко используется в современном строительстве. Окраска мраморов весьма разнообразна: от белоснежного до угольно-черного. Ценность мрамора определяется его необычной структурой. Именно замысловатые рисунки, делают каждое изделие из мрамора по-настоящему уникальным.
Ракушечник (известняк-ракушечник)— светлоокрашенная (обычно белого, желтоватого или серого цвета) осадочная горная порода, состоящая преим. из целых или раздробленных раковин размером от 0,1 мм до неск.см,сложенная почти полностью кальцитом (СаС03) с небольшой примесью кварца, глины и др. минералов. Ракушечник образуется в результате накопления в прибрежных частях мелких морей и лагун скелетных остатков организмов — раковин. Удельный вес кальцита 2,6—2,8, хрупок. При нагревании до 825—910° разлагается на окись кальция (СаО) и углекислый газ (С02). Ракушечник разных месторождений имеет различное строение — от плотного мелкозернистого до рыхлого грубоноздреватого, что обусловливает различие физико-механических свойств; объемный вес — 1100—2240 кг /ж3; твердость по Шору — 16—22; пористость — 22—60%, закрытая пористость около 40% от открытой; водо- поглощение (весовое)—4—30%, иногда и более; коэфф. теплопроводности 0,25— 0,85 ккал/м- град -час) воздухопроницаемость 14—320 л/м2-час\ предел прочности при сжатии 4—280 кг/см2; морозостойкость до 10—35 циклов замораживания и оттаивания; истираемость и износ ракушечника велики. Как правило, более пористые ракушечники обладают наименьшей прочностью. При насыщении водой прочность породы снижается, величина коэффициента размягчения 0,4—0,9. Р. несгораем, но при действии высоких темп-р (825—910°) разлагается, начиная с поверхности (при этом сильно снижается его прочность), или разрушается.
Кварциты — зернистая горная порода, состоящая из зерен кварца, сцементированных более мелким кварцевым материалом. Образуется при метаморфизме кварцевых песчаников, порфиров. Встречаются в корах выветривания, образуясь при метасоматозе (гипергенные кварциты) с окислением медноколчеданных месторождений. Они служат поисковым признаком на медноколчеданные руды. Микрокварциты образуются из подводных гидротерм, выносящих в морскую воду кремнезём, при отсутствии других компонентов (железо, магний и др.).
Кварцит
– название от минерала кварц; тип
по вещественному составу -
3.Полевой (макроскопический) метод определения минералов.
Существует ряд методов определения минералов: кристаллографический, оптический, рентгенологический, химический и др. Эти методы применяются в лабораторной обстановке и требуют наличия специального, подчас довольно сложного оборудования. Так, например, для определения минералов оптическим методом требуется специальный поляризационный микроскоп. Широкое применение в практике получил так называемый полевой метод (макроскопический), основанный на определении физических свойств минералов.
Для определения минералов макроскопическим методом применяется простейшее оборудование и реактивы: молоток, перочинный нож, лупа 7—10-кратного увеличении, стекло, склянка с 10%-ным раствором соляной кислоты.
С помощью молотка окалывают края образцов, чтобы получить свежий излом. Определение физических свойств ведут в следующем порядке: цвет, твердость, спайность, блеск, излом. Например, для определения взят белый минерал. По цвету относят его к группе светлых минералов, в которую из числа породообразующих минералов входят кварц, полевой шпат, кальцит, гипс, каолинит, белая слюда (мусковит).
Далее определяют твердость минерала царапанием свежей его поверхности ножом. Если нож не царапает минерал, то твердость его более 5,5, и, следовательно, определяемый минерал должен быть отнесен к кварцу или белому полевому шпату (ортоклазу).
Дальнейшее
уточнение осуществляется путем
определения спайности и
Если нож царапает минерал, то твердость минерала менее 5, и, таким образом, он относится к одному из следующих минералов: кальциту, гипсу, мусковиту, каолиниту. Если царапание ногтем испытуемого минерала оставляет на нем след, то его твердость около 2.
Пусть
испытуемый минерал обладает совершенной
волокнистой спайностью и имеет
шелковистый блеск. При действии
на минерал соляной кислоты
4.Геологическая деятельность ледников.
Движение ледников. Существенная особенность льда - пластичность, способность течь под давлением. Движение ледника во многом аналогично движению водного потока, отличаясь несравненно меньшими скоростями. Давление в леднике бывает огромным, так как мощность льда в горных глетчерах достигает нескольких сотен метров, а толщина ледниковых покровов Гренландии и Антарктиды достигает 3-3,5 км. В нижней части ледника лёд становится текучим и движется в область с меньшим давлением. Поэтому в полярных странах движущиеся ледники возникают даже на ровной поверхности.
Абсолютная скорость течения льда колеблется от 0,25 мм/час до 1,25 м/час. Но лёд реагирует на мгновенные напряжения как твёрдое хрупкое тело. Поэтому в толще льда часты трещины, особенно в верхней части. Среди них различают поперечные и продольные. Поперечные трещины возникают вследствие трения льда о склоны. Располагаются по краям ледника, направлены косо к берегу и вниз по течению. Продольные трещины возникают в местах расширения ледниковой долины и растекания льда. Особенно густые они на конце языка, в виде веера.
Лёд в леднике расходуется путём таяния (абляция) и меньше - путём прямого испарения в атмосферу. Таяние происходит в основном с поверхности, но частично и у дна под действием давления, которое сильно понижает точку плавления льда. Так, при давлении 2200 кг/см2 лёд может таять даже при температуре - 22°С. Образующиеся талые воды стекают по поверхности ледника, проникают в трещины, движутся на глубине вдоль них, по каналам, протаянным в толще льда. Нередко такие подлёдные и внутрилёдные воды находятся под значительным гидростатическим давлением, иногда выбрасываются из трещины в виде фонтанов. Во льду талые воды могут образовывать резервуары, или карманы с значительными объёмами воды. Так, в 1892 году в Альпах возник карман, содержавший 100 тыс. кубометров воды. Карман внезапно прорвался, вода ринулась с высоты 3000 м, было снесено 2 селения. Главная форма расхода льда в ледниках, спускающихся в море - обламывание глыб (айсбергов), уносимых течениями.
Типы ледников и оледенения.
Ледники в настоящее время покрывают площадь в 16199 тыс. км2, или около 11% поверхности суши. Из них:
Гренландский ледниковый щит - 1803 тыс. км2.
Остальные ледники Арктики - 279 тыс. км2.
Все горные
ледники вне Арктики и
Антарктида - 13900 тыс. км2.
Особенности и морфология ледников зависят от рельефа, условий питания, стадии их развития. Различают несколько морфологических типов ледников и, в свою очередь, типов оледенений. Прежде всего, это горные и материковые оледенения.
Горные оледенения развиваются в горах выше снеговой линии. Встречаются на всех широтах. Могут слагаться из ледников различных типов, что зависит от высоты гор, площади питания ледника, характера рельефа.
Неполно развитые ледники, почти лишённые языка и практически состоящие из одного фирнового бассейна, так и называются фирновыми (каровыми).
К ним близки висячие ледники, имеющие небольшой язык, выходящий из фирнового бассейна, но не доходящий до дна долины. Поскольку они характерны для горных стран со слабым развитием оледенения, в частности, для Пиренеев, такой тип ледника называется пиренейским.
Более крупные ледники, достигающие в длину десятков километров, обладающие хорошо выраженной областью питания, длинными языками, занимающими дно долины, называют долинными ледниками, или ледниками альпийского типа (Альпы, Кавказ и др.).
В высоких горах с глубокими узкими долинами, острыми пиками условия для образования больших фирновых полей отсутствуют. Снег со склонов сразу скатывается на дно долин, превращаясь здесь в лёд. Подобные безфирновые долинные ледники, как и тип оледенения, называются памирскими.
При мощном оледенении и низкой снеговой границе языки соседних долинных ледников могут выходить на поверхность прилегающей равнины, сливаясь при этом и образуя сплошной ледниковый покров. По леднику Маляспина в районе залива Якутат на Аляске (площадью около 3800 км2) этот тип называется маляспинским типом ледников подножий.
Для высоких широт характерен скандинавский тип оледенения, когда из развившегося на высоких горных плато обширного фирнового поля площадью в сотни и тысячи км2 в разные стороны отходят многочисленные короткие ледниковые языки долинных ледников. Примером может служить массив Юстедаль (юг Норвегии) площадью 943 км2 (площадь главного ледяного щита около 640 км2). Этот тип является переходным к материковому.
Материковые оледенения развиты в полярных странах, где снеговая граница проходит на уровне моря или чуть выше него, поэтому лёд и фирн формируются даже на поверхности низменных равнин. Льды мощной толщей одевают обширнейшие пространства, даже континенты. В настоящее время в чистом виде материковое оледенение существует только в Гренландии и Антарктиде. Площади этих ледниковых щитов указаны выше; мощность в центре гренландского ледникового покрова достигает 3400 м, антарктического - в среднем 2-4 км.
В ледниковых щитах Гренландии и Антарктиды сосредоточены огромные запасы пресной воды. Если бы в результате потепления климата весь материковый лёд растаял, уровень Мирового океана повысился бы на 66,3 м.
5.Поглотительная способность почв.
Поглотительная способность почв обусловлена физическими свойствами и химическим составом почвенного поглощающего комплекса (ППК), а также рядом протекающих в почве процессов. Выделяют следующие формы поглотительной способности почв: биологическую, механическую, физическую, химическую и физико - химическую (К. К. Гедройц).
Биологическое поглощение - способность почвенных микроорганизмов и растений усваивать из почвы и воздуха различные вещества и переводить их в органические соединения своего тела. Благодаря биологическому поглощению в почве аккумулируются элементы зольной и азотной пищи. Она обогащается органическим веществом.
Механическое поглощение обусловлено наличием в почве тонких пор, которые способны задерживать взвешенные в воде частицы. Почвы тяжелые, богатые гумусом, или плотные лучше задерживают взмученные частицы, чем почвы песчаные, содержащие мало органического вещества, или рыхлые.
В основе физического поглощения лежит свойство почвенных частиц, обладающих свободной поверхностной энергией, адсорбировать на поверхности различные вещества (газы, пары и растворенные соединения). Почва адсорбирует многие вещества в виде молекул, этот вид поглощения называют молекулярной, или аполярной, адсорбцией. Физическое поглощение почвы зависит от количества в ней коллоидов, илистой и пылеватой фракций.
Химическое поглощение связано с тем, что находящиеся в почвенном растворе вещества могут химически взаимодействовать друг с другом или с твердой фазой почвы. В результате образуются труднорастворимые или нерастворимые в воде соединения, которые, выпадая в осадок, закрепляются в почве. Такое явление наблюдается при внесении в почву суперфосфата Са(Н4PO4)2. Химическое поглощение ионов фосфорной кислоты почвами возрастает в следующем ряду: черноземы сероземыдерново - подзолистые красноземы.
Физико - химическое, или обменное, поглощение - способность почвы поглощать из раствора ионы различных диссоциированных веществ. Поскольку в почве преобладают отрицательно заряженные коллоидные частицы, она будет поглощать из раствора преимущественно катионы. Однако в почве находится немного и положительно заряженных коллоидов, которые определяют ее способность поглощать, хотя и в незначительном количестве, из раствора различные анионы.
Поглощаемые катионы входят в компенсирующий слой ионов и прочно удерживаются на поверхности коллоидных частиц. Одновременно в раствор из почвы выделяются другие катионы. Отсюда этот вид поглощения получил название обменной поглотительной способности.
Сумма катионов, входящих в почвенный поглощающий комплекс и способных к обмену, называется емкостью поглощения. Она выражается в миллиграмм - эквивалентах на 100 г почвы (мг - экв на 100 г). Емкость поглощения у различных почв неодинакова и зависит от состава и свойств коллоидов. В легких почвах она составляет 5 - 10 мг - экв, а в черноземах может достигать 50 - 70 мг - экв.
По составу поглощенных катионов почвы подразделяют на насыщенные и ненасыщенные основаниями. К насыщенным основаниями относятся почвы, в поглощающем комплексе которых преобладают ионы Са2+ и Mg2+ и отсутствуют ионы H+ и Al3+. К ненасыщенным основаниями относят почвы, которые в поглощенном состоянии наряду с ионами Са2+ и Mg2+ содержат ионы H+ и Al3+ (подзолистые, дерново - подзолистые, красноземы).
6.Главнейшие минералы, входящие в состав грунта.
Минеральный
состав оказывает весьма значительное
влияние па степень устойчивости
грунта в инженерных сооружениях. Он
резко изменяется в зависимости
от исходного состава горной породы,
степени ее дробления, условий формирования
и залегания. Крупнообломочные грунты
сложены обломками наиболее стойких
и прочных горных пород, состоящих
обычно из групп минералов. С увеличением
степени раздробленности
Глинистые минералы представляют собой продукт химического изменения первичных минералов: полевых шпатов, слюд и др. Они придают грунтам совершенно новые физико-механические свойства.
Особо
следует остановиться на глинистых
минералах высокой степени
Каолинит — относительно стойкий минерал, содержащийся в довольно большом количестве во многих глинистых грунтах. По сравнению с другими глинистыми минералами каолинит обладает небольшой набухаемостью при смачивании водой и малой способностью к поглощению (адсорбции на поверхности) различных веществ.
Монтмориллонит в отличие от каолинита характеризуется более высокой дисперсностью (раздробленностью) частиц, чрезвычайно большой пластичностью и способностью в 10 — 20 раз увеличивать объем при увлажнении, а также рядом других особенностей. Наличие в грунтах большого количества монтмориллонита (например, в солонцеватых грунтах) придает им при увлажнении резко выраженные отрицательные свойства: чрезмерную липкость, сильное набухание и отсюда быструю потерю несущей способности. Размеры минералов монтмориллонита крайне незначительные и, как правило, не превышают одного микрометра.
Гидослюды по своим свойствам занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.
Водорастворимые
минералы. К водорастворимым минералам
относятся гипс, галит, сильвии. Гипс характеризуется
сравнительно небольшой растворимостью,
галит и сильвии — легкорастворимые в
воде минералы и поэтому встречаются в
грунтах в зоне сухого и жаркого климата.
7.Обследование
грунтов вдоль трассы
в целях устройства
земляного полотна.
Основные шурфы и скважины закладываются на наиболее характерных элементах рельефа (на водораздельных плато, склонах, гребнях холмов или, наоборот, в низинах). Шурфами вскрываются почвенный слой и подстилающая его материнская порода.
Для установления границ распространения отдельных разновидностей почв и грунтов вместо глубоких основных шурфов закладывают мелкие выработки, называемые пикопками при глубине их до 0,5 м и по л у ш у р ф а м и — при глубине до 1 м.
Количество шурфов, полушурфов и прикопок может колебаться в широких пределах и зависит как от масштаба проводимых работ, так и от рельефа, гидрогеологических условий местности и других факторов. В среднем при подробных изысканиях один глубокий шурф на 0,5 — 1км и прикопку на 0,25 — 0,5 км.
В
равнинной местности при
В местности с широковолнистым рельефом, ровными пологими склонами шурф, заложенный в середине склона, будет характеризовать средние грунтовые условия всего склона. Правильность этой характеристики проверяют путем заложения прикопок в верхней и нижней частях склона.
При холмистом рельефе обычно основной глубокий шурф закладывают на вершине холма, другой глубокий шурф — на пологом склоне. На противоположной части склона делается прикопка.
В котловинах или широких ложбинах между холмами основной шурф закладывают на дне понижения, а на склонах делают прикопки.
В случае прохождения трассы на местности с развитым микрорельефом основные шурфы закладываются по основным элементам микрорельефа.
Прежде чем приступить к изучению шурфа, вертикальную стенку, подлежащую осмотру, зачищают лопатой. Внимательно осматривая вертикальную стенку шурфа по внешним признакам — окраске, плотности, структуре и т. п., — выделяют отдельные слои или почвенные горизонты. Затем приступают к послойным описаниям шурфа, обращая внимание на следующие характеристики: мощность слоя, цвет, гранулометрический состав, структуру, влажность, сложение, плотность, содержание органических примесей и др.