Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Вопросы для самопроверки

Ключевые слова

1. Кларк. 2. Минерал. 3. Кристалл. 4. Симметрия. 5. Шкала Мооса. 6. Горные породы.

1. Какими символами обозначаются химические элементы, преобладающие в земной коре?

2. Какими символами обозначаются наиболее широко используемые химические элементы?

3. Как называется группа химических элементов образующих горные породы?

4. Что такое полиморфизм?

5. Что такое изоморфизм?

6. Чем объясняется анизотропность кристаллов?

7. Почему кристаллы правильной формы относительно редки?

8. Что такое псевдоморфоза?

9. В чем состоят отличия аморфных и кристаллических минеральных образований?

10. Что такое спайность?

11. Какие свойства минералов относят к типоморфным?

12. Что такое парагенезис минералов?

13. По каким классификационным признакам минералы делятся на типы?

14. Какими элементами симметрии обладает параллелепипед?

15. Что такое структура горных пород?

16. Что такое текстура горных пород?

17. Что собой представляют горные породы применительно к горным работам?

18. Чем определяются свойства горных пород?

19. В чем состоят различия между генетическими классами пород?

20. В чем состоит различие между интрузивными, гипабиссальными и эффузивными породами?

21. Как понимать выражение кислая щелочная горная порода?

22. Какие подгруппы пород выделяются среди групп хемогенных, органогенных и обломочных горных пород?

23. Какие ингредиенты выделяются по блеску в зрелых углях?

24. Что такое супесь и суглинок?

25. Каков преобладающий размер частиц лесса?

26. Чем в значительной степени обусловлена окраска осадочных горных пород?

27. На чем основана классификация метаморфических горных пород?

28. Какой генетический класс горных пород слагал первичную земную кору?

 

 


4. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Планета Земля как геологическое тело существует более 4,5 млрд. лет. Возникла Земля и приобрела свой облик в ходе длительной эволюции в строгом соответствии с известными и еще не известными законами физики и химии. Вещество геосфер Земли находится в непрерывном движении и изменении. Между геосферами постоянно идет обмен веществом и энергией. Быстрее всего процессы идут в газообразной и жидкой оболочках, но основное содержание истории развития планеты составляют гораздо более медленные изменения, совершающиеся во внутренних геосферах. Изучение этих изменений необходимо для верного понимания современного, будущего и прошлых состояний Земли. Процессы, происходящие на поверхности и в недрах Земли, изучает динамическая геология.

Под геологическими процессами понимается совокупность явлений приводящих к возникновению новых и изменению состава, строения, свойств, состояния, формы, размеров или связей, ранее существовавших геологических тел. Твердые горные породы преобразуются в сыпучие, а рыхлые породы в связные. Химические элементы в земной коре и на ее поверхности могут перемещаться и перераспределяться в жидкой фазе (в магматических расплавах, в водных растворах), в газообразной фазе (с продуктами дегазации недр), в твердой фазе (при диффузии и метасоматозе, в виде пыли и при гравитационном перемещении более крупных частиц). В водных растворах элементы перемещаются в виде ионов, молекул и коллоидных частиц, в газах в форме молекул и аэрозолей. Миграционная способность элементов в недрах зависит от химических свойств массивов горных пород и геомеханических[1] условий, в которых мигрируют элементы. В результате миграции происходит рассеивание одних и концентрация других химических элементов, иногда с образованием залежей полезных ископаемых. В миграции элементов, происходящей на земной поверхности, большую роль играют биогеохимические процессы.

Геологические процессы различаются по масштабам, интенсивности, длительности действия и источникам энергии. Периоды постепенного и длительного изменения (эволюции) недр и сопряженных сред, чередуются с резкими изменениями геологической среды и ландшафтов (катастрофами).

Преобразование поверхности и недр Земли обусловлено действием двух групп процессов. Первую образуют эндогенные процессы, движущим началом которых является внутренняя энергия Земли (главным образом сила тяжести, центростремительная и центробежная силы, а также энергия распада металлогидридов ядра Земли и радиоактивных химических элементов). Вторую группу составляют экзогенные процессы, порождаемые лучистой энергией Солнца и притяжением Луны[2].

Эндогенные процессы зарождаются во внутренних геосферах и проявляются в форме тектоногенеза, магматизма и метаморфизма.

Процессы, приводящие к перемещениям отдельных участков (блоков) земной коры, изменению их формы, размеров и строения в результате действия внутренних сил называются тектоническими, а область их проявления тектоносферой. Тектонические движения часто имеют как вертикальную (радиальную), так и горизонтальную (тангенциальную) компоненту, в ходе которых возникают орогены (горные страны) и прогибы в которых накапливаются мощные толщи осадков.

Вертикальные движения происходят со скоростью порядка 0,5-2 см/год, но характеризуются сменой знака, т. е. являются колебательными. Поэтому результирующие скорости вертикальных движений, определяемые за десятки миллионов лет, не превышают 0,1 см/год в подвижных поясах и 0,01 см/год на платформах, при установленных суммарных перемещениях в 10 км и более.

Годовая скорость горизонтальных перемещений в тектонически активных зонах (Восточная Африка, Япония, Таджикистан, Калифорния) составляет 0,1-5 см. Горизонтальные движения обычно длительно сохраняют свою направленность. Современное размещение континентов обусловлено в значительной степени горизонтальным перемещением соответствующих литосферных плит за сотни миллионов лет на тысячи км.[3]

По времени проявления выделяют современные тектонические движения, которые непосредственно отражаются в современном рельефе и определяются геодезическими методами и движения геологического прошлого. По длительности тектонические движения делятся на медленные (вековые) и быстрые. Быстрые движения связаны с землетрясениями и, как правило, отличаются высокой скоростью. Смещения земной поверхности во время землетрясений иногда превышают 10 м. Однако роль таких смещений в формировании рельефа менее значима, чем суммарные результаты медленных движений.

Землетрясения - подземные удары и колебания поверхности Земли, вызванные быстротечным переходом потенциальной энергии недр в кинетическую. Ежегодно на земном шаре регистрируется 20 катастрофических, 150 разрушительных, около 7 тысяч сильных, 19 тысяч умеренных, 150 тысяч слабых землетрясений и несколько миллионов сейсмособытий. Согласно международной сейсмической шкале MSK-64 землетрясения по интенсивности разделяются на 12 градаций (баллов). Сейсмособытия силой в 1 балл регистрируются лишь специальными приборами. Сейсмические удары в 12 баллов сопровождаются существенными сдвижениями и деформациями, как в недрах, так и на земной поверхности, приводят к разрушению всех без исключения инженерных сооружений. Современные конструктивные меры по защите сооружений от сейсмособытий эффективны при силе землетрясений до 8 баллов. Последствия землетрясения силой в 7,2 балла в г. Нефтегорске (о. Сахалин) в 1995 г. показаны на рис. 7. Было разрушено 17 многоквартирных домов из 22, погибли 2247 человек из 3200 жителей.

При сильных землетрясениях минеральные частицы колеблются с частотой до 200 раз в минуту. Вертикальные колебания минеральных частиц в скальных породах могут достигать 8 см, в песках 16 см, а горизонтальные 35 см. При прочих равных условиях разрушения всегда больше на территориях распространения менее плотных, малопрочных и водонасыщенных пород, скорость распространения сейсмических волн в которых в 5÷10 раз меньше, чем в скальных породах.

Рис. 7. Последствия землетрясения в пос. Нефтегорск[4] (Фото Г.Л. Коффа)

 

В геологическом смысле очаг землетрясения представляется областью хрупкой деформации массива горных пород с почти мгновенным перемещением масс. Центр очага именуется гипоцентром. Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром. Большая часть гипоцентров располагается на глубине порядка 20÷30 км. Редко отмечаются толчки, исходящие из верхней мантии. При удалении от эпицентра возрастает доля горизонтальной (самой опасной) составляющей сейсмической волны.

В ходе землетрясений высвобождается колоссальная энергия. В Ашхабаде в 1948 г. энергия землетрясения составила ~1015 Дж, в Сан-Франциско в 1906 г. ~1016 Дж, на Аляске в 1964 г. ~1018 Дж. На Земле за год при землетрясениях разряжается упругая энергия порядка 0,5´1019 Дж (0,5% всей энергии эндогенных процессов Земли).

Очаги землетрясений распространены неравномерно и совпадают с участками недр, в которых проявляются новейшие тектонические движения. Выделены 2 главных глобальных сейсмических пояса — Средиземноморский, простирающийся через юг Евразии от берегов Португалии на западе, до Малайского архипелага[5] на востоке и Тихоокеанский, охватывающий берега Тихого океана (рис. 8).

Эти пояса включают геологически молодые горные сооружения (Альпы, Апеннины, Карпаты, Кавказ, Гималаи, Кордильеры, Анды и др.), а также подвижные зоны подводных окраин материков (западная периферия Тихого океана с Алеутской, Курильской, Японской, Малайской, Новозеландской и др. островными дугами; Карибское, Средиземное и др. моря).

Рис. 8. Важнейшие сейсмические зоны Земли (по Дж. Гиру и Х. Шаху). 1 – сейсмические зоны и эпицентры землетрясений с магнитудой 8 и более, происшедшие с 1900 г.

 

На платформах и на большей части дна океанов землетрясения происходят редко и большой силы не достигают. В пределах материков эпицентры землетрясений приурочены к областям тектонической активизации, а также к рифтовым зонам, образованным системами разломов (рифты Восточной Африки, Красного моря, Байкала и др.). В пределах океанов значительной сейсмической активностью отличаются срединно-океанические хребты.

Землетрясения являются объектом изучения сейсмологии. Сейсмологи, используя геофизические и математические методы, моделируют также внутреннее строение Земли, прогнозируют месторождения полезных ископаемых. Наблюдения над землетрясениями осуществляются сейсмическими службами. Прогноз землетрясений основывается на регистрации «предвестников» землетрясений — слабых предварительных толчков (форшоков), деформации земной поверхности, динамики параметров геофизических полей и др. изменений состояния и свойств геологической среды в сейсмоопасном районе. На территорию России составлена карта общегосейсмического районирования (ОСР-97) в масштабе 1:2500000. Для конкретных районов составляются карты сейсмического районирования крупных масштабов. Примерно 15% территории России находится в зоне, где возможны землетрясения силой 8-10 баллов, а на 20% территории возможны землетрясения силой до 7 баллов. Высока вероятность землетрясений силой 5 баллов в Мурманской области, на севере Карелии, на северном Кавказе, среднем и южном Урале, в полосе от Охотского моря до устья р. Лена. На юге Сибири, в Забайкалье, в Приморском крае и Сахалине возможны землетрясения в 5-8 баллов. Районы возможных 9-балльных землетрясений находятся в Прибайкалье, Камчатке, Курильских островах.[6] Соблюдение норм сейсмостойкого строительства позволяет значительно снизить разрушительное воздействие землетрясений.

Начиная с XX века постоянно возрастает число землетрясений вызванных техногенными причинами: разработкой месторождений полезных ископаемых, сооружением водохранилищ, закачкой в недра жидких отходов.

К тектоническим движениям не относят перемещения массивов горных пород, вызванные нарушениями их гравитационного равновесия под влиянием экзогенных и техногенных процессов, а также колебания земной коры вследствие притяжения Луны и Солнца. Не является тектоническим и процесс восстановления изостатического равновесия, например, поднятий при сокращении ледниковых покровов типа антарктического или гренландского. В тесной взаимосвязи с тектоническими процессами протекают магматические процессы, в ходе которых также возможны локальные движения земной коры, вызванные деятельностью вулканов.

Магматизм – совокупность процессов, связанных с образованием, движением и преобразованием магмы (преимущественно силикатного расплава) в магматические горные породы. Полагают, что магмы ультраосновного и основного состава образуются при плавлении вещества верхней мантии, кислые же магмы возникли в результате вторичного локального преобразования гранитоидно-метаморфизованного слоя земной коры. В зависимости от условий образования магмы различают два основных вида магматизма: интрузивный магматизм (плутонизм), при котором магма внедряется или образуется в массивах горных пород и застывает на глубине, и эффузивный магматизм (вулканизм), связанный с излиянием магмы на поверхность Земли в виде лав и выбросом продуктов вулканических извержений в виде обломков и летучих компонентов.

Эффузивные магматиты занимают значительные территории при относительно малой мощности. Так на площади в 7 млн. км2, включающей часть Среднесибирского плоскогорья, Западной Сибири, п-ва Таймыр, акватории Ледовитого океана и островов Северной Земли общий объем базальтов (траппов) позднего палеозойского – раннего мезозойского возраста составляет 4×106 км3, при средней мощности до 0,6 км (В.Л. Масайтис, 1983). Базальтовые покровы верхнемелового и палеогенового возраста мощностью до 1,8 км занимают на Деканском плоскогорье площадь около 520 тыс. км2.

Массивы кислых интрузивных горных пород площади в тысячи км2. Ранее считалось, что они могут быть прослежены на глубины в десятки км. По геофизическим данным, данным бурением горных работ установлено, что крупнейшие гранитные интрузии имеют линзовидную форму и мощность до 5 км. Формирование массивов интрузивных пород возможно как без образования расплава, так и за счет плавления. Магма образуется в объеме будущего интрузивного тела на месте залегания ранее существовавших горных пород при изменении термобарических условий в локальной области, а не перемещается из неопределенных глубин. Значительную роль в этом процессе играет вода, выделяющаяся при разрушении неустойчивых минералов. Скопление магмы вызывает плавление окружающих пород, очаг магмы увеличивается в объеме, расплав меняется по составу за счет ассимиляции окружающего вещества. Если давление в магматическом очаге превышает предел прочности вмещающих пород, происходит миграция расплава в область пониженного давления, а на контакте минеральных зерен возникают новые порции расплава. Изменение состояние вещества может быть обусловлено и изменением напряженного состояния недр в результате сброса напряжения через вновь образованную зону ослабления.

Вулканы - поверхностные образования, возникающие над зонами ослабления земной коры, по которым на земную поверхность выводятся магматические расплавы (лавы), горячие газы и обломки горных пород (рис. 9).

Рис. 9. Гипотетическое строение вулканов в разрезе (БСЭ)

В процессе кристаллизации магмы, когда остаточный расплав обогащается газами и паром давление растворённых в магме газов становится больше давления вышележащих толщ. Газы начинают продвигаться по ослабленным зонам и увлекают магму к земной поверхности, магма как бы вскипает.

При извержении высота подъёма газов, паров воды, насыщенных пеплом и обломками лав над земной поверхностью колеблется от 1 до 5 км (во время извержения вулкана Безымянного на Камчатке в 1956 г. она достигла 45 км). Вулканический пепел в атмосфере может вызвать дневные сумерки. Пепловый материал переносится на расстояния до десятков тысяч км. Объём выброшенного обломочного материала может достигать тысяч км3, а излившейся лавы десятки км3.

Вулканические аппараты состоят из трещинного или трубообразного канала (некка), жерла (поверхностной части канала), окружающих канал мощных скоплений лав и вулканогенно-обломочных продуктов и кратера (чашеобразной впадины, расположенной на вершине сооружения). Наиболее распространены конусообразные (при преобладании выбросов обломочного материала), куполообразные (при выжимании вязкой лавы) и пологие щитовидные (при преобладании излияний жидкой лавы) вулканические постройки.

В зависимости от соотношений вулканических продуктов (газообразных, жидких и твёрдых) и вязкости лав выделены 4 главные типа извержений: эффузивный, смешанный, экструзивный (купольный) и эксплозивный. Эффузивный тип извержения, создающий чаще всего щитовидные вулканы[7], отличается относительно спокойным излиянием лавы основного состава, образующей в кратерах огненно-жидкие озёра и лавовые потоки. Газы, содержащиеся в небольшом количестве, образуют фонтаны, с комками и каплями жидкой лавы, которые вытягиваются в полёте в тонкие нити.

При смешанном типе извержений, создающем обычно стратовулканы, наряду с обильными излияниями лав андезитового и базальтового состава (иногда в виде длинных потоков), характерны небольшие взрывы с выбросом шлака и бомб. Для купольного типа характерно выжимание вязкой кислой лавы напором газов из некка и образование куполов. В эксплозивном типе извержений большую роль играют взрывы с выбросом газообразного вещества с огромным количеством пепла и обломков лав, а вязкие лавы кислого состава образуют небольшие потоки.

Извержения происходят не только через вершинный (главный) кратер, но и через побочные кратеры, расположенные на склонах и на некотором удалении от них. Извержения иногда сопровождаются обрушениями вулканического сооружения и сдвижением прилегающей территории; образующиеся впадины диаметром до первых десятков км называются кальдерами.

Магматические очаги могут находиться в верхней мантии на глубине порядка 50÷70 км (вулкан Ключевская сопка, Камчатка) или в земной коре на глубине 5÷6 км (Везувий, Италия).

По активности вулканы делятся на: действующие, уснувшие и потухшие. К первым относят ~800 вулканов на суше и более 150 подводных, извержения которых зафиксированы в исторический период и которые выделяют горячие газы и воды. К уснувшим относят вулканы, об извержениях которых нет сведений, но они имеют характерную форму и под ними происходят локальные землетрясения. Потухшими называются сильно разрушенные (эродированные) вулканы без каких-либо проявлений вулканической активности. Общее число известных уснувших и потухших вулканов ~1350. В среднем вулканы извергаются один раз в 220 лет, 20% всех вулканов извергаются раз в 1000 лет, а 2% раз в 10000 лет и реже.

Извержение вулканов представляет собой чередование взрывных выбросов и излияний лав. Продукты извержения вулканов бывают газообразными, жидкими (лава) и твёрдыми. Извержения бывают длительными (от нескольких лет, до столетий) и кратковременными (измеряемые часами). Извержениям предшествуют землетрясения, акустические явления, изменения магнитного поля и состава фумарольных газов[8], беспокойное поведение животных и другие явления.

Активность глубоководных вулканов обычно незаметны, так как давление воды препятствует взрывным извержениям. На мелководье извержения проявляются взрывами (выбросами) огромных количеств пара и газов с мелкими обломками лавы. Взрывы происходят до тех пор, пока продукты извержения не образуют остров. После чего взрывы прекращаются или чередуются с излияниями лавы.

Действующие вулканы расположены вдоль молодых горных хребтов или крупных разломов земной коры в тектонически подвижных областях на протяжении сотен и тысяч км. Почти две трети вулканов сосредоточены на островах и берегах Тихого океана (Тихоокеанский вулканический пояс). Много вулканов также в районе Атлантического океана. В России действующие вулканы расположены на Камчатке (28 вулканов) и на Курильских островах (39 вулканов).

Если лава застывает в приповерхностных условиях, а вмещающий массив горных пород пронизан системой водопроводящих трещин, возникают периодически фонтанирующие горячие источники – гейзеры. Вода на контакте с лавой превращается в пароводяную смесь, которая вырывается на поверхность, при этом давление в трещинных пустотах снижается и в контакт с лавой вступает новая порция воды. Гейзеры известны на Камчатке, на западе США (Кордильеры), Исландии, Новой Зеландии, Японии, Чили, Гватемале и др. странах. Пароводяная смесь гейзеров может использоваться для теплоэлектроснабжения.

Особые геологические образования, постоянно или периодически извергающие на поверхность Земли грязевые массы и газы, часто с водой и нефтью, разнообразные по форме называют грязевыми вулканами. При преобразовании существенно глинистых осадков, содержащих большое количество влаги и органического вещества, образуются значительные объемы свободной жидкости и газов. В недрах возникают зоны аномально высоких пластовых давлений (АВПД). Если значение АВПД превышает критическую величину, зависящую от физико-механических свойств перекрывающих горных пород, разжиженные массы и газы вырываются на земную поверхность.

При извержении грязевого вулкана в море в 25 км от г. Баку 15.11.58 г. столб пламени взметнулся на несколько км, фонтан грязи при диаметре 120 м имел высоту 500 м. Фонтанирование продолжалось около суток. На Апшеронском полуострове максимальная высота конуса грязевого вулкана достигает 490 м.[9] Конуса нафтидов на о. Тринидад имеют высоту до 20 м. Грязевые вулканы известны на восточном побережье Каспия, Таманском, Керченском полуостровах, на востоке Грузии; в Италии, Исландии, Новой Зеландии, Центральной Америке.

Метаморфизм. Метаморфизмом называют изменение сложения и/или состава горных пород в недрах без плавления. Минеральные ассоциации любого генезиса, оказываясь в физических и химических условиях недр отличных от первоначальных, преобразуются в метаморфические горные породы.

Регионально-метаморфические породы имеют наибольшее распространение, формируются длительное время под действием теплового потока из недр и литостатического давления. За счёт аргиллитов на глубинах свыше 7 км, при температуре более 200°С по мере увеличения степени метаморфизма последовательно возникают глинистые сланцы→филлиты→слюдяные сланцы→гнейсы. Из мергелей или основных магматических пород образуются хлоритовые и актинолит-хлоритовые (зелёные) сланцы и амфиболиты. На очень больших глубинах возникают гранат-пироксеновые породы - эклогиты. При региональном метаморфизме из песчаников образуются кварциты, из известняков мрамор, происходит карбонизация углей, а антрациты могут перейти в графитолиты. При температуре 650÷800°С на значительных глубинах пироксены исходных пород замещаются роговой обманкой, роговая обманка — биотитом, плагиоклаз — калиевым полевым шпатом и кварцем, а горные породы разного происхождения превращаются в гранитоиды. Параграниты слагают древние щиты, например, Балтийский щит.

На контакте с магматическими очагами и некками из алюмосиликатных пород образуются роговики, из известняков — мраморы, из бокситов — корундовые породы (наждаки), уголь преобразуется в природный кокс и графит.

При механическом разрушении горных пород в зонах интенсивной деформации массива возникают тектониты (тектонические брекчии-катаклазиты и милониты).

При контактово-метасоматическом изменении горных пород под воздействием агрессивных термальных растворов и газов происходит замещение одних минералов другими, часто с сохранением первоначального строения, объёма пород и твёрдого состояния. Химизм растворов, вызывающих метасоматоз, изменяется в ходе их охлаждения. Различают метасоматоз магматической стадии, сопровождающий внедрение магмы и постмагматический метасоматоз периода охлаждения горных пород. При высоких температурах в щелочной среде образуются скарны, в кислотной среде грейзены, при низких температурах карбонатиты[10], листвениты и березиты.

Перенос химических элементов и соединений потоком растворов, проходящих через горные породы может иметь инфильтрационный характер. Диффузионный метасоматоз связан с диффузией компонентов в относительно неподвижном растворе, пропитывающем горные породы. На границе резко различных по химизму сред (известняки и кварциты, граниты и ультраосновные породы и т.п.) происходит встречная диффузия различных компонентов (т. н. биметасоматоз). В результате метасоматоза могут образоваться мономинеральные породы, а может возникнуть метасоматическая зональность.

В ходе магматических и тектонических процессов глубинное вещество может быть выведено на земную поверхность и преобразовано под воздействием экзогенных процессов в осадочные породы. В ходе нисходящих движений земной коры осадочные породы вовлекаются в глубокие зоны недр и могут быть преобразованы в метаморфические породы, которые будут выведены на поверхность Земли и после разрушения снова преобразованы в осадочные породы.

Экзогенные процессы свойственны приповерхностной части земной коры. Экзогенные процессы приводят к разрушению горных пород (выветривание); к перемещению продуктов выветривания под действием силы тяжести, ветра и воды (денудация); изменению рельефа движущимися водами и ледниками (эрозия); накоплению осадков в понижениях рельефа (аккумуляция).

Выветривание - процесс разрушения горных пород в условиях земной поверхности под влиянием температурного воздействия, механического и химического действия атмосферы, воды и организмов. По характеру среды различают атмосферное и подводное выветривание. По типу воздействия на горные породы различают: физическое выветривание, ведущее только к механическому распаду породы на обломки; химическое выветривание, при котором горная порода изменяется химически с образованием минералов более стойких в условиях земной поверхности; органическое (биологическое) выветривание, преобразующие породы в результате жизнедеятельности организмов.

Физическое выветривание горных пород происходит без изменения химического состава минералов. Породообразующие минералы обладают различными коэффициентами теплового расширения. Например, коэффициент объемного расширения кварца в 2 раза больше, чем у полевого шпата, а коэффициенты линейного расширения у кварца и кальцита по разным кристаллографическим направлениям различаются в 2 раза. При смене температур на контакте минеральных зерен возникают усилия, которые могут привести к появлению трещин и разрушению породы. Наиболее устойчивы к разрушению при перепаде температур мономинеральные мелкозернистые основные и ультраосновные магматические породы. Температурное выветривание происходит главным образом в условиях сухого климата и связано с резкими колебаниями температуры горных пород при нагреве солнечными лучами и последующем охлаждении.[11] В областях с частыми перепадами температуры от положительных до отрицательных значений механическое разрушение пород происходит под влиянием морозного (криогенного) выветривания: при замерзании воды в трещинах ее объём увеличивается на 9%, при этом развивается давление до 790 кг/см2 и порода разрывается. Наиболее морозостойки магматические горные породы.

В результате интенсивного физического выветривания магматических пород в условиях сурового континентального климата на склонах и вершинах гор образуются значительные по площади скопления глыб, залегающие в виде «плаща» (т. н. каменные моря или курумы) (рис. 10). Курумы, постепенно смещающиеся вниз по склону, нередко образуют «каменные реки». Форма глыб курума в значительной степени определяется системами трещин в исходных коренных породах. Механическое разрушение горных пород подготавливает их для химического выветривания.

Основные агенты химического выветривания — кислород воздуха, углекислый газ и особенно водные растворы солей, кислот и щелочей. Химическое выветривание горных пород (окисление, гидратация, гидролиз и растворение) происходит с выделением тепла под действием химически активных веществ, транспортируемых током воздуха либо водой. Например, пирит, взаимодействуя с кислородом воздуха во влажных условиях, переходит в гидроксид железа (1), в качестве попутного продукта образуется серная кислота, растворяющая горные породы.

4FeS2 + 15O2 + 11H2O → 2Fe2O3×H2O +8H2SO4 + QДж (1)

Процесс окисления может привести к самовозгоранию сульфидных руд и угля переизмельченных[12] при добыче.

Рис. 10 Курумы Станового нагорья (Бурятия)

 

При гидратации происходит преобразование минералов в кристаллогидраты. Например, ангидрит (СаSO4) превращается в гипс (СаSO4×2H2O) с увеличением объема примерно на 1/6. При этом первичное залегание горных пород осложняется появлением мелких складок и трещин.

Гидролиз - реакция ионного обмена между минералами и водой, приводящая к замене иона исходного минерала на гидроксил (OH-). Например, при гидролизе полевые шпаты разрушаются до каолинита (2), а пироксены, амфиболы и оливин могут быть преобразованы в глины, остаточные железные руды и бокситы.

4KAlSi3O8 + 22H2O → 4KOH + 8SiO2×2H2O + Al4Si4O10(OH)8 (2)

Растворение (выщелачивание) – процесс перехода минерального вещества в раствор. Например, в литре воды может быть растворено порядка 100 мг аморфного кремнезема. Воды, циркулирующие в толще пород, помимо простого растворения способны производить и химические преобразования. В воде хорошо растворимы минеральные соли, менее растворимы сульфаты и еще хуже карбонаты. Сульфатные породы и каменная соль могут растворяться в воде без сопутствующих реакций. Карбонатные породы растворяются при участии свободной углекислоты по схеме:

CaCO3+H2O+CO2 «Ca2++2HCO3

Силикаты и алюмосиликаты переходят в раствор под действием, прежде всего, органических кислот.

Растворение пород часто сопровождается их механическим размывом. При растворении и выносе минеральных частиц (суффозии) в массиве горных пород возникают каверны и карстовые полости.

Карст – разновидность подземного гидрохимического выветривания. Карстообразование может сопровождаться появлением на поверхности конических, котлообразных и блюдцеобразных углублений (воронок), ям неправильной формы диаметром от 1 до 200 м и глубиной от 0,5 до 50 м, иногда котловин площадью до сотен км2. На дне воронок и котловин встречаются водопоглощающие отверстия — поноры. Котловины и воронки могут периодически заполняться водой (исчезающие озёра, речки и ручьи).

В закарстованных массивах, подземные полости могут образовывать сообщающиеся карстовые пещеры большой протяженности. Например, в штате Кентукки, США суммарная длина системы пещер Флинт-Ридж более 240 км. Высота пещер до 91 м. Карстовые колодцы и пропасти являются переходными формами между поверхностными и подземными формами карста. Глубочайшие карстовые пропасти мира — Пьер-Сен-Мартен 1110 м (Франция — Испания) и Берже 1122 м (Изер, Франция). Назаровская пропасть в районе Сочи (западный Кавказ) имеет глубину около 500 м. Пантюхина пещера в Абхазии имеет глубину 1505 м. Интересны и карстовые пещеры Абхазии (рис. 11), уникальна ледяная пещера в Пермском крае (г. Кунгур).

Комплекс поверхностных и подземных карстовых форм наиболее полно выражен в том случае, когда поверхность растворимых горных пород обнажена (голый карст). В карстовых ландшафтах тропических стран нередко встречаются останцы известняков. Если растворимые горные породы перекрыты слоем почвы или нерастворимыми рыхлыми осадками на поверхности возникают воронки, «котлы» и другие формы образующиеся путём вмывания в трещины и пустоты карстующихся толщ рыхлых покровных образований (закрытый карст). Карстовые провалы отсутствуют, если растворимые породы перекрыты некарстующимися толщами (погребённый карст).

Рис. 11 Карстовая пещера Новый Афон (Абхазия). Видны натечные минеральные образования в виде сосулек (сталактиты) и направленных им навстречу сталагмитов. При соединении сталактитов и сталагмитов образуются натечные колонны - сталагнаты (фото Горолевич У.А.)

В зонах тектонических нарушений и долинах рек, где сильнее циркуляция подземных вод карст наиболее интенсивен. Водоразделы обычно закарстованы слабее. Степень закарстованности оценивают отношением суммарной площади карстовых пустот к общей площади территории.

С карстовыми явлениями внешне сходны явления псевдокарста, возникающие во льду и мёрзлых грунтах (термокарст), в мелкообломочных и пористых грунтах («кластокарст», «глинистый карст», «лёссовый карст», механическая суффозия, просадки); в их развитии основную роль играют физические процессы — таяние льда, механическое воздействие движущейся воды и пр. Процессы, связанные с выщелачиванием солей из рыхлых грунтов, с растворением известкового и гипсового цемента обломочных пород, составляют группу карстово-суффозионных процессов. В этих породах вода избирательно растворяет цемент, а основная масса породы (глинистые частицы, песок, галька) удаляется механически током воды.

Карст осложняет строительство различных сооружений (известны случаи фильтрации воды из водохранилищ и разрушения плотин из-за выщелачивания). На относительно слабо закарстованных территориях допускается строительство жилых зданий в 5 этажей с применением специальных конструктивных мер (усилением фундаментов, закладкой железобетонных поясов и т.п.). Карст нередко затрудняет ведение горных работ (например, на Ленинградском месторождении горючих сланцев, Северо-Уральских бокситовых рудниках), но иногда система карстовых пустот может быть использована для дренажа поверхностных и подземных вод из горных выработок.

В пределах материков карстующиеся породы занимают значительные площади (карбонатные — до 40, гипсы и ангидриты — около 7, ископаемая соль — до 4 млн. км2). В России карст развит на Восточноевропейской равнине, Урале и в Предуралье, на Северном Кавказе, в горах Южной Сибири, в Приангарье и на Дальнем Востоке.

Работа подземных вод заключается не только в выщелачивании горных пород, но и в переносе и аккумуляции минеральных осадков в недрах путем замещения вмещающих пород новым минеральным веществом или заполнения пустотного пространства. Сток подземных вод оценивается в 2,2 тыс. км3/год, а суммарный вынос растворенных веществ оценивается в 1300 млн. т/год. Осаждение осадков связано с изменением термобарических условий и окислительно-восстановительного потенциала растворов и вмещающих пород. При этом могут образоваться залежи свинцовых, цинковых и железных руд, бокситов, фосфоритов, россыпи золота, алмазов и др. Сами подземные воды являются одним из важнейших видов полезных ископаемых.

Органическое выветривание обусловлено как процессами обмена живых организмов с окружающей средой (значительную часть питания растений и бактерий составляют минеральные вещества), так и физическим расклиниванием горных пород корнями растений. Биота извлекает из горных пород необходимые для жизнедеятельности химические элементы при этом разлагая минералы. Давление, развивающееся в тканях корней, может достигать 19 МПа. На 1 г выветрелой породы может приходиться до 1 млн. бактерий.

Своеобразным типом выветривания является почвообразование, при котором ведущую роль играют биоценозы[13]. Почва - особое природное образование, характеризующееся плодородием и возникшее в результате преобразования органических остатков и поверхностных слоев земной коры под совместным воздействием воды, воздуха и организмов. Годовое количество корневого и наземного опада изменяется от 5÷6 ц/га в пустынях и 10 ц/га в тундрах до 250 ц/га во влажных тропических лесах. Зольность опада составляет от 1 до 15%. В почве опад подвергается воздействию микроорганизмов, минерализирующих до 80÷90% его сухой массы и участвующих в синтезе гумусовых веществ из продуктов распада органического вещества. На 1 м2 почвы приходится до нескольких сотен особей мезофауны, до нескольких сотен тысяч единиц микрофауны. Земляные черви за год на 1 га перерабатывают 5 т почвы. Минеральное вещество, проходя через пищеварительный тракт червей, преобразуется в водорастворимые вещества. Деятельность почвенной фауны ускоряет гумификацию и минерализацию растительных остатков, изменяет солевой режим и кислотно-щелочной баланс почвы, повышает её пористость, водо- и воздухопроницаемость, способствует приращению мощности продуктивного горизонта и перемешиванию слоев почвы, создаёт водопрочную зернистую структуру почвы. Отмершие организмы морей дают начало биогенным осадкам (порядка 2 млрд. т в год).

На скорость и степень выветривания, объем и состав продуктов выветривания, влияют климат, рельеф, состав, сложение и состояние исходных пород. Обычно все виды выветривания действуют одновременно, но в зависимости от климата тот или иной из них преобладает. Химическое и органическое выветривание горных пород преобладает в районах с влажным (гумидным) климатом. Физическое выветривание наиболее активно проявляется в районах с аридным и нивальным климатом. Выветривание наиболее интенсивно в условиях тропического или субтропического климата и расчлененного рельефа.

Толще выветрелых горных пород (коре выветривания) свойственна геохимическая зональность, выраженная характерным для каждой климатической зоны минеральным комплексом. Кора выветривания представляет собой поверхностную часть массива коренных пород[14], измененную физико-химическими и биологическими процессами. В зависимости от степени кислотности (щёлочности) среды и биогенных факторов образуются минералы различного состава: от устойчивых в щелочной среде (в нижних горизонтах) до устойчивых в кислой или нейтральной среде (в верхних горизонтах). Разнообразие продуктов выветривания определяется минеральным составом первичных горных пород. Например, ультраосновные породы при выветривании подвергаются карбонатизации (с образованием кальцита, доломита, магнезита и т.п.), по трещинам могут образоваться минералы никеля, а вследствие гидролиза и кремнезем. Зона конечного гидролиза и окисления ультраосновных пород может содержать крупные месторождения руд никеля, кобальта, марганца, магнезита и природно-легированных железных руд.

Конечные продукты выветривания карбонатитов – горных пород, состоящих более чем на 90% из кальцита, анкерита, сидерита и небольшого количества примесей (пироксенов, амфиболов и редкоземельных минералов) - гидроокислы железа, обогащенные минералами-примесями, устойчивыми в поверхностных условиях. При выветривании карбонатитов даже при ничтожном первичном содержании ниобия, тантала, редких земель и фосфора могут возникнуть промышленные залежи руд этих элементов.

В составе органического вещества углей при химическом выветривании доля углерода и водорода уменьшается, а кислорода увеличивается, кроме того, увеличивается влажность угля, понижается способность его к спеканию, уменьшается теплота сгорания, уголь разрыхляется до состояния сажи. Выветрелые угли могут быть использованы как сырье для получения гуминовых удобрений. Сложность ведения горных работ в зоне залегания выветрелых углей резко возрастает.

Кора выветривания неоднородна. Рыхлые отложения, замещающие при выветривании коренные (материнские) горные породы на месте их залегания называют элювием. Состав элювия отвечает составу коренных пород. Продукты выветривания, перемещенные на склон, называют делювием, а залегающие в основании склона пролювием. Продукты выветривания, составляющие делювий, имеют разнообразный состав (от глин и песков до крупных валунов) и характеризуются слабой сортированностью. По петрографическому составу делювий отличается от подстилающих его коренных горных пород, обнаруживая связь с породами, залегающими выше по склону и на вершинах. Пролювиальные отложения обычно образуют в нижней части склонов плащевидный покров (шлейф), смягчающий переход к прилегающей равнине. С делювием и пролювием часто связаны россыпи золота и руд др. металлов. Различают площадную кору выветривания, чехлом перекрывающую коренные породы (мощность до десятков м) и линейную развитую по ослабленным зонам в коренных породах на глубину до 1500 м.

Неоднородность и неодинаковая устойчивость пород на различных участках к выветриванию ведёт к образованию останцов. При удалении водой или ветром продуктов выветривания возникают своеобразные эрозионные формы рельефа, зависящие как от характера выветривания, так и от свойств коренных горных пород (рис. 12).

Для массивов интрузивных пород характерны скруглённые формы рельефа; для слоистых осадочных и метаморфических — ступенчатые формы (карнизы, ниши и т. п.). Во влажном климате на территориях развития карстующихся пород возникают провалы, разделённые острыми выступами и гребнями (карры).

Рис. 12. Эрозионный рельеф (Становое нагорье. Бурятия)

В ходе выветривания образуется обломочный материал и растворимые соединения, которые попадая в водные бассейны, могут выпасть в осадок – первичный материал различных осадочных пород и многих полезных ископаемых.

Роль гидросферы в экзогенных процессах. Гидросфера содержит все химические элементы в виде взвесей и растворенных веществ. Содержание солей в водах суши при общем преобладании карбонатов, зависит от местных условий и прежде всего от климата. Наиболее минерализованы воды соленых озер (Мертвое море до 260‰[15]) и подземные воды (до 600‰). Обычно воды суши пресные (соленость от 0,05 до 1‰). Минерализация воды Онежского озера 30 мг/л, Ладожского озера 70 мг/л, Байкала 90 мг/л.

Озера занимают около 2% площади суши. Озера – естественные водоемы с замедленным водообменном, расположенные в понижениях суши, являются, прежде всего, участками аккумуляции продуктов выветривания с прилежащей площади водосбора и абразии берегов. Большинство озер существует тысячи - десятки тысяч лет. За это время происходит заполнение озерных котловин осадками и их заболачивание. Скопление в озерных отложениях оксидов и гидроксидов железа и марганца в северном и умеренном поясах и алюминия в субтропическом и тропическом поясах могут образовывать месторождения. Промышленное значение имеют озерные глины и сапропель. В засушливых районах в озерах может происходить кристаллизация и осаждение солей. Озерные месторождения важные источники минеральных солей.

Соленость морской воды колеблется от 1÷2‰ (Финский залив Балтийского моря) до 41,5‰ (Красное море), средняя соленость океанической воды около 35‰. Солевой состав вод формируется за счет продуктов выветривания горных пород и продуктов дегазации мантии. Среди солей океанической воды преобладает хлорид натрия. В океаническую воду катионы Na, Mg, Ca, K и др. поступили главным образом за счет речного стока. Cl, S, F, Br, I и др. анионы являются преимущественно продуктами подводных вулканических извержений. Азот, свободный кислород и СО2, поступают в гидросферу из атмосферы и продуктов жизнедеятельности организмов. В океаны ежегодно поступает порядка 3 млрд. т осадочного материала (не менее 50% приходится на биогенный материал и 20% на растворенные вещества). Оптимальные содержания растворенных биофильных элементов создают благоприятную среду для развития организмов в океанической воде. Мировой океан служит главным водохранилищем планеты и основным аккумулятором солнечной энергии и вследствие большой теплоемкости воды сглаживает колебания температуры атмосферы. Течения связывают отдельные океаны и моря в единое целое, вследствие чего вода Мирового океана обладает общими физико-химическими свойствами.

Приливное движение вод, вызванное влиянием Луны и Солнца, является планетарным. Непрерывно движущиеся водные массы, взаимодействуя с горными породами побережья, производят огромную разрушительную и созидательную (аккумулятивную) работу (уступы - глинты и пляжи соответственно).

В зависимости от глубины, удалённости берега, форм рельефа дна, течений, условий обитания осадкообразующих организмов и др. факторов в ряде морских бассейнов сосуществуют разнообразные обстановки осадкообразования. Так, в прибрежной зоне под воздействием волнения накапливаются пески, галечники, ракушечники, а в участках затишья и близ устьев рек — глины, алевриты. На подводных поднятиях и на открытых шельфах часты биогенные известковые осадки и пески; в морских впадинах преобладают глины, алевриты, обогащенные органическим веществом; встречаются карбонатные и кремнистые илы. Особым типом мелководных образований являются рифовые тела известняков или доломитов, часто залегающие среди глубоководных отложений. К мелководным отложениям относятся некоторые железистые (оолитовые) и марганцовистые, фосфоритные породы, горючие сланцы, бокситы и др.

Глубоководные морские отложения, накапливающиеся главным образом в котловинах глубоких морей, преимущественно тонкозернистые (глины, алевриты, карбонатные и кремнистые илы. На склонах образуются подводно-оползневые отложения. В центральных частях глубоких морей, куда поступает мало терригенного материала, морские осадки приближаются к океаническим, из которых образуются диатомиты и известняки.

Состав и распределение морских отложений зависят в первую очередь от тектонического режима и климатических условий. Тектонические движения предопределяют образование морских бассейнов, их конфигурацию, основные черты рельефа дна и прилегающих берегов, обусловливают трансгрессии и регрессии моря, влияют на интенсивность осадконакопления и на мощности накапливающихся толщ отложений. Характер морских отложений в тектонически подвижных и относительно стабильных областях существенно различен. Для первых характерны большие мощности, формирование на начальных и заключительных стадиях тектонических циклов глубоководных морских отложений: кремнистых и глинистых пород, туфов и туффитов, мергелей, а также обломочных отложений, рифовых известняков. В стабильных морских областях формируются мелководные органогенные известняки и доломиты, тонкозернистые терригенные породы (глины, мергели, мелкозернистые песчаники) небольшой мощности.

В морях гумидных зон преобладают терригенные отложения — пески, алевриты, глины. В холодноводных бассейнах местами накапливаются диатомовые илы, биогенное карбонатонакопление, а в тёплых водах тропической зоны — кораллово-водорослевые рифовые комплексы; местами происходит хемогенное карбонатонакопление (оолитовые известковые осадки). В ледовой зоне большое значение приобретают ледово-морские отложения.

В протерозое и палеозое хемогенные морские отложения накапливались в более широких масштабах, чем в мезозое и кайнозое, когда большее развитие получило биогенное осадкообразование. В докембрии и раннем палеозое были широко распространены морские доломиты, а в последующие эпохи — в основном известняки. Своеобразные морские отложения — железистые кварциты (джеспилиты) известны только в протерозое и т. д. В этих изменениях можно видеть отражение длительной эволюции состава гидросферы и атмосферы, развития жизни на Земле.

Морские отложения преобладают над континентальными отложениями, слагая более 75% общего объёма осадочной оболочки материковой земной коры. Многие метаморфические породы возникли из морских отложений.

Деятельность текучих вод приводит к расчленению (эрозии) и общему понижению суши. Эрозия — один из главных факторов формирования рельефа земной поверхности. Различают поверхностную эрозию (смыв со склонов), способствующую сглаживанию рельефа, и линейную эрозию, приводящую к расчленению земной поверхности при образовании оврагов, долин. Под термином «эрозия» часто понимается непосредственная деструктивная деятельность моря, ветра, ледников и др. Отсюда происхождение таких терминов, как «ветровая эрозия», «ледниковая эрозия», «морская эрозия», эрозия почв и т. п. С нерациональной хозяйственной деятельностью человека связана антропогенная эрозия.

Наиболее выраженным типом линейной эрозии является речная эрозия, которая проявляется в виде: прямого воздействия течения, вызывающего растворение пород водой; взвешивание твердых частиц и их перемещение по поверхности ложа реки водным потоком[16]; истирание ложа реки частицами, переносимыми водой; возбуждение электрических зарядов в системе «вода — твердые тела» и способствует суспензированию мелких частиц. Водный сток рек оценивается в 41,7 тыс. км3/год. Суммарное количество материала выносимого реками в моря и океаны превышает 18 млрд. т, в т.ч. 3,2 млрд. т солей в год.

Размывающая способность потока зависит от скорости течения (градиента уклона русла), расхода водного потока, формы русла, характера ложа реки и положения базиса эрозии[17]. Градиент уклона русла может колебаться от 8 см/км на равнинах, до десятков метров на 1 км в горных реках. Расход воды определяется объемом потока в единицу времени на единицу поперечной площади русла ниже уровня воды, так максимальный расход воды в Амазонке 150 тыс. м3/сек.

Речная эрозия разделяется на глубинную (в т. ч. пятящуюся, которая, распространяясь вверх по водотоку, приводит к формированию продольного профиля равновесия) и боковую, приводящую к расширению дна долины путем меандрирования (рис. 13) или смещения русла. На ранней стадии развития в реке преобладает донная эрозия, а долина имеет V-образную форму. На зрелой стадии долина становится корытообразной. На конечной стадии развития реки продольный профиль выполаживается, течение замедляется, широкая пойма заболачивается.

Рис. 13. Меандры ручьев в долине р. Вилюй (Бурятия. Фото Литвинова И.А.)

Крупные реки в средних и высоких широтах, текущие вдоль меридиана под действием центробежной силы вращения Земли (ускорение Кориолиса) в северном полушарии подмывают преимущественно правые берега (Днепр, Дон, Волга, Обь, Иртыш, Лена, Дунай, Нил), а в южном левые.

В реках в местах резкого перепада высоты русла образуется уступ, с которого низвергается водный поток - водопад. Уступ водопада непрерывно разрушается у основания, и водопад постепенно отступает вверх по течению реки. Например, Тосненский и Саблинский водопады (Ленинградская область), имея до водопада ложа из известняка, подстилаемые более мягкими породами, ежегодно отступают на 0,7—1,0 м. При разрушении уступа на месте водопада нередко образуются пороги (например, Ивановские пороги на р. Неве). Самый высокий на Земле — водопад Анхель (Венесуэла) имеет высоту 1054 м. Крупнейшим по количеству переносимой воды является Ниагарский водопад, ширина которого достигает 1100 м при высоте падения около 51 м. В России водопады распространены в Карелии, на Кольском полуострове, на Северном Кавказе, горных районах Сибири (рис. 14).

Рис. 14. Водопад на руч. Еленинском (Бурятия)

Если энергия потока не достаточна, происходит аккумуляция обломочного материала. Обломочный и растворенный материал осаждается на дне водоемов, в долинах и устьях рек и ручьев. Речные отложения, представленные сортированным слоистым обломочным материалом, называются аллювием[18]. В аллювии равнинных рек выделяется (рис. 15): русловой аллювий, отлагающийся в смещающемся русле потока (косослоистые пески и гравий), пойменный аллювий, накапливающийся поверх руслового во время половодий (главным образом супеси и суглинки) и старичный аллювий, осаждающийся в старицах (в основном богатые органическим веществом супеси и суглинки). Состав и строение аллювия существенно изменяется в зависимости от величины и режима потока, рельефа водосбора и слагающих его горных пород.

Рис. 15. Строение аллювия равнинной реки. 1, 2, 3 — аллювий: русловой, пойменный, старичный; 4 — коренные породы склонов и дна речной долины; 5 — уровень воды во время половодья (БСЭ)

В аллювии горных рек преобладает валунно-галечный русловой аллювий, а ручьи, текущие по оврагам и балкам, отлагают плохо сортированный материал. Древние аллювиальные отложения обычно сцементированы и преобразованы в конгломераты, песчаники и аргиллиты. С аллювием связаны россыпи золота, платины и др. полезных минералов, а также месторождения строительных песков, гравия и гальки.

В долинах рек выделяют пойму и террасы. Пойма - часть дна долины, расположенная выше меженного уровня и затопляемая в половодье. Речные террасы - естественные горизонтальные или слабо наклонные участки речных долин, ограниченные уступами и являющиеся остатками их прежнего дна. Террасы могут располагаться в виде ступеней. Самая высокая терраса — наиболее древняя, низкая — самая молодая. В зависимости от глубины вреза реки и мощности аллювия различают террасы аккумулятивные (накопления осадков); цокольные (смешанные), когда ниже аллювия обнажаются коренные породы (цоколь) и эрозионные (размывы) — имеющие вид ступеней, вырезанных в коренных породах речной эрозией. Чаще всего речные террасы образуются при врезании реки в дно и склоны долины, вызванным понижением базиса эрозии или увеличением расхода воды в реке из-за климатических изменений.

Кроме долин рек террасы встречаются вдоль побережий морей и больших озёр, и маркируют прежнее положение уровня воды. Широко развиты террасы, образующиеся и при сглаживании возвышенностей. Они располагаются выше уровней бассейнов и долин, имеют невыдержанные превышения и наклоны. Число террас зависит от особенностей геологического строения. Площадки террас, возникших на склонах, сложенных чередующимися, полого залегающими пластами горных пород, приурочены к кровлям пластов пород, устойчивых к выветриванию и смыву водой. Солифлюкционные (наплывные) террасы, образуются при неравномерном перемещении насыщенного водой поверхностных отложений по многолетнемерзлым породам. Гольцовые (или нагорные) террасы, возникают в пределах горных тундр как следствие морозного выветривания и солифлюкции. Оползневые террасы (оползни) образуются при постепенном смещение масс горных пород по склону под действием силы тяжести (рис. 16) в результате нарушения равновесия пород, вызванного: увеличением крутизны склона при подмыве водой; ослаблением прочности пород при выветривании или переувлажнении; сейсмическими толчками; антропогенной деятельностью (разрушение склонов дорожными выемками; чрезмерный полив угодий, расположенных на склонах и т.п.). Наиболее часто оползни возникают на склонах, сложенных чередующимися водоупорными (глинистыми) и водоносными породами (например, песчано-гравийными, трещиноватыми карбонатными). Развитию оползней способствует наклон слоев или наличие трещин, падающих вдоль склона.

 

 

Рис. 16. Продольный разрез оползня (БСЭ)

В плане оползни часто имеет форму полукольца, образуя понижение в склоне (оползневой цирк) (рис. 17). Для борьбы с оползнями применяются берегоукрепительные сооружения и дренаж, производится закрепление склонов посадками и т. п.

Рис. 17. Оползневый цирк. (Бурятия. Фото Литвинова И.А.)

Изучение террас позволяет установить географическую и климатическую обстановки конкретной территории в прошлом. Террасы — естественные строительные площадки, на которых часто располагаются населённые пункты и промышленные объекты, прокладываются дороги, размещаются сельскохозяйственные угодья.

Кроме оползней опасными геологическими явлениями являются также сели - внезапно формирующиеся в руслах горных рек временные потоки, с резким подъёмом уровня и высоким (от 10 до 75%) содержащие обломки горных пород. Сели возникают в результате интенсивных и продолжительных ливней, бурного таяния ледников или снегового покрова, а также при обрушении в русло рыхлообломочного материала (при уклонах местности не менее 8%). По составу селевой массы различают сели грязекаменные, грязевые, водокаменные и вододресвяные, а по физическим типам — несвязные и связные. В несвязных селях транспортирующая среда твёрдых включений — вода, а в связных — водногрунтовая смесь, в которой основная масса воды связана тонкодисперсными частицами. Сели движутся, как правило, волнами, что обусловлено механизмом их формирования и образованием в сужениях и на поворотах русла скоплений твёрдого материала с последующим их прорывом. Сели движутся со скоростью до 10 м/сек и более. Объёмы единовременных выносов достигают млн. м3, а крупность переносимых обломков в поперечнике до 4 м, при массе до 200 т. Основные меры борьбы с селями — закрепление и стимулирование развития почвенного и растительного покрова на горных склонах, а также профилактический спуск угрожающих прорывом горных водоёмов, расчистка скоплений рыхлого материала и стабилизация горных русел системами противоселевых плотин.

Ледовые геологические процессы. Лед – вода в твердой фазе, минерал и мономинеральная горная порода. Зерна льда состоят из молекул H2O, соединенных водородными связями в трехмерный каркас (рис. 18).

 

 

Рис. 18. Структура льда (показаны атомы кислорода и направления водородных связей) в двух проекциях (БСЭ)

 

Лед встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея. Растворимость веществ во льду очень низкая. Солоноватость морского льда объясняется включением кристалликов соли и капель рассола. Лед может содержать также минеральные включения и включения газа. Основные ресурсы льда на Земле сосредоточены в высоких широтах. Лед имеется и на внешних планетах Солнечной системы и кометах.

В связи с широким распространением и особыми свойствами лед играет важную роль в природных процессах. Обладая меньшей, чем у воды плотностью лед образует на поверхности воды покров, предохраняющий реки и водоемы от промерзания. Вследствие высокой отражательной способности льда (0,45) и снега (до 0,95) покрытая ими площадь получает тепла на 65% меньше, чем соседние участки земной поверхности, не покрытые льдом и снегом. Поэтому ледяные покровы обуславливают охлаждение земной поверхности и климатическую зональность. Летом в полярных областях солнечная радиация больше, чем в экваториальном поясе, но температура остается низкой, т. к. значительная часть солнечного тепла затрачивается на таяние льда. При ударном воздействии лед хрупок, а под длительной нагрузкой начинает деформироваться (течь). При температуре близкой к 0°С текучесть льда в среднем в 106 раз выше чем у других горных пород. Благодаря текучести лед не накопляется беспредельно.

Движущиеся естественные скопления льда атмосферного происхождения на земной поверхности называются ледниками. При склоне ложа в 1° ледник начинает течь при мощности льда в 62,5 м, при наклоне ложа в 45° движение льда наблюдается при толщине в 1,5 м. Максимальная скорость у малых горных ледников обычно составляет несколько м в год, а у ледников на побережье Гренландии до 14 км в год (40 м/сут). Одиночные ледники имеют площадь от тысяч м2 до 14 млн. км2 и мощность до 4,3 км (Антарктида). Общая площадь современных ледников около 16,1 млн. км2 (11% площади суши), а объём порядка 30 млн. км3, соответственно 89,6% и 98% приходится на материковые ледниковые покровы, 9,1% и около 2% — на шельфовые ледники, 1,3% и около 0,1% — на высокогорные ледники.

Площадь ледников в России составляет 50 тыс. км2, из которых 90% приходится на острова Северного Ледовитого океана. Аккумулируя громадное количество пресной воды, ледники оказывают существенное влияние на хозяйственную деятельность в предгорных районах. Лед используется в целях снегозадержания, устройства ледяных переправ, хранилищ, льдозакладки горных выработок и т. п.

Наибольшую распространенность ледники имели в эпохи сильного похолодания – ледниковые периоды, в течение которых многократно чередовались ледниковья (отрезки времени с более холодным климатом) и межледниковья (отрезки времени с более теплым климатом). Ледниковые периоды имели место в нижнем протерозое в Северной Америке, в верхнем протерозое в Африке, Австралии, в Евразии и Северной Америке, в ордовике в Африке, в конце карбона и начале перми в южном полушарии. Наиболее изучен ледниковый период четвертичного периода (см. табл. 2), в рамках которого выделяется 4 ледниковья, последнее из которых завершилось ~12 тыс. лет тому назад.

Геологическая деятельность льда проявляется в ледовом литогенезе и образовании своеобразных форм рельефа. Нивальный тип литогенеза – осадочное породообразование на участках суши, где наблюдаются достаточно длительные периоды с отрицательной температурой, а роль химического и биохимического выветривания незначительна. Материал для ледниковых отложений образуется, прежде всего, за счет физического выветривания горных пород и ледниковой эрозии. Перенос обломков осуществляется главным образом льдом и отчасти током подледниковых рек, что обуславливает отсутствие механической сортировки осадочного материала. В результате нивального литогенеза образуются рыхлые ледниковые отложения.

При движении ледника происходит как выпахивание, так и сглаживание (абразия) ложа обломками горных пород удерживаемых льдом. Горные ледники могут образовывать временные запруды, разрушение которых может иметь катастрофические последствия. Рыхлые горные породы, слагающие ложе покровного ледника, под его нагрузкой претерпевают деформацию – в виде складчатости, а также перемещений значительных по объему масс горных пород по направлению движения ледника (гляциодислокации).

Ледниковые отложения подразделяются на собственно ледниковые (морена) и водно-ледниковые. Моренные равнины сложены несортированными глинами, суглинками, супесями с валунами, галькой, щебнем, редко валунными песками и грубо щебнистыми породами. Водно-ледниковые отложения образуются внутри и по периферии ледников из отсортированного и переотложенного талыми водами моренного материала. Среди них различают ледниково-речные отложения потоков талых вод (косослоистые пески, гравий, галечники) и озерно-ледниковые (лимно-гляциальные) отложения внутри- и приледниковых озер (преимущественно ленточные глины[19]). Древние ледниковые отложения – тиллиты обычно сильно уплотнены, сцементированы, а иногда и метаморфизованы. Ледниковые отложения четвертичного периода распространены на громадной площади северного полушария в пределах современных умеренных поясов.

Кроме моренных равнин характерными формами послеледникового рельефа являются камы, озы и зандры, распространенные в областях четвертичного материкового оледенения в Швеции, Финляндии, на северо-западе России.

Камы – холмы и гряды в областях распространения четвертичного материкового оледенения. Встречаются одиночно и группами. Высота от 2 до 30 м. Сложены песками с линзами и прослоями глин с валунами. Предполагают, что камы возникли вследствие аккумулирующей деятельности потоков, которые в период деградации ледника существовали на его поверхности, внутри и придонной части.

Озы – узкие (до 3 км) валы (длинной иногда свыше 500 км), высотой до нескольких десятков метров, часто сложенные косослоистыми песками, гравием, галькой с валунами. Представляют собой отложения потоков талых вод, протекавших в теле ледника по долинам.

Зандры - слившиеся друг с другом краевыми частями плоские конусы выноса подледниковых потоков, сложенные галечниками и песками, примыкавшие к краю ледников. Песчаные незаросшие зандры часто превращаются в поля материковых дюн.

Для областей распространения мощных ледниковых покровов также характерны вертикальные движения земной коры (гляциоизостазия), которые вызываются нагрузкой создаваемой ледниковыми покровами (опуска

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
 | 
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-11; Просмотров: 1853; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.163 сек.