И земной коры

Общие сведения о строении Земли, верхней мантии

МАССИВОВ ГОРНЫХ ПОРОД

СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Основным предметом изучения в геомеханике является массив горных пород и механические процессы, происходящие в нём. При этом состояние массивов определяется тремя составляющими

n структурными особенностями;

n свойствами слагающих массив горных пород;

n напряженным состоянием.

Исходя из этого последовательно рассмотрим указанные составляющие, обращая особое внимание на методы определения их параметров с точки зрения решения практических задач геомеханики.

В настоящее время горные работы ведут на глубинах преимущественно до 1000-1500 м. В Европе имеются некоторые рудники, где глубина разработки достигает почти 2000 м, в ЮАР и Индии на отдельных рудниках разработку ведут на глубинах свыше 3000-3500 м. Нефть и газ добывают с глубин до 6000-7000 м. Наиболее глубокие геолого-структурные и разведочные скважины достигают 9000 м. В России, на Кольском полуострове, в процессе реализации проекта сверхглубокого бурения достигнута глубина 12000 м.

Приведенные цифры дают представления о тех глубинах эксплуатации земных недр и непосредственного проникновения в них, которые человечество достигло на сегодня и может достичь в ближайшие десятилетия. Эти глубины находятся в пределах верхней части земной коры, мощность которой по сравнению с радиусом земного шара ничтожно мала. Тем не менее напряженное состояние земной коры в целом и верхней ее части, являющейся предметом изучения в геомеханике, тесно связано с общим глубинным строением и развитием Земли, изучением которых занимается геотектоника.

По современным представлениям, полученным для глубинных зон на основании сейсмических исследований, в Земле выделяют кору, верхнюю и нижнюю мантию, внешнее и внутреннее ядро (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Общая схема внутреннего строения Земли.

Средняя мощность внешней твердой оболочки Земли - земной коры - 32 км, причем на континентах она изменяется в пределах 20-70 км, в океанах-5-15 км. Глубже находится верхняя мантия, отделяемая от земной коры поверхностью раздела Мохоровичича (или, коротко, раздела Мохо) - сейсмической границей, на которой скорость продольных упругих волн V_p скачкообразно возрастает до значений более 8 км/с, что соответствует возрастанию плотности вещества верхней мантии (до 3,3-3,7 г/см ³) по сравнению с земной корой (2,7-3,0 г/см ³).

На глубине 700-900 км верхнюю мантию сменяет нижняя мантия. Их разделяет слой Голицына - нижний слой верхней мантии, который характеризуется быстрым увеличением электропроводности вещества и ростом скоростей сейсмических волн.

На глубине около 2900 км нижняя мантия граничит с внешним ядром Земли, на границе которого резко, с 13,2 - 13,7 до 8,1 - 8,5 км/с, снижаются скорости продольных волн и полностью затухают поперечные волны. Это свидетельствует о жидком агрегатном состоянии вещества внешнего ядра.

На глубине 5100 км внешнее ядро граничит с внутренним ядром, которое считают твердым. Здесь скорость V_p скачкообразно возрастает от 10,2 до 11 км/с. Вещество внутреннего ядра обладает высокой электропроводностью, а его плотность на 70% выше, чем плотность мантии. Это дает основание к предположению о металлическом составе ядра.

Земная кора и верхняя мантия образуют так называемую тектоносферу - область проявления в Земле тектонических процессов.

В пределах земной коры выделяют по сейсмическим характеристикам три основных слоя.

Верхний из них - осадочный - характеризуется скоростями распространения продольных упругих волн в пределах 2,0 - 5,0 км/с. Его максимальная мощность обычно не превосходит 10 - 15 км (в отдельных точках отмечается до 25 км).

Следующий слой носит условное название гранитного, поскольку в нем скорость продольных волн V_p = 5,5-6,0 км/с, что соответствует гранитам. Максимальная мощность гранитного слоя 30-40 км.

Нижний слой земной коры, именуемый базальтовым, характеризуется значением V_p = 6,5-7,4 км/с. Эти значения скоростей соответствуют базальтовым породам. Мощность базальтового слоя 15-20 км.

Гранитный и базальтовый слой разделены поверхностью Конрада - сейсмической границей изменения скорости упругих волн между этими двумя слоями.

По данным современных геофизических исследований в пределах верхней мантии существует некоторый слой, более пластичный и подвижный по отношению к выше - и нижележащим слоям. В этом слое существенно понижается скорость поперечных волн, а скорость продольных не возрастает с глубиной, что свидетельствует о более низкой плотности вещества в пределах данного слоя по сравнению со смежными слоями. Называют этот слой астеносферой. Под материками она находится в интервале глубин от 100 до 250 км. Вязкость астеносферы на 2-3 порядка ниже, чем в смежных областях мантии, и составляет 1020 пуаз (1 пуаз = 0,0101972 кгс.с/м²).

Благодаря сравнительно малой вязкости и высокой пластичности астеносфера оказывается слоем, играющим особую роль: на ней как бы плавает вышележащая часть верхней мантии и земная кора. Возникает явление изостазии - относительно равновесного состояния земной коры: давление земной коры на уровне верхней границы астеносферы (около 100 км) оказывается повсеместно одинаковым, независимо от рельефа поверхности Земли.

Астеносфера является областью затухания движений, связанных с перераспределением масс на поверхности земной коры. Вместе с тем она служит и амортизатором по отношению к движениям, исходящим из более глубоких слоев мантии. Но наряду с этим она является и мощным генератором движений земной коры, так как в ней происходит магмообразование; подъем же магмы вызывает перемещения блоков земной коры.

Абсолютный возраст Земли оценивают в 5,0-5,5 млрд. лет. Начало формирования земной коры относят к 4,5-4,7 млрд. лет назад. В процессе формирования внутренних оболочек и коры Земля прошла ряд этапов, на протяжении которых произошло разделение на ядро и мантию, образовалась первичная земная кора, верхние слои которой - гранитный и осадочный - активно формировались на протяжении последних 3,5 млрд. лет в условиях взаимодействия глубинных процессов с поверхностными.

Земная кора и часть верхней мантий до границы с астеносферой, которые в геотектонике обычно объединяют под общим наименованием литосферы, по составу слагающих горных пород и тектоническому строению являются весьма сложными.

Дата добавления: 2014-12-16