Строение и происхождение Земли
ВВЕДЕНИЕ
Инженерная геология одна из многих дисциплин, вышедших в свое время из общей геологии (в переводе с греческого - слово или наука о Земле) по мере накопления знаний и расширения масштабов преобразования человеком поверхности и недр Земли. Создание все более сложных, дорогостоящих и масштабных инженерных сооружений привело к необходимости обобщения результатов практических и теоретических работ и выделения в отдельную науку отрасль геологии, изучающую верхние горизонты земной коры и ее динамику в связи с задачами промышленного и гражданского строительства. Таким образом, в современном понимании инженерная геология изучает строение и динамику верхней части земной коры в связи с инженерной деятельностью человека. Основная задача инженерно-геологических исследований – исследование геологических условий строительства с целью наиболее рационального размещения сооружений, обоснования выбора надежной конструкции, обеспечивающих устойчивую и экономичную эксплуатацию.
Инженерная геология является комплексной наукой, так как изучает физико-механические свойства горных пород, которые являются основанием сооружений, исследует геологические процессы, оказывающие влияние на сооружения, разрабатывает мероприятия по борьбе с этими процессами. Поэтому она включает в себя наиболее важные разделы многих естественнонаучных дисциплин, каждая из которых имеет длительную историю развития, свой специфический предмет и понятийный аппарат: геологии, гидрологии, гидрогеологии, грунтоведения, мерзлотоведения и других.
Важной задачей преподавания дисциплины, является формирование целостного восприятия Земли, подготовка специалистов способных мыслить системно, оценивать состояние окружающей среды и инженерных сооружений, осознавая особенности функционирования природно-техногенных комплексов во взаимосвязи. Этому будет служить как содержание, так и последовательность изложения дисциплин в данном учебном пособии.
ЛЕКЦИЯ 1
Геология
Строение и происхождение Земли
Земля представляет собой сферу, несколько сплюснутую с полюсов (эффект вращения), поэтому ее экваториальный радиус на 21 км больше полярного и составляет 6378 км. Фактически Земля имеет форму эллипсоида вращения, в котором полярная ось меньше экваториальной. Фигура, которая получается в результате вращения вокруг его малой оси называется геоидом. Поверхность геоида (мысленно продолженная и под материками) совпадает с поверхностью Мирового океана в спокойном состоянии.
На данном уровне развития науки и техники человечество смогло проникнуть в земные недра на глубину около 13 км в результате бурения Кольской сверхглубокой скважины. Кроме того, в мире пробурены еще несколько десятков сверхглубоких (более 7 км) скважин, однако ни одна не достигла глубины 10 км. Фрагменты материала земных глубин можно изучать в природном аналоге сверхглубоких скважин – в кимберлитовых трубках взрыва, которые выносят обломки горных пород с глубин 150-200 км. В основном же, о глубинном строении и составе недр мы можем судить по косвенным признакам – гравитационному и магнитному полю Земли, скорости распространения сейсмических волн, миграции земных плюсов, приливным деформациям земной поверхности, изучению тепловых потоков и других.
В расчленении земных недр главную роль сыграли геофизические наблюдения за распространением продольных и поперечных сейсмических волн, образующихся в результате землетрясений, взрывов, падений метеоритов. Чем плотнее среда, тем выше скорость распространения волн. При резком изменении плотности вещества слагающего недра волны могут отражаться от поверхности раздела или скачкообразно менять скорость прохождения. Через вещество, находящееся в жидком состоянии поперечные сейсмические волны не проходят вовсе. На основании длительного наблюдения за распространением сейсмических волн, десятками станций разбросанных по всему земному шару установлено, что он состоит из трех главных геосфер – земной коры, мантии и ядра (рис.1.1).
Земная кора представляет верхнюю твердую оболочку мощностью от 3-7 км под океанами, до 30-70 км под материками. Это обусловлено тем, что под океанами существует только сравнительно маломощная кора океанического типа,покрытая тонким слоем рыхлых осадков, а на материках поверх нее развита значительно более мощная (особенно в пределах горных систем) кора континентального типа. Между ними проходит слабо выраженный раздел. Нижняя граница земной коры картируется резким увеличением скорости продольных сейсмических волн (до 8,1 км/с против 6,7 км/с) и названа раздел Мохоровичича (в честь сербского ученого А.Мохоровичича, который ее открыл).
Мантия подстилает земную кору и имеет мощность около 2900 км. Мантию принято разделять на верхнюю (до глубины 400 км), промежуточную (400-1000 км) и нижнюю (1000-2900 км). В верхней мантии на глубине 100-200 км скорость поперечных сейсмических волн резко снижается, что предполагает частично расплавленное состояние вещества (или содержание жидкой фазы до 10%). Этот относительно пластичный слой получил название астеносфера. Часть верхней мантии находящаяся выше астеносферы, вместе с земной корой образует твердую оболочку Земли – литосферу.
Рис. 1.1. Внутреннее строение Земли
Ядро занимает центральную часть планеты. В ядре принято выделять внутреннюю твердую часть (радиус около 1250 км) и внешнюю расплавленную (мощность около 2200 км), через которую не проходят поперечные волны и по агрегатному состоянию близкую к нижней мантии. Внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество, что обуславливает наличие у Земли магнитного поля.
Палеомагнитные исследования свидетельствуют о том, что магнитное поле у Земли существовало всегда, но его полярность менялась сотни раз. В среднем это происходит каждые 200000 лет. Последний раз магнитная инверсия отмечена около 780000 лет назад. Поэтому уменьшение силы магнитного поля на 10% за последние столетия и его смещение по меридиану на 100 за 150 лет многие ученые связывают с началом очередной эпохи смены полярности.
В связи с тем, что ядро постепенно остывает и его внутренняя твердая часть становится все больше за счет внешней жидкой магнитное поле Земли со временем исчезнет (как произошло с Марсом около 4 млрд лет назад) и жизнь на Земле станет невозможной из-за уничтожения атмосферы «солнечным ветром» и проникновения жесткого космического излучения на ее поверхность. По самым катастрофическим (и маловероятным) прогнозам это может произойти через 1500 лет.
Согласно расчетам температура вещества в ядре Земли достигает 40000С и неравномерно понижается к поверхности Земли, составляя у подошвы литосферной плиты (на глубине 125 км) около 13500С. Интенсивность изменения температуры в земной коре при погружении в недра называется температурным градиентом –изменением температуры на 100 м или 1 км. В среднем для земной коры он составляет 2-30С или 20-300С соответственно. Величина обратная температурному градиенту называется геотермической ступенью.
Плотность вещества в теле Земли, как и температура, неравномерно возрастает от поверхности к центру. При средней величине плотности в 5,5 г/см3 верхняя часть земной коры – континентальная (по составу преимущественно гранитная) имеет плотность 2,7 г/см3, а подстилающая ее океаническая (по составу преимущественно базальтовая) около 3,0 г/см3. Учитывая, что плотность горных пород, находящихся на поверхности не превышает 3,3 г/см3 очевидно ее значительное увеличение к центру Земли. По расчетам она достигает 9,0-11,5 г/см3, что во многом обусловлено колоссальным давлением вышележащих пород -от 13000 атмосфер у подошвы земной коры (на глубине около 50 км), до 3000000 атмосфер в центре Земли.
Концентрическое строение Земли и вещественный состав обусловлены особенностями ее возникновения и развития. Современные представления о происхождении Земли основываются на теории, предложенной О.Ю. Шмидтом. По его предположению Земля сформировалась в результате аккреции – аккумуляции высокотемпературных конденсатов, а также слипания и объединения многочисленных частиц большой туманности или, как сейчас говорят «молекулярного облака», уплотнившейся под воздействием взрыва сверхновой около 5 миллиардов лет назад и вращающейся вокруг одного из желтых карликов нашей галактики по имени Солнце.
Отто Юльевич Шмидт
(1891-1956)
Как все внутренние планеты Солнечной системы (Меркурий, Венера, Марс) Земля имеет плотное железоникелевое, а по данным последних исследований, возможно, металлогидридное (соединения металлов с водородом) ядро на которое позже осели металлические, силикатные и троилитовые (соединения серы с металлами) конденсаты, образовавшие мантию. На последних стадиях аккумуляции на растущую Землю осели самые поздние и легкие конденсаты – гидратированные силикаты и вместе с ними первичные органические вещества.
В пользу гипотезы аккреции свидетельствует соотношение между найденными на Земле и Луне железоникелевыми и каменными (по составу преимущественно силикатными) метеоритами. Метеориты представляют собой остатки межпланетного вещества, из которого сформировалась Земля. Так вот соотношение масс железоникелевых и каменных метеоритов очень близко химическому составу Земли. Однако последовательность аккреции сейчас подвергается сомнению.
Считается, что аккреция - первый этап формирования Земли заняла около 50 млн лет. В то время в Солнечной системе существовало 20 планет с относительно нестабильными орбитами. Поэтому они сталкивались, разрушались, более крупные «поглощали» менее массивные. В результате одного из таких столкновений с планетой в 2-3 раза меньшей Земли у нее появился наклон оси вращения к плоскости эклиптики, а из осколков сформировался «верный» спутник – Луна. Впрочем, спутник этот со скоростью 3,8 см/год удаляется от Земли и сейчас находится на расстоянии в 15 большем, чем в период образования.
Из-за притяжения массивного Юпитера траектории движения метеоритов Солнечной системы менялись на эллиптические, что усиливало частоту их столкновения с Землей и другими внутренними планетами. Под воздействием энергии падающих на поверхность метеоритов, адиабатического сжатия и радиогенного нагрева от распада быстро вымирающих (с коротким периодом полураспада) и ныне сохранившихся радионуклидов произошло повышение температуры Земли и материал планеты начал плавиться. При этом более тяжелые металлические массы стекали вниз, формируя внешнее ядро, вытесняя более легкие и обогащенные летучими компонентами силикатные фракции вверх, на поверхность первичной мантии, формируя базальтовую кору и местами, возможно, тонкую поверхностную гранитную. Таким образом, зональное или оболочечное строение Земли, может являться результатом, как условий формирования, так и последующих процессов физико-химической дифференциации.
Вулканизм того времени не был похож на современный. Излияния лав сквозь тонкую непрочную кору происходили повсеместно и образовывали огромные поля и многочисленные гигантские кратеры на поверхности Земли (формируя рельеф сходный с современным рельефом Луны). Одновременно происходили извержения многих вулканов. Этот этап в истории Земли длился около 100 млн лет.
В дальнейшем, по мере остывания и появления жизни развитие Земли приобрело новые черты. Основным направлением ее трансформации стало усиление дифференциации верхней части земной коры - увеличение мощности литосферы (особенно под материками), формирование континентов и их разрастание за счет океанов. В результате охлаждения Земли с поверхности ее первичная кора становилась все более мощной и прочной. Поэтому размещение вулканов утратило хаотичность и они сосредоточились вдоль крупных разломов земной коры. В Мировом океане образовались глубоководные впадины и колоссальные по протяженности горные цепи, а на суше громадные складчатые массивы. Каковы же процессы, приводящие к столь масштабным превращениям и откуда они черпают энергию? Наиболее комплексно и объективно это описывает теория ныне известная под названием тектоника литосферных плит, вобравшая в себя предшествующие модели глобальной тектоники Земли: геосинклинальную теорию развития складчатых систем и теорию континентального дрейфа.