Общая геология 5. 1. Гравитационное поле Земли, гравитационные аномалии
Скачать 1.28 Mb.
|
1. Гравитационное поле Земли, гравитационные аномалии. 2. Характеристика гидросферы, ее роль в образовании осадочных пород. 3. Выветривание горных пород, его виды. Кора выветривания и почвы. 4. Элементы залегания горных пород. Горный компас. 5. Морена (определение) Ответ: 1. Гравитационное поле Земли, гравитационные аномалии. Земля обладает определенными физическими свойствами. В результате их изучения удается не только выявить общие особенности строения Земли, но и установить в ее недрах наличие полезных ископаемых. К физическим свойствам Земли относятся сила тяжести, плотность, давление, магнитные, тепловые, упругие, электрические и другие свойства. Сила тяжести, плотность, давление На Земле постоянно действуют сила притяжения и центробежная сила; равнодействующая этих сил определяет силу тяжести. Сила тяжести закономерно меняется (в общем в малых размерах) как по горизонтали, увеличиваясь от экватора к полюсам, так и по вертикали, уменьшаясь с высотой. В связи с неравномерным распределением вещества в земной коре действительное значение силы тяжести отклоняется от нормальной (т.е. теоретически вычисленной). Эти отклонения получили название аномалий силы тяжести; они бывают положительными (при наличии на данной площади более плотных толщ горных пород) или отрицательными (когда распространены менее плотные толщи горных пород). Изучение аномалий сил тяжести ведется с помощью особых приборов — гравиметров; полученные данные способствуют выявлению в недрах полезных ископаемых. Отрасль прикладной геофизики, занимающаяся изучением аномалий силы тяжести с целью выявления в недрах полезных ископаемых или благоприятных геологических структур, называется гравиразведкой. Гравиметры можно устанавливать на самолетах, спутниках, космических кораблях, орбитальных станциях. Изучение силы тяжести позволило определить среднюю плотность Земли — 5,52 г/см3. Плотность пород, слагающих земную кору, от 1,5 до 3,3 г/см3. Средняя плотность земной коры 2,7- 2,8 г/см3. Различие между средней плотностью Земли в целом и земной коры указывает на более плотное состояние вещества во внутренних частях Земли. Одновременно с увеличением плотности в направлении к центру Земли возрастает и давление. В центре Земли давление достигает огромной величины — около 3,5·1011 Па. С глубиной, вследствие увеличения давления, а также перестройки структуры вещества, плотность возрастает обычно скачкообразно, особенно на границах отдельных геосфер (т. е. от отдельных, слагающих Землю, оболочек). 2. Характеристика гидросферы, ее роль в образовании осадочных пород. Общая характеристика. Гидросфера — прерывистая оболочка Земли, включающая воды океанов, морей, озер и рек, подземные воды и воды, собранные в виде вечных снегов и льда. Здесь рассматривается основная часть гидросферы—Мировой океан, объединяющий все океаны, окраинные и связанные с ними внутриконтинентальные моря, остальные виды вод гидросферы освещаются ниже, в ряде последующих глав раздела «Общая геология». На Мировой океан приходится немногим более 70 % всей поверхности Земли (361 млн. км2 из 510 млн. км2), что примерно в 2,5 раза больше площади, занятой материками и островами. Если объем воды всей гидросферы составляет примерно 1 458 000 тыс. км3, то на Мировой океан приходится 1 370 000 тыс. км3, что равно 94 % всего объема воды планеты. Масса гидросферы составляет примерно 1/4000 долю массы всей Земли. Таблица 1. Основные зоны дна мирового океана На морском или океаническом дне в зависимости от глубины можно выделить несколько основных зон (или элементов), отличающихся тектонической природой, физическими условиями и другими особенностями (табл. 1). Рельеф поверхности дна океанов (морей) неоднороден, в нем, как и на суше, различают горы, возвышенности, равнины. Горы имеют здесь преимущественно линейную ориентировку. В пределах ложа океанов подводные горные хребты (иногда поднимающиеся над поверхностью воды в виде островов) образуют величайшую горную систему общей протяженностью свыше 60 тыс. км, известную под названием срединно-океанических хребтов: их площадь составляет немногим более 15% земной поверхности. На дне океанов, в разных их зонах известны также одиночные горы, котловины и другие формы рельефа. Физико-химическая характеристика вод Мирового океана. К основным физико-химическим свойствам Мирового океана относятся температура, плотность, химический состав, теплоемкость и др. Температура воды значительно колеблется как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Температура воды в поверхностном слое находится в прямой зависимости от широты местности и климата. Наиболее высокая среднегодовая температура воды на поверхности отмечается в экваториальной зоне — около 28°С (в Персидском заливе до 45°С). В направлении к умеренным широтам температура постепенно понижается и в полярных областях опускается до 0 — минус 2 °С. Под влиянием течений в Мировом океане возникает в поверхностных слоях целый ряд аномалий температур. С глубиной температура воды начинает понижаться: наиболее быстро в экваториальной зоне, более плавно в умеренной и очень слабо в областях, где ее величина мала и на поверхности. В придонной части температура почти повсеместно снижается до плюс 1 — минус 2 °С. Плотность воды находится в тесной зависимости от температуры и солености; она повсеместно возрастает с глубиной. Средняя плотность поверхностных вод Мирового океана составляет 1,02474 г/см3 (она выше плотности речных вод). С глубиной возрастает также и давление — на каждые 100 м примерно на 106 Па. Таблица 2 Солевой состав океанических и речных вод На больших глубинах, в связи с высоким давлением, усиливается растворяющее действие воды, и поэтому попадающие туда из верхних слоев воды минеральные тела и органические остатки в той или иной степени растворяются и исчезают. Воды Мирового океана поглощают больше солнечной энергии, чем суша. Океанические воды способны постепенно накапливать это тепло; они отличаются высокой теплоемкостью, и благодаря интенсивному перемешиванию тепло распределяется во всей толще воды океана. Океанические и морские воды характеризуются определенным химическим составом и соленостью. Обычная (нормальная) соленость вод Мирового океана составляет 3,5 % (35 г солей на 1 л воды). В зависимости от ряда условий (сильная испаряемость воды, ее опреснение, большой привнос солей речными водами, изолированность от океана) соленость воды может быть выше или ниже нормальной. Так, в Красном море (под влиянием сухих ветров и сильного испарения) соленость воды составляет 4,1-4,3%, в Средиземном море 3,7-3,9%, в Балтийском море (у проливов) 2,0%, а в Финском заливе (близ устья р. Невы) - только 0,2%. Воды Мирового океана содержат почти все известные химические элементы и их изотопы. Подсчитано, что общее количество солей, растворенных в воде Мирового океана, составляет 5·1016 т. Мировой океан постоянно пополняется солями, преимущественно за счет их выноса материковым стоком. Ежегодно реки выносят в Мировой океан примерно 2,5·109 т солен. Потери же соли в Мировом океане происходят при испарении (когда соль выпадает в осадок) и разбрызгивании воды под действием волнения в береговой зоне. Карбонаты, кремнезём и некоторые другие вещества широко извлекаются из воды морскими организмами на построение скелетных частей. Поэтому солевой состав океанических вод резко отличается от состава речных вод (табл. 2). Кроме солей, в воде растворены и некоторые газы (главным образом азот, кислород, углекислый газ). Между водами Мирового океана (и вообще всей гидросферой) и атмосферой существует (в планетарном масштабе) постоянный газовый обмен и динамическое равновесие. Но соотношение между газами в водах Мирового океана и атмосфере далеко не одинаковое. В водах океана азота в два раза меньше, чем в атмосфере, тогда как кислорода больше (причина — растворимость кислорода в воде больше, чем азота). Насыщенность океанических вод газами зависит в значительной степени от температуры: чем выше температура воды, тем ниже растворимость газов. По этой причине воды высоких широт более насыщены газами. Газовый состав океанических вод зависит также от циркуляции вод, жизнедеятельности организмов, биохимических процессов, подводного вулканизма, ветрового перемешивания воды и прилегающих слоев атмосферы. В застойных бассейнах или в тех частях толщи воды, где циркуляция ее ослаблена или полностью отсутствует, содержание кислорода резко уменьшается, начинают проявляться восстановительные процессы, что приводит к образованию сероводорода. Примером водного бассейна, зараженного сероводородом, может служить Черное море, где сероводород появляется на глубине 175 м и содержится во всей массе воды до самого дна. Движение океанических вод. Циркуляция океанических вод зависит главным образом от двух факторов: плотности воды и влияния ветра. До сих пор нет еще единого мнения, какой из этих факторов ведущий. Более плотные массы воды высоких широт направляются к низким широтам. Вместе с тем пассатные и другие ветры создают огромные теплые и холодные течения, прибойные волны. Морские волнения могут ощущаться в общем до глубины 200 м. Высота волн достигает 10 м и более. Близ морских побережий волны, вследствие их трения о морское дно, опрокидываются на берег, образуя прибой. Теплые течения, возникающие в районе действия пассатов, оказывают большое влияние на температурный режим океанических вод, миграцию организмов, вынос осадков. Одним из наиболее теплых течений является Гольфстрим, берущий начало в Мексиканском заливе. Около Флориды температура вод этого течения до глубины 1500 м достигает 20 °С. Скорость его до 220 км в сутки. Пересекая Атлантический океан, Гольфстрим достигает берегов Ирландии и Великобритании, а затем около берегов Норвегии, раздваиваясь направляется к Шпицбергену и в Баренцево море. Благодаря притоку теплых вод Мурманский порт не замерзает круглый год (Ленинградский порт, расположенный южнее, замерзает на несколько месяцев). Совершенно противоположное влияние на климат оказывают холодные течения. Так, холодное Лабрадорское течение, омывающее берега п-ова Лабрадор, превратило его в холодную и пустынную местность, хотя полуостров находится на одной широте с Англией. Своеобразным движением океанических вод являются приливы и отливы. Их высота в открытых океанах достигает 10-12 м, а на мелководье — до 15 м; во внутренних морях приливы и отливы практически не ощущаются. Основное влияние на приливы и отливы оказывает Луна. Лунные приливы в 2,2 раза сильнее солнечных. Приливы проявляются одновременно на стороне Земли, обращенной к Луне, и на противоположной стороне Земли. В последнем случае прилив происходит по той причине, что водная оболочка как бы отстает от Земли, которая, находясь ближе к Луне, сильнее притягивается ею (рис.1). В областях, расположенных перпендикулярно к линии наибольших приливов, будет происходить отток воды в сторону приливов, т.е. здесь будут иметь место отливы. По мере вращения Земли вокруг своей оси в течение суток в одной и той же точке может произойти два прилива и два отлива. Рис.1. Схема лунных приливов и отливов Энергия приливно-отливных волн огромна, и люди давно уже задумывались над тем, как ее использовать. В настоящее время в Советском Союзе построена первая экспериментальная приливная электростанция на Кольском полуострове близ Мурманска. Высота приливных волн здесь достигает 5 м. Приливно-отливные электростанции имеются и в других странах (например, во Франции). Охрана Мирового океана. Мировой океан играет огромную роль в жизни как всей планеты, так и человечества. Следует особенно подчеркнуть два фактора общепланетарного значения Мирового океана: около одной трети кислорода атмосферы продуцируется растительным планктоном океана; огромные запасы механической и тепловой энергии океанических вод и обмен с атмосферой оказывают колоссальное воздействие на погоду и климат планеты. Для человека и его деятельности значение океана выражается в следующем: а) океан — важный источник пищевых ресурсов; б) в океане и в его недрах находятся огромные запасы минеральных полезных ископаемых, которые во все большем объеме привлекаются для нужд человечества (нефть, химическое сырье и др.). Воды океанов подвергаются загрязнению нефтью и нефтепродуктами, радиоактивными веществами, промышленными и бытовыми отходами. Это обстоятельство приобрело столь угрожающие размеры, что проблема охраны переросла в глобальную проблему, требующую безотлагательного решения. Жизнь в океане в основном связана с поверхностными зонами воды; они же подвержены наибольшему загрязнению. Гибель планктона означает гибель и остальных групп животных океана, а гибель фитопланктона сокращает поступление кислорода в атмосферу. 3. Выветривание горных пород, его виды. Кора выветривания и почвы. Разрушительная деятельность ветра Геологическая работа ветра, как и ряда других экзогенных факторов, заключается в разрушении горных пород, переносе и отложении продуктов разрушения. Рыхлый материал, отложенный ветром, называется эоловым, а деятельность ветра — эоловой деятельностью. Ветер действует на суше практически повсеместно, но с наибольшей силой — в пустынных и степных областях, где он является основным экзогенным фактором. Пустыни занимают немногим более 20% поверхности суши, в основном на территории Азии, Африки и Австралии. Разрушительная деятельность ветра выражается в дефляции и коррозии. Дефляция — выдувание и развевание рыхлых продуктов разрушения. Разрушительная сила ветра возрастает во много раз от присутствия в атмосфере механических примесей — пыли, мелких, а иногда и крупных песчинок и частиц породы. Размер переносимых ветром частиц породы зависит от его скорости: чем больше скорость ветра, тем большего размера обломки породы он поднимает и переносит. Эти обломки обтачивают, царапают, шлифуют встречающиеся на пути ветра выступы горных пород, ускоряя их разрушение. Царапающая, обтачивающая, шлифующая деятельность обломков, переносимых ветром, называется коррозией. Процессы дефляции и коррозии протекают, в общем, одновременно, но не всегда с одинаковой силой. В воздушном потоке механические примеси размещаются соответственно массе: более крупные частицы переносятся вблизи поверхности Земли, мелкие же частицы легко поднимаются в верхние слои воздушного потока. Поэтому выступы горных пород и скалы разрушаются с большой силой у их основания. Поскольку степень разрушения зависит также от плотности пород, в результате разрушительной деятельности ветра образуются такие формы рельефа, как грибообразные горы, эоловые столбы, ниши, карманы выдувания, карнизы и др. (рис. 1). Ввиду неоднородной плотности пород поверхность их иногда приобретает ячеистое (сотовое) строение (рис. 1). Рисунок 1 Созидательная деятельность ветра Наряду с разрушительной деятельностью активно протекает и созидательная деятельность ветра. Причем проявлению ее особенно благоприятствует физическое выветривание, наиболее активно выраженное в пустынях; вот почему пустыни покрыты мощным чехлом рыхлых песчаных пород. Этот рыхлый песчаный материал переносится ветром по поверхности пустыни. В процессе переноса частицы песка обтачиваются, округляются. При наличии в рельефе неровностей или небольших выступов песок задерживается и образует вблизи этих выступов песчаные холмы, или барханы (рис. 2). Рис. 2. Перекрещивающаяся слоистость в дюнных и барханных песках Барханы — это холмы серповидной формы, имеющие с подветренной стороны по краям два вытянутых песчаных рога и песчаный козырек вверху. Барханы в поперечном сечении асимметричны: пологий наветренный склон имеет 10-15°, а крутой подветренный — 30-35°. Серповидная форма бархана обусловлена тем, что песчинки по краям перемещаются быстрее, чем в середине холма. В пустынях направление ветра более или менее постоянное. Песчаные холмы, только без серповидных окончаний в подветренном склоне, образуются также на морских побережьях и на берегах крупных рек. Они получили название дюн, Дюны, как и барханы, имеют асимметричное строение: наветренный склон — пологий и подветренный — более крутой. Дюны и барханы могут иметь высоту в несколько десятков метров. В отдельных случаях высота дюн достигает 100 и даже 200 м. Песок, слагающий дюны и барханы, имеет своеобразную косую слоистость (рис. 16). Такой тип слоистости возникает в результате того, что порывы ветра, переносящие те или иные порции песка с одного склона на другой, бывают различной силы и направления. Поэтому отдельные слои имеют то пологий, то крутой наклон и падение в разные стороны. Дюны и барханы нередко объединяются в гряды или целые поля. Поверхность дюн и барханов, а часто и не собранных в холмы песков покрывается мелкой рябью, напоминающей ветровую рябь на воде (см. рис. 1). Для дюн и барханов характерно поступательное движение, т. е. они перемещаются в направлении господствующих ветров. Процесс передвижения дюн и барханов выражается в том, что песок с наветренного склона переносится на подветренный. Скорость перемещения дюн и барханов варьирует в широких пределах—от 1 до 40 м в год. Такое перемещение песков приводит к уничтожению посевов, разрушению зданий, к изменению русел рек и т.п. Борьба с движущимися песками заключается в закреплении их искусственными насаждениями (в пустынях — саксаулом), орошении (обводнении) песков. Дюны, барханы или их гряды являются результатом аккумулятивной деятельности ветра. Но этим аккумулятивная деятельность ветра не ограничивается. Мелкие песчинки и пыль нередко выносятся ветром из центральных районов пустынь в окраинные (периферические) участки, где они, выпадая, покрывают травянистую растительность и образуют со временем своеобразную породу — лёсс, довольно широко распространенную на земной поверхности (в Центральной Европе, в Средней Азии и других местах). Лёсс — это пылеватая, плотная, пористая карбонатная порода, образующая в естественных обнажениях отвесные стенки. Мощность лёсса обычно не превышает нескольких десятков метров, но в КНР она более 100 м. Лёсс является наиболее благоприятной материнской породой для образования чернозёмов. Об эоловом происхождении лёсса много писал выдающийся исследователь Азии академик В.А. Обручев. Если эоловое происхождение лёсса КНР и Средней Азии не вызывает особых возражений (так как он здесь развит в областях, прилегающих к пустыням), то относительно происхождения лёсса и лёссовидных пород в других районах существуют иные представления. Многие ученые пришли к мнению, что лёсс образуется также в результате процессов выветривания, особенно при почвообразовании. Одним из примеров может служить наблюдаемый на юго-востоке Украины, а также в других местах постепенный переход выветрелого гранита в лёсс или лёссовидную породу. Эоловое происхождение приписывается лёссу, развитому в северных районах Украины, где исходным материалом для его образования послужили не пылеватые частицы, вынесенные из пустынь, а пылеватый материал, принесенный ветрами из районов Северной Европы, охваченных в свое время оледенением. Таким образом, происхождение (генезис) лёсса не является во всех районах одинаковым. С поверхности породы в пустынях нередко покрываются тонкой коркой из солей железа или марганца, осажденных при испарении поднимающейся по капиллярам воды. Такие корки имеют темный или черный цвет и называются «пустынным загаром». Народнохозяйственное значение пустынь. Пустыни и полупустыни, несмотря на существующие иногда в них очень тяжелые для жизни человека, экстремальные условия, имеют большое народнохозяйственное значение. В них обнаружены крупные промышленные месторождения нефти и газа (например в Кызылкумах), различных металлов и пр. Многие территории пустынь успешно используются для отгонного животноводства, а их обводнение позволяет выращивать ценные сельскохозяйственные культуры, нуждающиеся в большом количестве тепла (например, хлопок). В пределах некоторых пустынь открыты крупные водные подземные бассейны. Освоение пустынь не означает их полное преобразование. Пустыни — естественные природные зоны Земли и во избежание нарушения существующего природного равновесия они должны быть сохранены. Отметим, что появление многих обширных участков современных пустынь — результат неправильной хозяйственной деятельности человека. Ветровая эрозия. Распашка легких почв благоприятствует их развеванию ветром. Особенно это явление проявляется весной, когда вспаханные поля еще не покрыты растительностью. В результате в засушливых областях нередко возникают пыльные бури такой силы, что с огромных площадей в десятки и сотни тысяч гектаров сносится почвенный слой, иногда в два-три десятка сантиметров мощности. Этим наносится огромный урон сельскому хозяйству. Пыльные бури широко известны, например, в Предкавказье, а за рубежом — в Северной Америке. 4. Элементы залегания горных пород. Горный компас. Существование разнообразных тектонических нарушений вызывает необходимость в определении (при геологических исследованиях) положения пластов горных пород в пространстве. Эти данные необходимы для выяснения основных особенностей строения месторождений полезных ископаемых, их разведки и эксплуатации. Положение пласта в пространстве определяют путем измерения его элементов залегания. К элементам залегания пласта относятся: 1) азимут простирания; 2) азимут падения; 3) угол падения (рис. 1). Прежде чем охарактеризовать элементы залегания, ознакомимся с такими понятиями, как линия простирания и линия падения пласта. Линия простирания — это линия на плоскости пласта, которая получается от пересечения пласта (или его мысленного продолжения) с горизонтом. Линия падения — линия, перпендикулярная к линии простирания и направленная по падению пласта. Угол падения — угол, образованный плоскостью пласта с горизонтальной плоскостью. Он замеряется между линией падения и ее проекцией на горизонтальную плоскость. Азимут падения — угол, образуемый проекцией линии падения на горизонтальную плоскость и географическим меридианом. Азимут простирания — угол, образуемый линией простирания и географическим меридианом. Направление падения пласта и направление простирания пласта всегда взаимно перпендикулярны. Элементы залегания измеряют горным компасом (рис. 2), который для этой цели более пригоден, чем обычный компас. Горный компас смонтирован на немагнитной прямоугольной пластинке (из латуни или алюминия), в которой длинная сторона параллельна направлению «север — юг», а короткая — «восток — запад». В горном компасе, как и в обычном, имеется ось, на которую насажена магнитная стрелка. При свободном вращении она ориентируется в направлении магнитного меридиана 1. Лимб горного компаса разделен на 360°, причем деления у него, в отличие от делений обыкновенного компаса, нанесены против движения часовой стрелки, и соответственно также переставлены местами обозначения «восток» и «запад». Рис.1. Элементы залегания горных пород: а — а — линия простирания; b—b — линия падения; — угол падения Все эти изменения сделаны для того, чтобы упростить и ускорить (в сравнении с обычным компасом) отсчет азимутов простирания и падения. Кроме магнитной стрелки, к оси компаса прикреплен отвес, предназначенный для замера угла падения пластов. У отвеса имеется своя градусная шкала, нулевое значение которой находится на стороне «восток». По обе стороны от 0 нанесены деления до 90°. Когда отвес показывает 0, длинная сторона компаса находится в горизонтальном положении. Рис. 2. Горный компас: 1 — основание компаса; 2 — лимб; 3 — отвес; 4 — тормозное приспособление для отвеса; 5 — магнитная стрелка; 6 — тормозное приспособление для магнитной стрелки Порядок измерения элементов залегания пластов горным компасом следующий (рис. 3). 1. Перед тем как начинать измерение элементов залегания пласта, необходимо прежде всего найти участок на плоскости пласта с гладкой поверхностью2. Затем перпендикулярно к поверхности пласта прикладывают длинную сторону основания компаса с показание «север» в сторону падения, поворачивая компас в указанном положении несколько раз в ту и другую сторону. Получаемый при этом наибольший угол отклонения отвеса и будет составлять угол падения, а линия, вдоль которой устанавливается компас при наибольшем отклонении отвеса, представляет собой линию падения. Получив этот угол, делают отсчет по отвесу. Для большей уверенности в правильности полученного отсчета начинающему исследователю рекомендуется провести карандашом на поверхности пласта линии вдоль длинной и короткой сторон основания компаса (когда компас приложен к поверхности пласта). Эти линии будут точно фиксировать направление падения (вдоль длинной стороны основания компаса) и направление простирания (вдоль короткой стороны). Прикладывая короткую южную сторону основания компаса к линии простирания, приводят его в горизонтальное положение и делают отсчет по северному концу магнитной стрелки. Полученный азимут указывает величину азимута падения пласта. К той же линии простирания на пласте, к которой была приложена короткая сторона основания горного компаса (во время замера азимута падения), прикладывают длинную сторону компаса и делают отсчет по тому концу магнитной стрелки, который расположен в северных румбах. Так определяется азимут простирания пласта. Однако этот замер обычно не производится, так как азимут простирания всегда будет отличаться на 90° от азимута падения. Рис. 3. Измерение горным компасом угла падения и азимута падения Запись полученных данных производится следующим образом: П адение СВ 40о<30°. На геологических картах результат замеров принято показывать знаком 30°. Рядом с ним указывается величина угла падения в градусах. Простая линия указывает направление простирания, а стрелка — направление падения, нанесенные по азимутам. Обе эти линии должны быть взаимно перпендикулярны. 5. Морена (определение). Морена (франц . moraine), отложения, накопленные непосредственно ледниками при их движении и выпахивании ложа; по составу очень разнообразны (от суглинков до валунов), неотсортированы, содержат гальки и валуны с ледниковыми шрамами и полировкой. В зависимости от условий образования различают морены поверхностные, основные, донные, боковые и др. Список литературы. 1. Левитес Я.М. Общая геология с основами исторической геологии и геологии России и сопредельных регионов. М., Высшая школа, 1986. 2. Гаврилов В.П. Общая и историческая геология и геология СССР. М., Недра, 1989. |