Конспект лек Инженерная геология. Конспекты лекций по дисциплине инженерная геология

• Название: Конспекты лекций по дисциплине инженерная геология
• Дата: 08.12.2022
• Размер: 0.74 Mb.
• Имя файла: Конспект лек Инженерная геология.doc
• Тип: Конспект; #834665
• страница: 2 из 16

Форма Земли

Форма Земли обычно именуется Земным шаром. Установлено, что масса Земли равна 5,98х10²⁷г, объем 1,083х10²⁷ см³. Средний радиус 6371км, средняя плотность 5,52г/см³, среднее ускорение силы тяжести 981 Гал. Форма земли близка к трехосному эллипсоиду вращения с полярным сжатием: у современной Земли полярный радиус 6356,78км, а экваториальный 6378,16км. Длина земного меридиана составляет 40008,548км, длина экватора 40075,704км. Полярное сжатие (или «сплюснутость») обусловлена вращением Земли вокруг полярной оси и величина этого сжатия связана со скоростью вращения Земли. Иногда форму Земли именуют сфероидом, но для Земли есть и собственное наименование формы, а именно геоид. Дело в том, что земная поверхность изменчива и значительна по высоте (есть высочайшие горные системы более чем в 8000м, например гора Эверест – 8842м и глубокие океанические впадины более чем в 11000м, Марианская впадина – 11521м). Геоид вне континентов совпадает с невозмущенной поверхностью Мирового океана, на континентах поверхность геоида рассчитана по гравиметрическим исследованиям и с помощью наблюдений из космоса.

Земля обладает сложноорганизованным магнитным полем, которое можно описать полем, создаваемым намагниченным шаром или магнитным диполем.

Поверхность земного шара на 70,8% (361,1млн.км² занята поверхностными водами (океанами, морями, озерами, водохранилищами, реками и т.д.). Суша составляет 29,2% (148,9млн.км²).

Строение Земли

В общем виде, как установлено современными геофизическими исследованиями на основании, в частности, оценок скоростей распространения сейсмических волн, изучения плотности земного вещества, массы Земли, результатов космических экспериментов по определению распределения воздушного и водного пространств и другими данными, Земля сложена как бы несколькими концентрическими оболочками: внешними – атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера (область распространения живого вещества, по В.И.Вернадскому) и внутренними, которые называют собственно геосферами (ядро, мантия и литосфера) (рис.1).

Непосредственному наблюдению доступны атмосфера, гидросфера, биосфера и самая верхняя часть земной коры. С помощью буровых скважин человеку удается изучать глубины в основном до 8км. Проходка сверхглубоких скважин, которая осуществляется в научных целях в нашей стране, США и Канаде (в России на Кольской сверхглубокой скважине достигнута глубина более 12км, что позволило отобрать образцы горных пород для непосредственного прямого изучения). Основной целью сверхглубокого бурения является достижение глубинных слоев земной коры – границ «гранитного» и «базальтового слоев или верхних границ мантии. Строение более глубоких недр Земли изучается геофизическими методами, из которых наибольшее значение имеют сейсмические и гравиметрические. Изучение вещества, поднятого с границ мантии, должно внести ясность в проблему строения Земли. Особый интерес представляет собой мантия, так как земная кора со всеми полезными ископаемыми образовалась в конечном счете из ее вещества.

Атмосфера по распределенной в ней температуре снизу вверх подразделяется на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Тропосфера составляет около 80% всей массы атмосферы и достигает высоты 16-18км в экваториальной части и 8-10км в полярных областях. В тропосфере происходит образование облаков и сосредотачиваются тепловые движения воздуха. У поверхности Земли наиболее высокая температура была отмечена в Ливии (+58^оС в тени), на территории бывшего СССР в районе г.Термез (+50^оС в тени). Наиболее низкая температура зафиксирована в Антарктиде (-87^оС), а на территории России в Якутии (-71^оС).

В атмосфере и ее облачном покрове поглощается 18% излучния Солнца. В результате радиационного баланса система Земля-атмосфера средняя температура на поверхности Земли положительная +15^оС, хотя ее колебания в разных климатических зонах могут достигать 150^ОС.

Гидросфера - водная оболочка, которая играет большую роль в геологических процессах Земли. В ее состав входят все воды Земли (океаны, моря, реки, озера, материковые льды и т.д.) Гидросфера не образует сплошного слоя и покрывает земную поверхность на 70,8%. Средняя мощность ее около 3,8км, наибольшая – свыше 11км (11521м – Марианская впадина в Тихом океане).

Гидросфера Земли значительно моложе самой планеты. На первых этапах своего существования поверхность Земли была полностью безводной, да и в атмосфере водяного пара практически не было. Образование гидросферы обусловлено процессами отделения воды из вещества мантии. В табл. 1 приведено распределение воды на Земле.

Объем гидросферы и интенсивность водообмена Таблица 1

Составляющие гидросферы	Объем всей воды,тыс.км3(%)	Объем пресных вод, тыс.км3	Интенс-ть водообмена, годы
Мировой океан Подземные воды Ледники Озера Почвенная влага Пары атмосферы Речные воды Вода в живых организмах (биологическая вода)	1370000 (94) 60000 (4,12) 24000 (1,65) 280 85 14 1,2 1,12	- 4000 24000 155 83 14 1,2 1,12	3000 5000 8600 10 1 0,027 0,032 -

Гидросфера играет важную роль в проявлении многих геологических процессов, особенно в поверхностной зоне земной коры. С одной стороны, под воздействием гидросферы происходит интенсивное разрушение горных пород и их перемещение, переотложение, с другой – гидросфера выступает как мощный созидательный фактор, являясь по существу бассейном для накопления в ее пределах значительных толщ осадков разного состава.

Биосфера находится в постоянном взаимодействии с литосферой, гидросферой и атмосферой, что существенно сказывается на составе и строении литосферы.

В целом под биосферой в настоящее время понимают область распространения живого вещества (живые организмы известных науке форм); это сложноорганизованная оболочка, связанная биохимическими (и геохимическими) циклами миграции вещества , энергии и информации.

Внутренне строение Земли по современным представлениям состоит из ядра, мантии и литосферы. Границы между ними достаточно условны, вследствие взаимопроникновения как по площади, так и по глубине.

Земное ядро состоит из внешнего (жидкого) и внутреннего (твердого) ядра. Радиус внутреннего ядра (так называемый слой G) примерно равен 1200-1250км, переходный слой (F) между внутренним и внешним ядром имеет мощность около 300-400км, а радиус внешнего ядра равен 3450-3500км (соответственно глубина 2870-2920км).

Современные специалисты считают, что земное ядро почти на 90% представляет собой железо с примесью кислорода, серы, углерода и водорода, причем внутреннее ядро имеет железо-никелевый состав, что полностью отвечает составу ряда метеоритов.

Мантия земли представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8% от общей массы Земли (О.Г.Сорохтин, 1994). Геофизическими исследованиями установлено, что мантия, в свою очередь, может быть подразделена на верхнюю (слой В) (до глубины 400км), переходный слой Голицына (слой С на глубине от 400 до 1000км) и нижнюю мантию (слой Д с подошвой на глубине примерно 2900км). Под океанами в верхней мантии выделяется слой, в котором мантийное вещество находится в частично расплавленном состоянии. Весьма важным элементом в строении мантии является зона, подстилающая подошву литосферы. Физически она представляет собой поверхность перехода сверху вниз от охлажденных жестких пород к частично расплавленному мантийному веществу, находящемуся в пластическом состоянии и составляющему астеносферу.

Мантия в настоящее время оценивается как источник сейсмических и вулканических явлений, горообразовательных процессов, а также зона рализации магматизма.

Земная кора представляет собой верхний слой Земли, который имеет нижнюю границу или подошву по сейсмическим данным по слою мохоровичича, где отмечено скачкообразное увеличение скоростей распространения упругих (сейсмических) волн до 8,2км/с.

Для инженера-геолога земная кора является основным объектом исследований, именно на ее поверхности и в ее недрах возводятся инженерные сооружения, т.е. осуществляется строительная деятельность. В частности, для решения многих практических задач важным является выяснение процессов формирования поверхности земной коры, истории этого формирования.

В целом поверхность земной коры формируется под воздействием направленных противоположно друг другу процессов:

 эндогенных, включающих в себя тектонические и магматические процессы, которые вдут к вертикальным перемещениям в земной коре – поднятиям и опусканиям, т.е. создают “неровности” рельефа;

 экзогенных, вызывающих денудацию (выполаживание, выравнивание) рельефа за счет выветривания, эрозии различных видов и гравитационных сил;

 седиментационных (осадконакопление), как “выполняющих” осадками все созданные при эндогенезе неровности.

Континентальная кора сложена тремя слоями, верхний из которых осадочный, а два нижних представлны кристаллическими породами. Осадочный слой сложен глинистыми осадками и карбонатами мелководных морских бассейнов и имеет различную мощность от 0 на древних щитах до 15км в краевых прогибах платформ. Под осадочным слоем залегают докембрийские “гранитные” породы, зачастую преобразованные процессами регионального метаморфизма. Под этим слоем залегает базальтовый. Отличием океанической коры от континентальной является наличие в ней гранитного слоя. Далее океаническая и континентальная кора подстилается пордами верхней мантии.

Литосфера – это каменная оболочка Земли, объединяющая земную кору, подкоровую часть верхней мантии и подстилаемая астеносферой. Характерным признаком литосферы является то, что в нее входят породы в твердом кристаллическом состоянии и она обладает жесткостью и прочностью. Вниз по разрезу от поверхности Земли наблюдается рост температуры. Расположенная под литосферой пластичная оболочка мантии – астеносфера, в которой при высоких температурах вещество частично расплавлено и вследствие этого в отличие от литосферы астеносфера не обладает прочностью и может пластично деформироваться. В свете современных представлений согласно теории тектоники литосферных плит установлено, что литосферные плиты, которые слагают внешнюю оболочку Земли, образуются за счет остывания и полной кристаллизации частично расплавленного вещества астеносферы.Таким образом, литосфера способна к движению относительно нижней мантии за счет ослабленности астеносферы меняется от нескольких километров под рифтовыми долинами срединных океанических хребтов до 100км под периферией океанов.

Тепловой режим

Земная кора имеет два основных источника тепла: от Солнца и от распада радиоактивных веществ в своей нижней части на границе с верхней мантией. В недрах же Земли температура увеличивается с глубиной от 1300^оС в верхней мантии до 3700^оС в центре ядра.

В земной коре различают три температурные зоны: 1) переменных температур; 2) постоянных температур; 3) нарастания температур.

Изменение температур в зоне переменных температур определяется климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубинах около 1,5 м, а годовые (сезонные) на глубинах 20-30м.

По мере углубления в землю влияние сезонных колебаний температур уменьшается и на глубине примерно 15-40м находится зона постоянной температуры, которая соответствует среднегодовой температуре данной местности. Под Москвой эта зона начинается на глубине 20м,около Санкт-Петербурга с 19,6м.

В пределах III зоны температура с глубиной возрастает. Величина нарастания температуры на каждые 100м глубины называется геотермическим градиентом, а глубина, при которой температура повышается на 1^оС, геотермической ступенью. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33м. Непосредственные измерения показали, что величина геотермической ступени на разных участках Земли колеблется довольно в широких пределах.

Нарастание температуры с глубиной следует учитывать при проектировании сооружений глубокого заложения, особенно при активно развивающемся в последние годы освоении подземного пространства городов, при строительстве метрополитенов, при проектируемых хранилищах различного рода промышленных отходов, особенно радиоактивных.