Учебное пособие по Геологии. Учебное пособие для студентов i курса Разработал В. Г. Юхименко Ижевск 2007 Содержание введение

• Название: Учебное пособие для студентов i курса Разработал В. Г. Юхименко Ижевск 2007 Содержание введение
• Дата: 19.08.2022
• Размер: 6.88 Mb.
• Имя файла: Учебное пособие по Геологии.pdf
• Тип: Учебное пособие; #649151
• страница: 10 из 16

ГЛАВА 7. ОСНОВЫ ИСТОРИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ
7.1. Задачи исторической геологии.
Историческая геология является одним из крупных разделов геологических наук, в котором в хронологическом порядке рассматривается геологическое прошлое Земли. При этом геологическим наблюдениям доступна пока только земная кора.
Формирование Земной коры определяют многообразные факторы, из которых ведущими являются - время, физико-географические условия и тектоника.
Поэтому для восстановления истории земной коры решаются следующие задачи:
1. Определение возраста горных пород.
2. Восстановление физико-географических условий земной поверхности прошлого.
3. Восстановление тектонических движений и различных тектонических структур
Для решения 1-ой задачи необходимо изучение состава, места и времени образования пластов горных пород и их корреляция. Эти вопросы рассматриваются в специальном подразделении исторической геологии, который называется
стратиграфией.
Для решения 2-ой задачи необходимо изучение климата, рельефа, развитие древних морей, рек, озер и т.д. в прошлые геологические эпохи. Эти вопросы рассматриваются в специальном подразделении исторической геологии, который называется палеогеографей.
Для решения 3-ей задачи необходимо определение времени, характера, величины тектонических движений. Эти вопросы рассматриваются в специальном подразделении исторической геологии, который называется геотектоникой.
Тектонические движения сопровождаются проявлением магматической деятельности. Время и условия образования магматических пород изучаются в специальном подразделении исторической геологии, который называется петрологией
Все основные задачи тесно связаны между собой и решаются параллельно с помощью различных методов.
7.2. Геологическое летосчисление (геохронология)
При определении возраста горных пород существуют два подхода. В первом случае определяют относительный возраст пород, т.е. выясняют что было раньше, а что – позже
(что древнее, а что – моложе). Во втором случае определяют абсолютный возраст пород, который выражается в годах.
Относительное летоисчисление
При определении относительного возраста пород используют несколько методов.
По взаимоотношению геологических тел.
При этом методе возраст осадочных горных пород определяется очень просто: те пласты, которые расположены ниже в разрезе толщ являются более древними, а те, которые выше – более молодые. Такой способ определения относительного возраста получил название стратиграфического метода (рис. 34).
87

Рис. 34. Определение относительного возраста интрузивных тел
При определении относительного возраста горных пород широко применяется
палеонтологический метод,использующий остатки ранее живших организмов.
(окаменелостей). Если слои осадочных горных пород содержат один и тот же комплекс окаменелостей фауны и флоры, то такие слои одновозрастные. Для более точного определения относительного возраста палеонтологическим методом используются
руководящие формы организмов,т.е.организмы,которые жили очень короткий отрезок времени, но были широко распространены на Земле (рис. 35).
В случае интрузивных тел относительный возраст их определяется по простому правилу: интрузивные тела моложе тех пород, которые они прорывают и метаморфизуют и древнее пород, которые перекрывают интрузивные тела.
Рис. 35. Расчленение и сопоставление разрезов скважин с помощью палеонтологического метода:
а – в условиях постоянного литологического состава; б – при резких изменениях состава одновозрастных толщ; в – при сравнении с эталоном. 1 – пески; 2 – известняки; 3 – глины; 4 – башенкообразные спиральные раковины;
5
– плоские спиральные раковины; 6 – растительные остатки; 7 – членистоногие; 8 – двустворчатые раковины;
9 – кораллы; 10 – остатки рыб; 11 – пальцеобразные известковые палочки.
Возраст пород: S – силур, D – девон, C – карбон, P – пермь, T - триас
88

Абсолютное летоисчисление
При абсолютном летоисчислении возраст горных пород определяется в годах. При этом используются две группы методов:
1. По скорости осадконакопления,как например,в случае ленточных глин–пара слоев – 1 год. Подсчитав количество пар слоев можно определить то время за которое образовалась толща глин.
2. По скорости радиоактивного распада элементов.При этом используются главным образом радиоактивные изотопы урана, тория, рубидия, калия, углерода и водорода –
238
U,
235
U,
232
U,
87
Rb,
40
K,
14
C,
3
H. Для некоторых специальных целей применяются также многие другие изотопы.
Измерение изотопного возраста минералов и горных пород основано преимущественно на использовании явления радиоактивности. Для коротких диапазонов времени используются тритий (
З
Н) и радиоуглерод (
14
С); для длительных диапазонов - методы уран-свинцовый (
238
U/
206
Pb и
235
U/
207
Pb), свинцово-свинцовый (
207
Pb/
206
Pb), торий-свинцовый
(
232
Th/
208
Pb), калий-аргоновый (
40
K/
40
Ar) и рубидий-стронциевый (
87
Rb/
87
Sr).
Может быть использован также подсчет следов распада (треков) с дополнительной специальной бомбардировкой образца нейтронами.
Тритий образуется при столкновении атомов водорода
1
Н с нейтронами. Его период полураспада равен всего 12,5 года, поэтому его применение ограничено такими задачами, как установление характера движения подземных вод и перемешивания морской воды или определение возраста снега в снежных полях.
Радиоуглерод, образующийся из азота в верхних слоях атмосферы, распадается с периодом полураспада 5570 лет. Он используется преимущественно для определения возраста древесины, древесного угля, торфа и углеродсодержащих организмов.
14
C
14
N+
T=5730 40 лет
Область применения уран-торий-свинцовых методов, первоначально ограниченная уранинитом и урановой смолкой, была расширена за счет других минералов, прежде всего циркона с очень небольшим содержанием урана и ассоциирующегося с ним тория. Атомы
238
U,
235
U и
232
Th распадаются с разными скоростями до изотопов соответственно
206
Pb,
207
Pb,
208
Pb. Разделение этих изотопов производится на масс-спектрометре.
238
U
206
Pb + 8He
4
T = 4.468 млрд. лет
235
U
207
Pb + 7 He
4
Т = 0.7038 млрд. лет
232
Th
208
Pb + 6He
4
Т = 14.008 млрд.лет
Один из изотопов калия переходит в аргон со скоростью, которая подходит для определения возраста по отдельным калиевым минералам или по валовой пробе. Главная проблема заключается в утечке радиогенного аргона или загрязнении атмосферным аргоном.
40
K
40
Ar + e
Т = 1.3×10 9
лет
Рубидий-стронциевый метод основан на распаде рубидия до стабильного стронция с периодом полураспада около 50 млн. лет. Отношение
87
Rb/
87
Sr измеренное по валовой пробе, должно быть нанесено на график для определения изохрон.
87
Rb
87
Sr +
Т = 4.99 млрд. лет
89

Современная шкала геологического времени включает эры, периоды, эпохи, расположенные в их естественной последовательности и привязанные к временным подразделениям, определенным радиометрическими методами.
Древнейшие из известных на Земле породы имеют возраст почти 3,8 млрд. лет; это меньше, чем возраст некоторых метеоритов (4,7 млрд. лет) и некоторых лунных пород (до
4,7 млрд. лет). Соответственно возраст Солнечной системы оценивается величиной порядка 5 млрд. лет.
7.3. Геохронологическая шкала
Изучение относительного возраста горных пород позволило европейским геологам уже в XV в. расположить выделенные подразделения в виде шкалы с наиболее древними подразделениями в основании и последовательно все более молодыми подразделениями выше в том порядке, который теперь называют стратиграфической колонкой. Ранние классификации включали три главных подразделения: первичную, вторичную и третичную эры; много позже к ним была добавлена четвертичная эра. Однако породы, названные первичными и вторичными, в действительности не были ни первыми, ни вторыми, поэтому эти названия были отброшены, но термины «третичная» и
«четвертичная» продолжали использоваться.
Упраздненные термины были заменены понятиями «палеозойская эра» (древняя жизнь) и «мезозойская эра» (средняя жизнь), взамен термина «третичная эра» был предложен термин «кайнозойская эра», или «кайнозой» (современная жизнь). Позже были выделены археозойская (начало жизни) и протерозойская (протожизнь) эры для времени формирования допалеозойских пород, условно объединяемых под названием докембрия (рис. 36).
90

Перечисленные эры стали подразделяться на периоды, периоды на эпохи и более мелкие возрастные единицы. Подразделения докембрия – в основном местные или провинциальные, тогда как более молодые единицы, за
Рис небольшими
.36.Геохронологическая исключениями, называются одинаково во всем мире. шкала
Системой названа естественная толща горных пород с определенными верхней и нижней границами, обычно отмеченными отчетливой сменой литологии или резкими изменениями фауны, а иногда перерывами и несогласиями. Время, соответствующее системе, носит название периода. Все системы получили свои названия либо от местностей, где они были выделены, либо по характерным литологическим особенностям.
Например, девонская система и период названы по графству Девоншир в Англии, пермская система - по городу Пермь в Предуралье России; меловая система получила свое название по типичной для нее породе-мелу. Большая часть палеозойских и более молодых систем была выделена в Западной Европе в первой половине XIX в., так что стратиграфическая геология – наука относительно молодая.
Принципиальным добавлением к шкале геологического времени в последние десятилетия было введение неравномерно распределенных по ней возрастных реперов*, полученных радиоактивными геохронологическими методами. Так как определения возраста выполнены, в основном, для магматических пород, границы которых по большей части, к сожалению, не совпадают с границами геологических периодов, но они требуют известной корректировки с учетом относительной мощности осадков и других критериев.
Следовательно, возраст выделенных подразделений неточен.
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите основные задачи, решаемые исторической геологией
2. Перечислите основные разделы исторической геологии и рассматриваемые ими вопросы.
3. В чем суть относительного и абсолютного летоисчисления
4. Какие методы используются для определения относительного возраста пород?
5. Назовите наиболее распространенные методы абсолютной геохронологии
91

ГЛАВА 8. ОСНОВЫ
ГИДРОГЕОЛОГИИ
8.1. Подземные воды
Отрасль геологии, предметом которой является изучение подземных вод и условий их образования, называется гидрогеологией.
Формы существования воды в горных
породах
Интенсивная деятельность подземных вод определяется прежде всего их огромной массой. По оценке В. И. Вернадского, масса подземных вод достигает 5×10 17
т, что немногим меньше общей массы Мирового океана (1,5×10 18
т). Практически в пустотах и трещинах земной коры содержится огромный подземный океан, превышающий по массе воды, например, Атлантический океан.
Вода, заполняющая различные пустоты горных пород (каверны, трещины, поры), в зависимости от давления и температуры может находиться в парообразной, жидкой или твердой (в виде льда) фазах.
К парообразной фазе относят водяные пары, которые вместе с воздухом заполняют поры, каверны и трещины горных пород. При понижении температуры или повышении давления водяные пары конденсируются на стенках пустот горных пород и переходят в жидкую фазу.
Подземную воду, находящуюся в горных породах в
жидкой фазе, подразделяют на гигроскопическую, пленочную, капиллярную и гравитационную.
Гигроскопическая вода в виде сплошной одномолекулярной пленки или отдельных мельчайших капелек покрывает стенки пустот
(рис. 37, а). Она настолько прочно связана с частицами породы, что не способна передвигаться в пустотах породы под влиянием силы тяжести.
Выделить гигроскопическую воду из породы можно только путем нагревания последней до температуры более
100°С, при которой вода переходит в парообразную фазу.
Р
и с
3 7
Ф
о р
м ы
н а
х о
ж д
е н
и я в
о д
ы в п
у с
т о
т а
х г
о р
н ы
х п
о р
о д
: а
– г
и г
р о
с к
о п
и ч
е с
к а
я
, б
– п
л е
н о
ч н
а я
,
в
– к
а п
и

С увеличением количества воды в пустотах породы возникает пленочная вода, образующая на поверхности минеральных частиц сплошную пленку из нескольких слоев молекул (рис. 37, б). Толщина такой пленки может быть различной. Пленочная вода способна передвигаться от частиц с большей толщиной пленки к частицам с меньшей ее толщиной. Движение воды на стенках пустот происходит до тех пор, пока толщина пленок не станет равной, причем пленочная вода движется в различных направлениях, не испытывая влияния силы тяжести.
При еще большем содержании воды в породах образуется капиллярная вода, заполняющая мелкие пустоты и микротрещины, в которых она удерживается силами поверхностного натяжения (рис. 37, в). Капиллярная вода может продвигаться по капиллярным каналам в любом направлении, в том числе и снизу вверх, т. е. в направлении, противоположном действию силы тяжести. Продвигается она обычно тем дальше, чем тоньше диаметр пор или трещин, по которым она движется.
92

Гравитационная вода находится в капельно-жидком состоянии в проницаемых породах, передает гидростатическое давление и передвигается под действием гравитационных сил (рис. 37, г). Сила тяжести обусловливает наличие у гравитационной воды уровня, или зеркала.
Для геологов-нефтяников наибольший интерес представляет гравитационная вода, содержащаяся в породах и способная перемещаться по пустотам пластов.
Кроме перечисленных в природе существуют также воды, химически связанные с горными породами, участвующие в строении кристаллической решетки минералов. К ним относятся конституционная, кристаллизационная и гидратная воды.
Происхождение и состав подземных вод
Подземные воды по происхождению подразделяются на следующие типы: инфильтрационные, конденсационные, седиментационные
(или реликтовые), магматогенные (ювенильные).
Инфильтрационные воды.Образуются в результате просачивания(инфильтрации)
атмосферных осадков или вод рек и озер по порам и трещинам горных пород. Общий объем воды, выпадающей на поверхность Земли в течение года, оценивается в 108,4 тыс. км
3
. Из них более двух третей (71,1 тыс. км
3
) испаряется, т. е. возвращается в атмосферу, а одна треть (37,3 тыс. км
3
) формирует поверхностный сток; часть этого стока, расходуемая на увлажнение почв, проникает в пласты-коллекторы, образуя инфильтрационные воды.
Конденсационные воды.Их происхождение объясняют конденсацией атмосферной влаги в порах и трещинах пород в условиях резких суточных колебаний температуры пустынь.
Седиментационные (реликтовые) воды.Образуются за счет захоронения вод древних бассейнов совместно с накопившимися в них осадками. Большая часть осадочных горных пород образовалась из осадков, которые формировались в водной среде. Воды этих древних морских или озерных водоемов могли сохраниться в осадках и в сформировавшихся из них породах или просочиться в окружающие породы. В том и другом случае такие подземные воды относят к седиментационным, или реликтовым. В зависимости от того, остались реликтовые воды на месте или переместились в другие толщи, их подразделяют на две разновидности. К первой относят так называемые сингенетичные подземные воды, которые были захоронены одновременно с заключающим их осадком. Они составляют только одну часть захороненных совместно с осадком вод. Другая их часть при уплотнении осадка отжимается в перекрывающие или подстилающие толщи. Эти подземные воды называют эпигенетичными.
Магматогенные (ювенильные) подземные воды.Поступают они из глубинныхнедр земной коры, их происхождение связано с остыванием расплавленной магмы.
Подземные воды, как правило, содержат растворенные соли. Суммарное их количество в единице объема называют общей минерализацией* вод. Насыщение подземных вод различными солями происходит в процессе сложного взаимодействия подземных вод и горных пород, по которым они движутся. Подземные воды, растворяя легкорастворимые соединения, переносят их на большие расстояния и при определенных условиях могут осаждать в виде минералов в пустотах горных пород или у выходов подземных вод на поверхность.
Подземные воды, как правило, содержат растворенные соли. Суммарное их количество в единице объема называют общей минерализацией вод. Насыщение подземных вод различными солями происходит в процессе сложного взаимодействия подземных вод и горных пород, по которым они движутся. Подземные воды, растворяя легкорастворимые соединения, переносят их на большие расстояния и при определенных условиях могут осаждать в виде минералов в пустотах горных пород или у выходов подземных вод на поверхность.
93

Крупнейший советский геохимик В. И. Вернадский подразделил все природные воды по степени их минерализации на пресные, солоноватые, соленые и рассолы.
Согласно этой классификации пресные воды содержат меньше 1 г/л растворенных солей;
солоноватые —1—10г/л; соленые —10— 50г/л; рассолы —более50г/л.
Помимо количественных показателей при классификации подземных вод используют данные о химическом составе растворенных в них солей. Подземные воды классифицируют по химическому составу на основании преобладающих анионов и катионов. Наиболее распространенными классами вод, выделенными по преобладающим анионам, являются: гидрокарбонатные (НСО
3
¯ >25 %-экв), сульфатные (SO
4 2¯
> 25 %- экв), хлоридные (Сl¯ > 25 %-экв), сложного состава (сульфатные гидрокарбонатные, хлоридные гидрокарбонатные и т. д.).
Если при классификации вод используют данные о составе солей, то выделяют воды гидрокарбонатные кальциевые, гидрокарбонатные магниевые, сульфатные кальциевые, хлоридные кальциевые и т. д.
Таким образом, при полной характеристике подземных вод указывают их класс по степени общей минерализации и тип по составу преобладающих анионов и катионов.
Например, характеризуя воды глубокозалегающих водоносных горизонтов европейской части бывшего СССР, отмечают, что они представлены рассолами с общей минерализацией 270—350 г/л, хлоридными натриевыми и хлоридными натриево- кальциевыми по составу.
В верхних слоях земной коры в общем случае устанавливается четко выраженная вертикальная гидрохимическая зональность: сверху вниз располагаются зоны гидрокарбонатных, сульфатных и, наконец, хлоридных вод.
Условия залегания подземных вод
Рис. 38. Схема залегания почвенной воды(1), верховодки
(II) и грунтовой воды (III). 1- почва, 2 – пески, 3 - глины
По условиям залегания обычно выделяют следующие
типы подземных вод:
Воды верховодки.
Верховодкой*
называется подземная вода, залегающая на небольшой глубине в зоне аэрации — зоне свободного проникновения воздуха.
Обычно верховодка не имеет сплошного распространения, а образует сравнительно небольшие линзы, которые подстилаются водоупорными породами (рис. 38, б).
Мощность таких линз верховодки обычно не превышает 0,5—1 м, реже достигает
2—3 м. Здесь вода находится уже в гравитационной форме и обладает уровнем. Уровень воды верховодки подвержен значительным колебаниям, чем и объясняется ее исчезнове- ние в колодцах в районах с засушливым климатом.
Грунтовые воды*. Атмосферные воды,просачиваясь сверху вниз до водоупора,а затем, перемещаясь в горизонтальном направлении, постепенно заполняют все пустоты горной породы. Так возникают водоносные горизонты (рис. 38,в).
94

Водоносным горизонтом* называется пласт или слой породы,в котором поры,
пустоты и трещины заполнены водой. У каждого такого пласта имеются кровля и подошва. Если пласт не полностью заполнен водой,
то под водоносным горизонтом понимают лишь его водонасыщенную часть. Первый от земной поверхности постоянный водоносный горизонт называется горизонтом грунтовых вод.
Грунтовые воды обладают свободной поверхностью
—
зеркалом,
или
уровнем
грунтовых вод. Этот уровень непостоянен.Обычно он повышается в дождливые и понижается в засушливые периоды. Если уровень грунтовых вод на каком-то участке поднимается до земной поверхности, то здесь образуется болото.
В целом грунтовые воды характеризуются наличием свободной водной поверхности — уровня, наличием только одного, подстилающего, водоупора и отсутствием напора.
Межпластовые (пластовые) воды.Отличие межпластовых вод состоит,прежде всего, в том, что они заключены между двумя водоупорами, т. е. ограничены ими и сверху
(со стороны кровли) и снизу (со стороны подошвы). Водоносные горизонты, содержащие межпластовые воды, обычно характеризуются обширной областью распространения, часто измеряемой тысячами квадратных километров. При этом они залегают на значительной глубине, выходя на поверхность лишь на периферии.
Подземные воды вместе с вмещающими их породами образуют гидродинамические
системы,которые делятся на безнапорные и напорные.
Безнапорные гидродинамические системы обычно характерны для бассейнов грунтовых вод, не обладающих естественным напором.
В пределах напорных систем атмосферные воды попадают в проницаемый пласт в районах, где он обнажается на поверхности, в так называемой области питания.
Постепенно атмосферная влага проникает вглубь и полностью насыщает весь пласт.
Перемещаясь по пласту, вода достигает других участков выхода его на поверхность и самоизливается, образуя источники подземных вод. Это область разгрузки, или дренажа пластовых вод. В зависимости от рельефа и высотного положения областей питания и разгрузки в центральной, наиболее прогнутой части бассейна могут существовать условия, благоприятные для создания напора, т.е. самопроизвольного излияния воды под давлением.
Другой характеристикой области напора является
гидростатический
(пьезометрический) напор,под которым понимают высоту столба воды от кровли водоносного горизонта до пьезометрического уровня. Пьезометрический напор выражается в метрах.
Карстовые процессы
Геологическая деятельность, совершаемая подземными водами, заключается, прежде всего, в растворении минералов или горных пород, по которым они движутся.
Растворяющая способность подземных вод значительно усиливается с повышением давления и температуры, а также при наличии растворенных в них газов. В частности, химически чистая вода оказывает на известняки незначительное растворяющее действие, но в присутствии углекислого газа агрессивность воды резко повышается.
Наиболее легко растворяются такие минералы, как галит, сильвин, кальцит, доломит, гипс и др. В районах распространения пород, сложенных этими минералами, вода, проникая по трещинам и порам, растворяет (выщелачивает) отдельные зерна минералов и после установления сквозного стока уносит их в растворенном виде.
Таким образом, подземное выщелачивание приводит к образованию вторичных
коллекторов из пород,которые формировались как водоупоры.По коллекторским свойствам вторичные коллекторы не только не уступают первичным, но часто и превосходят их.
95

Процессы растворения повторяются многократно, в результате во вмещающих породах образуется целая система соединяющихся пустот и каналов, в дальнейшем увеличивающихся в размерах. Так возникают карстовые пещеры*.
Карстовые пещеры иногда достигают огромных размеров. Они широко распространены на территории бывшего СССР, США, Франции, Италии, Венгрии, Чехии,
Словакии, бывшей Югославии и других странах. Большое количество пещер (свыше сотни) известно в «кавернозных известняках», слагающих плато Кентукки (США). Здесь расположена Мамонтова пещера, которая состоит из пяти ярусов каналов и гротов общей протяженностью свыше 300 км. В Европе крупнейшие пещеры длиной (40 — 60) км известны в Швейцарии (Хельхох) и Австрии (Айсризенвельт). Крупные пещеры имеются в Венгрии, на территории бывшей Югославии, Германии.
В пределах бывшего СССР наиболее изучена Ново-Афонская карстовая пещера, расположенная в известняковом массиве на Черноморском побережье Грузии. Это одна из самых крупных исследованных карстовых полостей — здесь выявлено восемь залов длиной от 50 до 275 м и высотой до 97 м (рис. 59). Общая протяженность пещеры достигает 1840 м. В пещере имеются три озера, уровень воды в которых располагается на высоте 40—42 м над уровнем моря.
Характерной формой для карстовых пещер являются натечные образования, также связанные с деятельностью подземных вод. Среди натечных форм, которые чаще всего сложены кальцитом, выделяют сталактиты, сталагмиты, колонны, занавеси, перегородки и т. д. Образуются они следующим образом. Подземные воды, проходя через известняки, частично растворяют их и насыщаются бикарбонатом кальция Са(НСО
3
)
2
. Попадая в карстовые полости, обогащенные Са(НСО
3
)
2
подземные воды оказываются в условиях более низкого давления, при котором происходят выделение избытка углекислоты, переход растворимого бикарбоната в нерастворимый карбонат кальция и выпадение последнего в осадок. Вследствие частичного испарения воды в пещере этот процесс интенсифицируется. Так образуются сталактиты*, которые представляют собой удлиненные, растущие вниз от кровли пещеры подвески, напоминающие ледяные сосульки. Более толстые натечные формы, называемые сталагмитами*, растут снизу вверх в результате падения капель на дно пещеры, частичного испарения воды, потери некоторого количества углекислоты и выделения нерастворимого СаСОз. Иногда, соединяясь, сталактиты и сталагмиты образуют натечные формы в виде колонн, занавесей и перегородок. На стенах карстовых пещер нередко возникают карнизы и каскады. На дне большинства пещер развиты многочисленные колодцы или отдельные озера. Иногда они соединяются, и вода в виде потока движется по дну пещеры в направлении его уклона.
Многие пещеры состоят из большого количества гротов и залов, соединяющихся причудливыми галереями и располагающихся на разной высоте — в несколько этажей.
Многоэтажность пещер обычно связана с изменением уровня грунтовых вод в зависимости от базиса эрозии местной речной сети. Понижение базиса эрозии сопровождается понижением уровня карстовых вод, что приводит к формированию нового этажа пещеры.
Большинство исследованных пещер связано с выщелачиванием известняков. Однако в мощных пластах, сложенных другими растворимыми минералами, также развиваются карстовые процессы. Примером этого может служить Кунгурская ледяная пещера, расположенная на западном склоне Урала в пределах бассейна р. Сылва в гипсах и ангидритах пермского возраста. Общая длина всех изученных ходов превышает 4,6 км.
Внутри пещеры имеется большое количество озер, в том числе 19 крупных. Самое большое занимает площадь около 200м
2
. Характерными особенностями Кунгурской пещеры являются многоэтажность и низкая температура, колеблющаяся от —2 до —3°С, что обусловливает в ней круглосуточное присутствие льда.
С течением времени на поверхности района, сложенного карстующимися породами, могут возникать различные формы карстового ландшафта. По условиям образования
96

выделяются карстовые формы, связанные с выщелачиванием (карры) и с провалами и оседанием сводов пещер (воронки, колодцы, долины и полья).
Сначала на поверхности известнякового массива возникают глубокие борозды.
Происхождение их связано с тем, что атмосферная вода, обогащенная углекислотой, проникает в трещины, растворяет их края, постепенно образуя небольшие углубления и промоины. С появлением направленного стока вод в промоинах и углублениях усиливаются процессы выщелачивания известняков, в результате образуется система борозд и желобков, разделенных узкими гребнями. Все эти формы и получили название
карров*.
Карстовые воронки представляют собой асимметричные чашеобразные углубления,
диаметр и глубина которых изменяются от единиц до десятков метров. Округлые, пологие и не особенно глубокие воронки называются долинами. Нередко на дне карстовых воронок и других форм карстового рельефа встречаются глубокие отверстия, называемые
понорами.Они представляют собой своеобразные вертикальные каналы,ведущие к подземным карстовым полостям внутри известнякового массива. Смыкаясь, друг с другом, поноры образуют более крупные формы поверхностного карста — котловины и полья. Последние могут возникать также в результате провала кровли пещер. В рельефе полья выделяются обширными размерами, имеют вид замкнутых впадин с крутыми бортами и относительно плоским дном. Нередко такие депрессии заполняются водой, образуя карстовые озера.
Подземные воды не только растворяют горные породы, но и разрушают их механическим путем, выносят твердые частицы. Процесс выноса подземными водами твердых частиц из различных пород называется механической суффозией*. Чаще всего суффозии подвергаются глины, пески, рыхлые песчаники; при этом водоносные слои уменьшаются в объеме и проседают.
Таким образом, в результате суффозии возникают пониженные формы рельефа на поверхности земли.
Осадки подземных вод.
Наряду с растворением и переносом отдельных твердых частиц подземные воды в благоприятных условиях откладывают осадки. Этот процесс может происходить как на земной поверхности у выходов источников, так и в пустотах пород водоносных пластов.
Отложение осадков — одна из важнейших форм геологической деятельности, совершаемой подземными водами.
Осадки, отлагаемые подземными водами на земной поверхности.
Среди осадков, которые откладываются подземными водами на поверхности, нужно назвать известковые и кремнистые туфы, поваренную соль, железные и марганцевые руды.
Осадки, откладываемые подземными водами в пустотах горных пород.
Из подземных вод, заполняющих мелкие пустоты, выделяются растворенные в них химические соединения, цементирующие галечники, щебень, пески и другие рыхлые породы. Цементирующим веществом при этом часто бывают СаСОз, SiO
2
×nH
2
O, FeCO
3
и др.
В результате цементации образуются новые породы — конгломераты, брекчии, песчаники и др. При цементации соли из растворов осаждаются в поровом пространстве между частицами осадка или породы.
97

Таким образом из рыхлых песков образуются известковые, кремнистые или железистые песчаники в зависимости от характера цемента, отложившегося между зернами породы. Цементация отложений минеральным веществом, выделившимся из подземных вод, может происходить на разных глубинах; ведущим фактором в этом про- цессе является высокая минерализация подземных вод.
Оползни
Смещения горных пород на крутых склонах бывают весьма различными как по характеру, так и по масштабу. В частности, выделяют мелкие смещения, или оплывины, крупные смещения, или оползни, и внезапные обрушения огромных массивов горных пород, или обвалы, которые обычно происходят в горных районах. Наибольшее значение имеют оползни, широко распространенные в природе.
Оползень —это естественное перемещение массивов горных пород под влиянием силы тяжести, в результате деятельности подземных вод и при наличии в разрезе горизонтов пластичных глин. В ненарушенном состоянии такие глины мало отличаются от обычных. Однако при механическом воздействии и увлажнении они приобретают высокую пластичность.
Рис. 39. Схема образования оползня.
Положение склона: а — до оползня; б —.после оползня. 1 — известняки; 2 — пески; 3 — глины. I
— первоначальное положение склона; II — ненарушенный склон; III — оползневые тела; IV — поверхности скольжения;
V — надоползневый уступ; VI — подошва оползня; VII — источник
Показанный на рис. 39 обрывистый склон сложен плотными и тяжелыми карбонатными породами. В основании склона обнажается водоносный горизонт с источником. Водоупором служат пластичные (плывунные) глины, которые под действием влаги и давления вышележащей толщи становятся «текучими». Из водоносного слоя в результате суффозии* водой выносятся мелкие частицы песка, в связи с чем склон медленно оседает. В этих условиях в какой-то момент породы, залегающие над водоносным слоем, под действием силы тяжести могут оторваться и сползти.
Поверхность, по которой происходит отрыв и смещение масс горных пород, получила название поверхности смещения, или скольжения. В результате оползания массивы горных пород разбиваются на отдельные глыбы, которые обычно называют оползневыми телами. Как правило, поверхность первоначального склона после оползания наклоняется в сторону, противоположную движению оползня. При этом стволы деревьев, постройки и т. д. наклоняются в ту же сторону
98

Гидрогеологическая классификация месторождений полезных ископаемых
Существует ряд классификаций месторождений полезных ископаемых по условиям обводненности. Рассмотрим одну из них. По этой классификации месторождения полезных ископаемых разбиты на 8 типов, в зависимости от характера и водообильности пород, слагающих кровлю и подошву полезного ископаемого.
I тип -месторождения,в разрезе которых широко развиты карстующиеся породы
(карбонатные и сульфатные). Такие месторождения характеризуются наиболее высокой водообильностью. К этому типу относится довольно много месторождений полезных ископаемых.
II тип -месторождения,располагающиеся в толщах несцементированных зернистых пород (песчаных, песчано-галечных и песчано-глинистых). Водообильность этих месторождений довольно высока и зависит от литологического состава пород, развитых в кровле и почве, так и от современных эрозионно-географических факторов. К этому типу относятся месторождения бурых углей, марганца, фосфоритов, золота, платины и др.
III тип-месторождения,в геологическом разрезе которых преобладают трещиноватые и в меньшей мере участвуют песчаные породы. Водообильность месторождений этого типа зависит от степени трещиноватости, количества рыхлых песчаных образований, а также от физико-географических условий.
IV тип-месторождения,приуроченные к скальным трещиноватым породам.
Водообильность месторождений данного типа обусловлена степенью трещиноватости и тектонической нарушенности пород, а также физико-географическими условиями.
К этому типу относятся слабообводненные месторождения цветных и редких металлов.
V тип -месторождения,с любым геологическим разрезом,расположенные на междуречных пространствах с относительно высокими абсолютными отметками или в горных районах с сильно расчлененным разрезом. Приток воды в выработки небольшой, и борьба с рудничными водами не представляет особых трудностей.
VI тип –соляные месторождения.Эти месторождения обычно не содержат воду.
Этосвязано со следующими причинами. Во-первых, соляные залежи характеризуются высокой пластичностью. Во-вторых, на соляных месторождениях полезное ископаемое часто покрывается мощными глинистыми толщами, предохраняющими его от размыва.
VII тип -месторождения,расположенные в толще многолетнемерзлых пород.
Большинство месторождений, разрабатываемых в этих районах, слабообводненные или сухие.
VIII тип –нефтяные и газовые месторождения.На этих месторождениях различают пластовые и подземные воды, распространенные по границам нефтяной залежи (краевые), и воды, подстилающие нефтяную залежь (подошвенные). Кроме того, в нефтяные и газовые месторождения проникают безнапорные и напорные воды кровли, а также напорные воды, залегающие ниже подошвенных вод, если они имеют высокий напор.
Гидрогеологические работы
Условия обводнения месторождений* полезных ископаемых
При разработке полезных ископаемых подземные воды часто создают серьезные помехи эксплуатационным работам. Такие воды называются шахтными или
рудничными.
Поступление подземных вод в горные выработки обусловливается рядом естественных и искусственных факторов. К естественным факторам обводнения относят: атмосферные осадки, просачивание воды из поверхностных водотоков и
99

водоемов, рельеф местности, литологический состав и строение вмещающих пород, глубину горных выработок; к искусственным: влияние затопленных выработок, натампонированных разведочных скважин; принятая система ведения горных работ.
Атмосферные осадки.Обводненность горных выработок при небольшой глубине залегания полезного ископаемого находится в прямой зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков. В открытые горные выработки (канавы, шурфы, карьеры) осадки поступают в виде поверхностного стока. При этом приток воды в горные выработки увеличивается на 30-40%, а иногда на 200-300% и более по сравнению со среднегодовым притоком.
Просачивание воды из поверхностных водостоков и водоемов.В данном случае обводненность горных выработок связана с просачиванием воды непосредственно из открытых водостоков или через аллювиальные отложения.
Рельеф местности. Обводненность горных выработок зависит в значительной мере от отношения их абсолютной высоты к местному базису эрозии и изрезанности рудного
(шахтного) поля овражно-балочной системой. Наименьшая обводненность характерна для горных выработок, приуроченных к водораздельным пространствам со слаборасчлененным рельефом и отсутствием обнажений коренных пород. И наоборот, сильно обводненными являются горные выработки, расположенные в долинах рек или под их руслами.
Литологический состав и строение вмещающих пород.Минеральный и зерновой составы горных пород, их пористость и пластичность в значительной мере предопределяют обводненность горных выработок. Так, повышенная обводненность характерна для месторождений, в геологическом разрезе которых широко развиты карстующиеся породы (известняки, гипсы, ангидриты) или рыхлые обломочные породы, легко пропускающие воду. Менее обводнены месторождения, сложенные пластами осадочных пород (песчаниками, аргиллитами, глинистыми сланцами).
Существенно влияет на степень обводненности тектоническое строение вмещающих пород, в первую очередь наличие на месторождении разрывных нарушений. При вскрытии горными выработками зон тектонических нарушений, особенно сбросов, раздвигов и т.д., отмечается сосредоточенное, иногда катастрофическое поступление воды в горные выработки.
Глубина горных выработок.По мере углубления горных выработок их обводненность может и уменьшаться, и увеличиваться, что зависит от степени трещиноватости горных пород, их литологического состава, вскрытия межпластовых, трещинных или других типов вод и т.д.
Влияние старых затопленных выработок. В старых заброшенных выработках нередко накапливаются значительные объемы подземных вод, которые могут прорваться в действующие горные выработки.
Влияние незатампонированных разведочных скважин. По окончании бурения каждая разведочная скважина обычно ликвидируется: из нее извлекают обсадные трубы, а скважину заполняют жирной глиной или цементом. Это делается для того, чтобы вода из водоносных горизонтов, залегающих среди пород кровли и подошвы полезного ископаемого, не смогла прорваться в горные выработки при их проведении.
Определение притоков воды в горные выработки и меры борьбы с подземными
водами.
Определение притоков воды и характера их поступления в горные выработки – это одна из важнейших задач шахтной (или рудничной) геологии. Именно на основании данных о режиме водопритоков намечают необходимые мероприятия по борьбе с подземными водами.
100

Вертикальные водозаборы любого назначения, вскрывающие грунтовые и безнапорные межпластовые воды, называются грунтовыми колодцами, а водозаборы, вскрывающие напорные воды, - артезианскими колодцами.
Вертикальные и горизонтальные водозаборы могут быть совершенными, если вскрывают водоносный горизонт по всей мощности, и несовершенными, если ими вскрывается только часть водоносного горизонта. Проведение горных пород в условиях обводненности невозможно без планового осуществления дренажных мероприятий, направленных, прежде всего на осушение разрабатываемых месторождений полезных ископаемых.
Осушение может быть предварительным и параллельным. Предварительное осушение выполняется при сложных гидрогеологических условиях, например при наличии в кровле и почве водоносных горизонтов. Параллельное осушение проводится при относительно простых гидрогеологических условиях и выполняется одновременно с проходкой горных выработок и добычей полезного ископаемого.
Гидрогеологические работы
К основным видам гидрогеологических работ относятся:
Определение глубины залегания подземных вод (в полевых условиях замеры производят глухарем-хлопушкой или гидравлическим свистком;
Изучение режима подземных вод (включающее наблюдение за изменениями основных показателей каждого водоносного горизонта - дебита, химического состава, температуры воды во времени);
Определение направления движения подземных вод; Определение скорости фильтрации (путем проведения индикаторных или геофизических методов).
Вопросы для самопроверки
1. В каких фазах находится вода в горных породах?
2. Что такое пористость и проницаемость и как делятся горные породы по этим признакам?
3. Как подразделяются подземные воды по происхождению и условиям залегания?
4. Чем отличаются грунтовые воды от артезианских?
5. Чем характеризуются воды нефтяных и газовых месторождений?
6. Что такое карст?
7. Что такое оползни?
8.
При каких условиях происходит обводнение месторождений полезных ископаемых?
9. Какими методами определяется приток воды в горные выработки?
10. Перечислите меры борьбы с подземными водами?
11. Перечислите, что относится к гидрогеологическим работам
101