1.2. Общие сведения о строении Земли, верхней мантии и земной коры.

Общие сведения о строении земного шара.

Вид, условия залегания и свойства горных пород определяются условиями их образования с последующим воздействием на них уплотнения, выветривания, цементации и др. Поэтому наиболее оправданным путем изучения перечисленных вопросов инженерно-геологической оценки горных пород и грунтов является ознакомление с условиями их образования и воздействовавшими на них агентам, прямым образом связанными с жизнью земного шара.

Жизнь Земли как космического тела – планеты – определяетсяследующими основными факторами:

1) наличием отвердевшего покровного слоя, опоясывающего земной шар и называемого земной корой (литосфер а), сложенного твердыми породами;

2) относительно малой мощностью и жесткостью земной коры;

3) наличием и проявлением в недрах земного шара, под покровом земной коры сложных процессов, определяющих термический и физико-химический режим недр Земли;

4) воздействием на горные породы, слагающие земную кору и рельеф земли, различных физико-химических процессов, связанных с деятельностью атмосферы.

Возраст Земли как планеты оценивается в настоящее время в4,5—5 млрд. лет. Радиус земного шара определяется величиной порядка 6400 км. Мощность же земной коры в соответствии с данными геофизических исследований, в частности по изучению скорости прохождения через толщу земного шара сейсмических волн, не превосходит 30—40 км. В СССР (Кольский полуостров) и США предпринимаются попытки прямого определения мощности земной коры сверхглубокими буровыми скважинами; к 1980г. достигнута глубина порядка 10 км.

При такой малой мощности земная кора практически не может оказывать заметного сопротивления разнообразным деформациям, которым подвергался земной шар. Она пассивно деформируется, следуя за деформациями самого земного шара, вызываемыми процессами и явлениями, протекающими в его недрах, т. е. внутренними и в силу этого получившими название эндогенных.

Строение земного шара

По мере возрастания глубины давление в недрах Земли и связанная с ним температура непрерывно повышаются (до 5000°С). Центральная часть земного шара образует так называемое ядро (внутреннее и внешнее). Диаметр ядра около 3000км. Давление в нем достигает, по-видимому, 3,0—3,5 млн. атмосфер (0,3 —0,35 млн. МПа)

Известно, что плотность всего Земного шара, равная 5500кг/м³, значительно превышает объемную массу горных пород (2,5—2,8) кг/м³ , слагающих земную кору, и лишь в нижней части земной коры она повышается. При этом условии плотность центральной части Земли по подсчетам должна быть значительно выше и равняться 1200 кг/м³ т. е. быть близкой к плотности железа и никеля (Ре, N1). Эти данные подтверждаются и геофизическими наблюдениями.

Указанное обстоятельство в свое время дало повод предположить, что центральная часть земного шара (ядро) сложена из тяжелых элементов (N1, Ре, Мg), и материал в недрах Земли в силу царящих там высоких давлений и температуры находится в особом перегретом упругом цластическо-вязком состоянии. В настоящее время установлено, что ядро Земли пропускает продольные сейсмические колебания и непроходима для поперечных колебании. Это обстоятельство позволяет предполагать, что вещество ядра Земли, во всяком случае во внешней оболочке ядра, остающегося в своей центральной части твердым, находится в особом перегретом жидком состоянии.

Переходную зону от ядра Земли к земной коре составляет очень мощная оболочка Земли — м а н т и я, окутывающая ядро планеты. По скорости распространения сейсмических волн мантия делится на верхнюю и нижнюю. Предполагается, что мантия по химическому составу соответствует хорошо известной горной породе—базальту, который плотного состояния (верхняя мантия) с преобладанием в составе Si, Fе,Mgпереходит в более плотное глубинное (нижняя мантия) с составом Fе, Мg,Ni. Здесь находятся истоки катастрофических землетрясений.

Строение земной коры

Выше мантии следует земная кора – литосфера. Литосферу в свою очередь подразделяют на верхний гранитный пояс с преобладанием в его составе элементов Si, Al и Fе и на нижний базальтовый. Земная кора под океанами имеет иное строение, чем под континентами: она здесь тоньше и лишена верхнего гранитного пояса. Внешние слои земной коры сложены осадочными породами (например, глинами, песчаниками, известняками), образовавшимися в результате расчленения и разложения, в первую очередь, магматических пород с мощностью слоев в 4—10 км. Эти породы подстилаются толщей, так называемых метаморфических пород (различные сланцы, гнейсы, мрамор и т. д.) с мощностью порядка 5—10 км. Эти породы являются продуктами видоизменения магматических и осадочных пород под влиянием высоких температур и давления в процессах горообразования и вулканизма. Толща метаморфических пород наряду с гранитами представляет собой кристаллический фундамент материков.

Это наиболее древние из известных нам пород, возраст их превышает 3 млрд. лет. В ряде мест породы кристаллического фундамента обнажаются на поверхности Земли. Такие области именуются щитами. Известен Украинский щит (район Днепрогэса), Краевая зона Скандинавского щита захватывает граничные части Кольского полуострова и Карелии. Кристаллические породы вскрыты в районе Ленинграда на глубине 200 м, под Москвой на глубине 1600—1700 м и в районе Курской аномалии на глубине 50—290м.

Породы внешней оболочки земной коры представляют для инженерно-геологического анализа особый интерес, так как они во всех случаях оказываются в основании возводимых сооружений.

Тектонические явления и их роль в жизни Земли.

Иженерно-геологическую оценку горных пород и грунтов наиболее продуктивно производить путем ознакомления с условиями их образования и воздействия на них разнообразных агентов, прямым образом связанных с жизнью земного шара. Воздействие на горные породы и грунтыв покровных горизонтах земной коры экзогенных (внешних) агентов, подобных ветру, высокой и низкой температуре, атмосферных осадков,текучей воды и т. п. очевидно. Наряду с этим мы имеет ряд свидетельств о том, что в недрах Земли происходят интенсивные внутренние процессы (эндогенные). Они проявляются в виде грандиозных вулканических извержений, частых землетрясений (в год фиксируется до 100 тыс.землетрясений и в их числе до100 весьма сильных), с наступлением на сушу и с отходом морей, свидетельствующих об изменении времени высотного положения континентов и, что является, быть может, наиболее важным, вызывает разнообразие деформации земной коры и горообразования как результат проявления тектонических процессов и явлений.

О масштабах тектонических явлений можно судить по подъемам морских пород с остатками морских организмов на высоту до 4 км в Андах или по наличию плавникана морских террасах на высоте 400 м и более на Новой Земле. Горные цепи Кордильер и Анд, как складки смятой земной коры, протягиваются вдоль западного края Северной и Южной Америки более чем на 12 000 км с горными вершинами, превышающими5 км. Гора Джомолунгма в Гималаях достигает высоты почти 9 км

В геологическом прошлом огромные территории современной суши затапливались морями (морские трансгрессии). Примерно 100 млн. лет тому назад обширные территории юга европейской части Советского Союза вплоть до Москвы и Западной Европы (бассейн р. Сены и город Руан во Франции, г. Дувр в Англии) былизатоплены водами так называемого мелового моря. В дальнейшем этоморе отступило (процесс регрессии моря). Однако процесс погружения земной коры в пределах Западной Европы отмечается и внастоящее время, о чем свидетельствует наступление моря на низменные участки ее территории (Голландия, Франция). Устьевые участкии нижние течения многих рек Западной Европы остаются затопленными по сие время. Таково же происхождение и Черного моря.

Известны гигантские разломы земной коры на протяжении тысяч километров по дну Тихого, Атлантического и Индийского океанов («желоба») с наибольшими замеренными глубинами до 11 км. Эти разломы убедительно свидетельствуют о разрывах земной коры и смещения отдельных материковых блоков или литосферных плит. Эти явления отвечают теории крупномасштабных горизонтальных перемещений как континентальных (дрейф континентов), так и океанских блоковкоры. В пользу этой теории к настоящему времени накоплено немало доказательств. Предполагают, что плиты взаимноотчленяются глубокими разрывами - «желобами». При определенных условиях из недр Земли в зоны разрывов устремляются расплавы, расталкивающие плиты, лежащие в основании континентов, и вызывающие их смещение, т.е. дрейф. Предполагают, что таково происхождение, Среднеатлантического подводного хребта, обнаруженного в последние десятилетия.

С помощью гипотезы дрейфа можно объяснить и многие землетрясения и вулканические извержения, связанные с зонами разломов и разрывов плит, и сходство древних органических остатков на разных континентах, наличие богатых залежей угля вблизи северногои южного полюсов на Шпицбергене и в Антарктиде, а также магнитометрические исследованиегорных пород, свидетельствующие о миграций полюсов Земли. '

Однако эту гипотезу нельзя считать полностью обоснованной.

Следует отметить, что современный период жизни Земли соответствует эпохе относительного вулканического покоя. В геологическом прошлом Земли вулканические явления были колоссальными пo масштабам. Об этом можно судить по огромной величине покровов из магматических пород. Таков, например, базальтовый покров в Декане (Индия) мощностью в 3 км и площадью в 650 ООО км² или базальтовый покров в США (штаты Вашингтон и Орегон), который, при мощности в 1000—1500 м перекрывает площадь в 500000км².