Геология — наука о Земле. Лекция на тему "физико-геологические и инженерно-геологические процессы и явления" Происхождение подземных вод

Внешние (экзогенные) геологические процессы питаются энер­гией внешних источников и происходят на земной поверхности или на малых глубинах в земной коре. Основной энергетический источник – солнечная радиация. Следовательно, экзогенные про­цессы зависят от климата, изменяются по широте, долготе и вы­соте, по времени года и суток.

Внешние геологические процессы делят на две группы: про­цессы выветривания и работу внешних динамических агентов. К последним относят поверхностные и подземные воды, ветер, ледники.

Внешние процессы изменяют тектонические структуры, создан­ные внутренними силами Земли. Изменение достигается тремя видами работы: разрушением горных пород, переносом и нако­плением (аккумуляцией) обломков. Разрушаются положительные тектонические структуры: горно-складчатые массивы, щиты. Обу­словлено это силой тяжести: чем выше территория, тем больше скорость движения и сила внешнего агента. Обломки сносятся по склону в самые низкие места земной поверхности: межгорные и предгорные прогибы, озера и главное – моря. Велико влияние температуры – от нее зависит распространение вод, ветров, лед­ников.

Внешние агенты накапливают осадочные горные породы. Ра­ботой внешних агентов упрощается рельеф: высокие участки по­нижаются, обломки скапливаются у подножий – их поверхность поднимается. Разрушение (сглаживание) рельефа внешними аген­тами называют денудацией .

Выветривание – физико-химическое разрушение горных пород атмосферой, водами, живыми организмами. Выветривание делят на физическое, химическое и биологическое. Они действуют со­вместно, по-разному проявляясь в конкретных условиях.

Физическое выветривание – механическое дробление горных пород, формирующее угловатые обломки разных размеров: глыбы, щебень, песок, пыль. Физическое выветривание делят на морозное и температурное.

Морозное выветривание – разрушение горных пород замерзаю­щей в трещинах водой (при замерзании объем воды увеличивается на 10%). Процесс активен при частых переходах температуры через 0 °С, поэтому характерен умеренным и высоким широтам, высокогорьям.

Температурное (термическое ) выветривание – разрушение горных пород резкими перепадами температуры: породы не вы­держивают многократного расширения при нагреве и сжатия при охлаждении. Такой процесс характерен жарким пустыням.

Химическое выветривание – разрушение горных пород хими­ческими реакциями. Основной фактор – вода, содержащая рас­творенные газы, кислоты. Химическое выветривание ведет либо к изменению состава, либо к полному растворению пород. Среди продуктов важное место занимают мельчайшие глинистые части­цы. Наибольшая активность процессов во влажных тропиках.

Биологическое (органическое ) выветривание – разрушение по­род физико-химической деятельностью организмов.

Главный фактор выветривания – зонально меняющийся кли­мат, поэтому процессы выветривания распределяются зонально . В холодном климате высоких широт и засушливых пустынях го­сподствует физическое выветривание. В умеренном климате фи­зическое и химическое выветривание примерно равносильны. Во влажном и теплом климате низких широт преобладает химическое выветривание. Процессы выветривания формируют на поверхно­сти слой рыхлых горных пород – кору выветривания .

Деятельность внешних динамических агентов регламентирует­ся кинетической энергией: Е = mv2/2 . Поэтому характер произ­водимой работы (разрушение, перенос или накопление) больше зависит от скорости движения геологического агента, чем от его массы. Разрушение и перенос преобладают при высоких скоростях движения, аккумуляция начинается с падением скорости. Сразу накапливаются крупные частицы, а по мере затухания скорости – всё более мелкие.

Работа поверхностных текучих вод включает деятельность водотоков постоянных (рек) и временных.

Геологическая деятельность рек формирует речные долины. Речная долина – линейное углубление земной поверхности, соз­данное рекой. Состав речной долины: русло, пойма, склоны и над­пойменные террасы. Русло – низшая часть долины, по которой постоянно или с перерывами течет река. Пойма – нижняя часть речной долины, затапливаемая рекой при половодьях. Выше пой­мы расположены склоны долины. На склонах встречаются ступе­ни, вытянутые вдоль долины – надпойменные террасы .

Процессы работы рек, речные отложения и созданные реками формы рельефа называют аллювиальными .

Разрушительную работу водных потоков называют эрозией . Эрозия осуществляется ударами водных струй, переносимых об­ломков, растворением пород водой. Выделяют два типа эрозии: донную и боковую.

Донная (глубинная ) эрозия углубляет русло и речную до­лину. Она обусловлена силой тяжести, наиболее характерна гор­ным рекам и верховьям равнинных рек. Горные реки обладают огромной энергией, глубоко врезаются в земную поверхность и создают каньоны – глубокие, узкие и длинные долины с отвес­ными склонами. Величайший на Земле Большой Каньон создала река Колорадо – высота его стен превышает 2000 м, протяжен­ность 320 км. Если река течет через породы разной прочности, то скорость размыва неодинакова, и в русле возникают ступени. Падая со ступеней, вода бурлит и пенится. Невысокие ступени называют порогами , высокие – водопадами. Высочайший водопад планеты – Анхель (1054 м) – расположен на реке Чурун (прито­ке р. Ориноко). Один из широчайших водопадов – Ниагарский (р. Ниагара), разделенный островом Козьим на две части, сум­марная ширина которых 1300 м. Донная эрозия активизируется при понижении базиса эрозии – уровня поверхности, в которую впадает поток (озера, моря). В результате усиления размыва река углубляет долину и формирует надпойменные террасы. Нумеруют террасы снизу вверх (от молодых к древним).

Боковая эрозия ведет к размыву берегов – русло становится извилистым. Главный фактор боковой эрозии – ускорение Ко­риолиса, поэтому в Северном полушарии правые берега рек об­рывистые, а левые пологие. В Южном полушарии – наоборот. Боковая эрозия свойственна равнинным рекам. Петлевидные из­гибы речного русла называют излучинами (меандрами – в честь реки Мендерес на западе Турции). Со временем река прорывает перешеек между соседними излучинами. Вода устремляется в прямой и короткий участок нового русла, а отсеченная излучина превращается в озеро. Озера, возникшие на месте старого русла, называют старичными .

Транспортная работа рек заключается в переносе обломков. Твердый сток реки – масса обломков, вынесенных рекой за год. Мировой лидер твердого стока – р. Хуанхэ.

Аккумулирующая работа рек – накопление перенесенных об­ломков в устье и русле, а также, при половодьях, – на пойме реки.

Временные водотоки возникают при атмосферных осадках, таянии снега. Их работа активна на склонах, сложенных рыхлыми породами и не покрытых травой. Временные водотоки на равнинах образуют овраги – углубления с крутыми, лишенными раститель­ности склонами и узким дном. Овраги могут разветвляться, приоб­ретая древовидную форму. С прекращением роста оврага склоны осыпаются, выполаживаются, дно расширяется, развивается рас­тительность: овраг превращается в балку – ложбину с пологими задернованными склонами и плоским дном. В горах временные водотоки исключительно сильны, срывают и переносят огромные объемы горных пород – формируют селевые потоки (сели ). Выде­ляют три типа селей: водо-каменные, грязевые, грязе-каменные.

Главный вид геологической работы поверхностных стоячих вод (озер, болот, морей) – накопление на дне разнообразных ча­стиц, оседающих из водной толщи. В итоге водоемы мелеют, ис­чезают – земная поверхность выравнивается. На дне озер накапли­ваются мелкие частицы органического или минерального состава. Во влажном климате накапливаются глина , мергель (смесь глини­стых и известковых частиц), сапропель (органо-минеральный ил). В озерах засушливых территорий накапливаются соли (каменная, калийная, мирабилит). В болотах формируются залежи торфа , иногда – запасы лимонита (бедной железной руды).

Геологическая работа подземных вод проявляется в процес­сах карстовых и оползневых. Карст – растворение водой гор­ных пород с образованием подземных пещер или воронок на поверхности. Условия карста: выпадение атмосферных осадков и распространение на поверхности (или на небольшой глубине) водорастворимых пород (известняков, соли, гипса). Шире всего распространен известковый карст. Крупнейшая карстовая пещера Земли – Флинт-Мамонтова на востоке США (протяженность бо­лее 485 км). Оползень – быстрое скольжение отложений склона.

Оползни происходят на склонах, поверхность которых слагают рыхлые горные породы, а глубже лежат водоупорные (водонепро­ницаемые) породы. Обильные дожди или талые воды пропитывают рыхлые породы, поверхность водоупора смачивается и становится скользкой – исчезает сцепление между грунтами, и насыщенные влагой поверхностные слои срываются вниз.

Ледники в четвертичном периоде занимали огромные площади материков Северного полушария. Поэтому следы работы ледников распространены и в районах со­временного оледенения (полярных поясах и высокогорьях), и на равнинах умеренных широт.

Разрушительная работа активна при движении ледника. Лед­ник, сползая по горной долине, срывает и уносит рыхлые породы. В результате возникают троговые долины (троги ) – глубокие до­лины с отвесными скальными склонами и плоским дном. После таяния ледника дно трога может затопить море – так возникают фьорды . Вмерзшими в днище обломками ледник царапает и шли­фует выступы твердых пород, оставляя за собой сглаженный ре­льеф бараньих лбов и курчавых скал. Троговые долины, фьорды, бараньи лбы и курчавые скалы наиболее распространены в при­полярных областях: в Карелии, на Скандинавском полуострове. Переносимые ледником обломки горных пород называют мореной.

Аккумулятивная работа активна при таянии ледника. Прине­сенные обломки накапливаются самим ледником или его талыми водами. Ледники накапливают моренные отложения, в рельефе имеющие вид крутосклонных холмов, сросшихся в гряды. Материал морен не сортирован: есть и валуны, и пески, и глины. Талые ледниковые воды нака­пливают водно-ледниковые отложения, сложенные сортированны­ми (слоистыми) обломками, в основном – песками. За пределами морен потоки талых ледниковых вод накапливают потоково-ледниковые отложения, сложенные слоистыми песками. В рельефе они создают волнистые равнины, называемые зандровыми . Образуются также озерно-ледниковые отложения, сложенные горизонтально-слоистыми глинами и создающие в рельефе плоские равнины (По­лоцкая низина).

Работу ветра , ветровые отложения и формы рельефа назы­вают эоловыми. Эоловые процессы интенсивны, если раститель­ность скудная и на поверхности лежат рыхлые сухие пески, пыль. Такие условия характерны пустыням, песчаным берегам морей, крупных озер и рек.

Ветер разрушает двумя путями: выдуванием мелкозема и ис­тиранием встреченных препятствий переносимыми частицами. Ветровое выдувание – дефляция – формирует обширные углу­бления (котловины выдувания). Шлифовка скал переносимыми песчинками – корразия – создает скалы причудливых очертаний.

Ветровая аккумуляция формирует песчаные холмы с пологим наветренным склоном и крутым подветренным. Существуют две главных разновидности эоловых холмов: барханы и дюны. Бар­ханы – песчаные холмы, имеющие форму полумесяца, концы ко­торого направлены по ветру. Возникают барханы только в сухих пустынях, когда ветер долгое время несет сухой песок в одном на­правлении. Дюны также имеют форму полумесяца, однако «рога» дюн обращены в ту сторону, откуда дует ветер. Дюны возникают только на побережьях, где близко лежат грунтовые воды.

Экзогенные геологические процессы протекают в самых верхних частях земной коры или на ее поверхности и обусловлены лучистой энергией Солнца и силой тяжести.

Геологические агенты:

1. Выветривание.

2. Геологическая деятельность ветра.

3. Поверхностные воды:

а. дождевые и талые воды,

б. временные водотоки,

в. постоянные водотоки – реки,

г. озера, болота,

д. Мировой океан.

4. Подземные воды.

5. Геологическая деятельность ледников.

6. Геологическая деятельность человека (антропогенный фактор).

Виды работ, совершаемые геологическими агентами:

· разрушающая,

· транспортирующая,

· аккумулирующая.

Денудация – это совокупность процессов разрушения горных пород и переноса продуктов разрушения, вызванных и осуществляемых внешними геологическими агентами.

Денудация: площадная и локальная. Результат денудации:

· общее сглаживание рельефа местности,

· формирование денудационных равнин – пенепленов.

Выветривание

Выветривание – разрушения горных пород на месте их выхода под действием физических и химических процессов (колебания температуры, влажности, механические виды разрушения, взаимодействие каменных масс с активными химическими веществами: вода, кислород, углекислый газ, органические кислоты).

Иногда процессы действуют комплексно, иногда по отдельности. В зависимости от преобладания тех или иных процессов различают физическое, химическое и биологическое выветривание.

Продукты выветривания:

· элювий – продукты выветривания, которые остаются на месте своего образования (современные образования). Мощность от 1миллиметра до десятков метров.

· делювий - продукты выветривания (обломочный материал), перенесенный вниз по склону талыми и дождевыми водами. Залегает в виде шлейфа по склону у подножия. Характерна сортировка обломков и параллельная склону слоистость.

· коллювий - обломочный материал, перенесенный вниз по склону за счет силы тяжести. Характерно отсутствие окатанности и сортировки, образование осыпей в местах с расчлененным горным рельефом.

Кора выветривания – совокупность всех продуктов выветривания, как оставшихся на месте, так и перемещенных, но не потерявших связь с материнской породой. Мы могли наблюдать линейную кору выветривания, представленную очень светлыми, кремовыми, с розоватым оттенком породами, в которых явно просматривается первичная порфировая структура.

Почва – слой коры выветривания, обогащенный гумусом. По возрасту выделяют древнюю (обычно перекрыта более молодыми породами, источник полезных ископаемых) и современную почву. Мы наблюдали черноземные почвы по ходу маршрута №1 в т.н. 2 вблизи кладбища.

Физическое выветривание

Физическое выветривание вызывается разнообразными факторами. В зависимости от природы воздействующего фактора характер разрушения горных пород при физическом выветривании различен. В одних случаях процесс разрушения происходит внутри самой горной породы без участия внешнего механически действующего агента. Сюда относится изменение объема составных частей породы, вызываемое колебаниями температуры. Такое явление называется температурным выветриванием. В других случаях горные породы разрушаются под механическим воздействием посторонних агентов. Такой процесс может быть условно назван механическим выветриванием.

Механическое выветривание происходит под механическим воздействием посторонних агентов. Особенно большое разрушительное действие оказывает замерзание воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, а потом замерзает, она увеличивается в объеме на 9-10%, производя при этом огромное давление. Такая сила преодолевает сопротивление горных пород на разрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Наиболее интенсивное расклинивающее действие производит замерзающая вода в трещинах горных пород. Такое же механическое воздействие на горные породы оказывает корневая система деревьев и роющие животные.

Дезинтеграцию пород вызывает так же рост кристаллов в капиллярных трещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях сухого климата, где днем при сильном нагревании капиллярная вода подтягивается к поверхности испаряется, а соли, содержащиеся в ней кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов капиллярные трещины разрушаются, что приводит к нарушению монолитности горной породы и ее разрушению.

Химическое выветривание

Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания всегда в той или иной степени сопутствует химическое выветривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль. Это отражает тесную взаимосвязь различных форм единого процесса выветривания. Главными факторами химического выветривания являются:

· газы атмосферы: вода, кислород, углекислота,

· органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура, и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям.

Химическое выветривание происходит комплексно и всегда сопровождается коренным изменением состава минералов и замещением их новыми, в отличие от физического выветривания, при котором химический состав горных пород остается неизменным.

К процессам химического выветривания относятся окисление, гидратация, растворение и гидролиз.

Окисление

Окисление – переход одних соединений в другие, сопровождающийся присоединением кислорода.

Процессы окисления наиболее интенсивно протекают в минералах, содержащих закисные соединения железа, марганца и других элементов. Так, сульфиды в кислотной среде становятся не устойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, окислами и гидроокислами. Направленность этого процесса можно схематически изобразить следующим образом:

FeS 2 + nO 2 + mH 2 O → FeSO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 → Fe 2 O 3 ∙ H 2 O

пирит сульфат сульфат бурый железняк

закиси окиси (лимонит)

железа железа

Примером проявления физического и химического выветривания может послужить т.н. 9 – это обнажение кварцевых альбитофиров на левом берегу р. Шаты в 150 метрах от её устья вверх по течению. Кварцевые альбитофиры - это светло­-серые в свежем сколе породы, по трещинам сильно ожелезненные. Трещин настолько много, лимонита и гематита по трещинам тоже очень много, поэтому в целом всё обнажение выглядит не светло-серым, а ржаво-рыжим. Кварцевые альбитофиры – это стекловатые породы с большим количеством (до 2-3%) пирита (фото 3.1.1).

Фото 3.1.1. Физическое и химическое выветривание

Основные агенты здесь: сезонные и суточные колебания температуры, воздействие метеорных вод (дождевых), паводковых вод, действие солнечных лучей, расклинивающая деятельность корневой системы растений, окисление пирита, возникновение серной кислоты при преобразовании пирита и другие.

Гидратация

Гидратация – процесс поглощения или присоединения воды к минералам и образования новых водных соединений, который сопровождается увеличением объема породы и уменьшением плотности, при этом кристаллическая решетка не разрушается (гипс ↔ ангидрид).

Растворение

Растворение связано с воздействием на породы воды, в которой растворены активные ионы (Na + , K + , Mg 2+ , Ca 2+ , Cl - , SO 4 2- , HCO 3-). С растворением связано образование карстовых пещер.

Гидролиз

Гидролиз – процесс обменного разложения минералов под влиянием воды и углекислоты.

Биологическое выветривание

В сложных процессах химического разложения минералов и горных пород велика роль биосферы.

Разрушению пород способствуют разнообразные животные. Грызуны роют значительное количество нор, рогатый скот вытаптывает растительность, а черви и муравьи разрушают поверхностный слой почвы. Особенно сильно разрушение ведется микроорганизмами. Деятельность корневой системы деревьев не однозначна, она разрушает горную породу, а так же удерживает ее своими корнями.

Так, в т.н. 14 маршрута №2, расположенной на правом склоне долины р. Шата можно видеть небольшой овраг, рассекающий склон. Правый склон оврага закреплён корневой системой сосен. Густое переплетение корневой системы сдерживает рост оврага (фото 3.1.2).

Фото 3.1.2. Закрепляющая деятельность корневой системы сосен

3.3. Гравитационные и водно-гравитационные процессы

Гравитационные процессы - это процессы, происходящие за счет силы гравитации. Происходит сортировка обломков на склоне по принципу, чем больше и тяжелее обломок, тем ниже по склону он будет находиться.

Водно-гравитационные процессы - это процессы, совершенные водой под действием силы гравитации, например оползни.

Оползень - перемещение грунтовых или земляных масс по склону под действием силы тяжести, связанное в большинстве случаев с деятельностью подземных вод. Оползшую массу называют оползневым телом, а поверхность, по которой происходит передвижение его вниз - поверхностью скольжения или поверхностью смещения. Самой распространенной формой оползня является грязевой оползень, или обвал. Иногда его следы можно заметить на подмытом рекой обрывистом берегу, где пласт грунта отделился от основы. Крупный оползень способен привести к значительным изменениям рельефа.
При оползнях гравитация заставляет твердые породы сползать вниз по склону, изменяя рельеф местности. Основную массу оползня составляют обломки горных пород, образовавшиеся в результате выветривания. Вода действует как смазка, уменьшая трение между частицами.

Иногда оползни движутся медленно, а иногда со скоростью до 100 м/сек. и более (обвалы). Самый медленный оползень называют крипом. За год он проползает всего несколько сантиметров, и заметить его можно только через несколько лет, когда стены построек, заборы и деревья склонятся под напором ползущей земли.

Примером крипа может послужить маршрута №5 (фото 3.3.1). Он расположен в устье Гематитового оврага в 30 метрах от нашего лагеря в правом борту р. Шата. Здесь мы наблюдали так называемый «пьяный лес», который является признаком оползня.

Фото 3.3.1. Крип

Перенасыщенность почвы или глины водой может вызвать грязевой поток, или сель. Бывает, что земля годами прочно держится на месте, но достаточно небольшого подземного толчка, чтобы обрушить ее вниз по склону.

В горной местности оползшая вниз масса образует пологий склон у подножия горы. Многие горные склоны покрыты длинными языками щебнистых осыпей.

Эрозионные процессы

Эрозия - разрушение горных пород и почв под действием геологических агентов (водные потоки, ветер), включающее в себя отрыв и вынос обломков материала и сопровождающееся их отложением.

На первых этапах развития речных долин, а также в верхней части русла эрозионная деятельность наиболее активно проявляется. Выделяют два главных вида движения воды: ламинарное и турбулентное. Существует два типа речной эрозии: донная и боковая.

Донная эрозия, ведущая к углублению речной долины, преобладает в начале развития речной долины и всегда сочетается с пятящейся эрозией. Объясняется это тем, что, при одинаковом уклоне русла (а значит и скорости течения) в низовьях и верховьях, в силу большей массы воды близ устья здесь и эрозия будет максимальна. Следовательно, выработка профиля равновесия происходит от устья к истоку. В результате вертикальных движений земной коры и разной прочности размываемых пород в русле могут возникать пороги и водопады, которые получают рольместных (локальных) базисов эрозии. Относительно них река разбивается на самостоятельно развивающиеся участки, и единый для всего русла профиль равновесия сформируется только после срезания местных базисов эрозии. Вследствие донной эрозии возникает V-образный поперечный профиль речной долины. Такой профиль мы наблюдали по ходу маршрута у р. Ключ, р. Усолки (поперечный профиль с крутыми бортами) и р. Шаты, где профиль долины V-образный, в основном с крутыми бортами, но с невыработанным продольным профилем (рис. 3.4.1).

Рис. 3.4.1. V-образный поперечный профиль р. Ключ в среднем течении.

Боковая эрозия, заключающаяся в размыве берегов, наибольшее развитие получает в поздние этапы жизни речной долины, когда с приближением к профилю равновесия уменьшится скорость течения в нижней и средней частях русла. Основными причинами ее возникновения являются турбулентность течения и ускорение Кориолиса. Благодаря боковой эрозии русло изгибается, появляются излучины. Вогнутые берега излучин активно размываются, дно под ними углубляется. Близ противоположного выпуклого берега скорость потока минимальна, поэтому здесь происходит отложение переносимого рекой материала и формируются прирусловые отмели. Под действием боковой эрозии речная долина расширяется, ее поперечный профиль приобретает U-образную форму. U-образный поперечный профиль имеет р. Пышма, а возле плотины мы наблюдали боковую эрозию, в этом месте река изгибается (фото 3.4.1).

Фото 3.4.1. р. Пышма

Речная эрозия играет ведущую роль в образовании пенеплена - практически ровная, местами слабовсхолмлённая поверхность (денудационная равнина), которая образовывалась в результате разрушения старых гор длительной эрозией, называемой денудацией. (фото 3.4.2)

Фото 3.4.2. Пенеплен

Овражная эрозия – процесс линейного размыва временными водными потоками поверхности склонов, берегов рек, приводящий к образованию и развитию оврагов и расчленению ими территории. Зарождение оврага чаще всего происходит на перегибах склона и в нижней его части. Овражная эрозия в первом случае распространяется регрессивно (вверх по склону) и трансгрессивно (вниз по склону). При зарождении оврага в нижней части склона овражная эрозия распространяется только регрессивно; если овраг возник в верхней части склона, то преобладает трансгрессивная овражная эрозия. Бурное развитие овражной эрозии обусловливает быстрый рост оврага в длину и глубину и формирование отвершков.

Во время нашей практики в крутой излучине р. Шаты мы наблюдали смену растительности и овраг на границе этой смены. Также на правом берегу р. Шаты рядом с нашим лагерем мы видели овраг Гематитовый с двумя отвершками, заросший травой. Иногда на склонах растут сосны, корни которых сдерживают рост оврага. Рядом с автомобильным мостом через р. Пышму недалеко от Автозаправочной станции (АЗС) хорошо наблюдалась разрушающая работа временных водных потоков, которые размывали породу вдоль грунтовой дороги, образуя узкий каньон. При дальнейшем воздействии этот каньон может преобразоваться в овраг.

Геология - это , которая изучает , ее вещественный состав, структуру коры, процессы и историю. Геология объединяет большое количество наук, включая: минералогию, геологию полезных ископаемых, геофизику, геохимию, петрографию, геодинамику, палеонтологию, вулканологию, тектонику, стратиграфию и многое другое. Эта наука также включает изучение организмов, населявших нашу планету. Важной частью геологии является исследование того, как с течением времени изменялись структура, процессы, организмы и элементы Земли. Люди, изучающие геологию называются геологами.

Что делают геологи?

Геологи работают, чтобы лучше понять историю нашей планеты. Чем лучше мы знаем историю Земли, тем более точно сможем определить, как события и процессы из прошлого способны повлиять на будущее. Вот некоторые примеры:

• Геологи изучают земные процессы, такие как оползни, землетрясения, наводнения, извержения вулканов и т.п., которые могут быть опасны для людей.
• Геологи изучают Земли, многие из которых используются человечеством ежедневно.
• Геологи изучают историю Земли. Сегодня нас беспокоит и многие геологи работают над тем, чтобы узнать о прошлых климатических условиях Земли и о том, как они менялись со временем. Эта историческая информация позволяет понять, как меняется наш нынешний климат и каковы могут быть последствия для человечества от этих изменений.

Что изучает геология?

Основным объектом изучения геологии является земная кора, а также геологические процессы и история Земли:

Минералы

Минерал представляет собой природное химическое соединение, обычно кристаллическое и абиогенное (неорганическое) по происхождению. Минерал имеет один конкретный химический состав, тогда как камень может представлять собой совокупность различных минералов или минералоидов. Наука о минералах называется минералогией.

Существует более 5300 известных видов минералов. Силикатные минералы составляют более 90% земной коры. Кремний и кислород образовывают примерно 75% земной коры, что напрямую связано с преобладанием силикатных минералов.

Минералы отличаются химическими и физическими свойствами. Различия в химическом составе и кристаллической структуре позволяют распознавать виды, которые определялись геологической средой минерала при их формировании. Колебания в температуре, давлении или объемном составе горной массы вызывают изменения минералов.

Минералы можно описать по различным физическим свойствам, которые связаны с их химической структурой и составом. Общие отличительные признаки включают кристаллическую структуру, твердость, блеск, цвет, полосы, прочность, расщепление, переломы, вес, магнетизм, вкус, запах, радиоактивность, реакция на кислоту и т.д.

Минералы исключительной красоты и долговечности называются драгоценными камнями.

Горные породы

Горные породы представляют собой твердые смеси по меньшей мере одного минерала. В то время как минералы имеют кристаллы и химические формулы, породы характеризуются текстурой и минеральным составом. Исходя из этого, горные породы делятся на три группы: магматические горные породы (формируются при постепенном охлаждении магмы), метаморфические горные породы (образование происходит при изменении магматических и осадочных пород) и осадочные горные породы (образовываются при низких температурах и давлении, когда преобразовываются морские и континентальные осадки). Эти три основных типа пород участвуют в процессе, называемом круговоротом горных пород, который описывает трудоемкие переходы, как на поверхности, так и под землей, от одного типа породы к другому на протяжении длительных периодов геологического времени.

Горные породы являются экономически важными полезными ископаемыми. Уголь - это камень, который служит источником энергии. Другие типы пород используются в строительстве, включая камень, щебень и т.д. Третьи необходимы для изготовления инструментов, от каменных ножей наших предков до мела, используемого сегодня художниками.

Окаменелости

Окаменелости являются признаками живых существ, которые существовали очень давно. Они могут представлять отпечатки тел или даже продуктов жизнедеятельности организмов. Ископаемые также включают следы, норы, гнезда и другие косвенные признаки. Окаменелости являются ярким свидетельствованием ранней жизни на Земле. Геологи составили отчет о древней жизни, простирающейся на сотни миллионов лет.

Имеют практическое значение, потому что они изменяются на протяжении всего геологического времени. Совокупность окаменелостей служит для идентификации горных пород. Геологическая шкала времени основана почти исключительно на ископаемых останках и дополнена другими методами датирования. С ее помощью мы можем уверенно сравнивать осадочные породы со всего мира. Ископаемые окаменелости также являются ценными музейными экспонатами и предметами коллекционирования.

Формы рельефа, геологические структуры и карты

Формы во всем их разнообразии являются следствием круговорота горных пород. Они были сформированы эрозией и другими процессами. Формы рельефа дают информацию о том, как образовывалась и изменялась земная кора в геологическом прошлом, например, в ледниковом периоде.

Структура является важной частью изучения обнажения горных пород. Большинство частей земной коры деформированы, согнуты и искажены в некоторой степени. Геологические признаки этого - сочленения, разломы, текстуры пород и несоответствия помогают в оценке геологических структур, а также измерении склонов и ориентаций горных пород. Геологическая структура в недрах важна для водоснабжения.

Геологические карты представляют собой эффективную базу данных геологической информации о породах, рельефах и структуре.

Геологические процессы и угрозы

Геологические процессы приводят к круговороту горных пород, созданию структур и форм рельефа, а также окаменелостей. Они включают эрозию, осаждение, окаменелость, разломы, поднятие, метаморфизм и вулканизм.

Геологические опасные явления - мощные выражения геологических процессов. Оползни, извержения вулканов, землетрясения, цунами, изменение климата, наводнения и космические воздействия являются основными примерами угроз. Понимание основных геологических процессов может помочь человечеству уменьшить ущерб от геологических катастроф.

Тектоника и история Земли

Движение плит в Сан-Андреас

Тектоника - геологическая деятельность в самом крупном масштабе. Поскольку геологи отображали горные породы и изучали геологические особенности, и процессы, они начали поднимать и отвечать на вопросы о тектонике - жизненном цикле горных хребтов и вулканических цепей, движении континентов, о росте и снижении уровня , и о том, какие процессы происходят в ядре и . Тектоника плит объясняет как движутся литосферные плиты и позволила изучать нашу планету как единую структуру.

Геологическая история Земли - это история, которую рассказывают минералы, скалы, окаменелости, рельеф и тектоника. Исследования окаменелостей в сочетании с различными методами дают последовательную эволюционную историю жизни на Земле. (возраст окаменелостей) последних 542 миллионов лет хорошо отображен как время изобилия и и акцентирован . Предыдущие четыре миллиарда лет, были временем огромных изменений в атмосфере, океанах и континентах.

Роль геологии

Существует много причин, по которым геология важна для жизни и цивилизации. Подумайте о землетрясениях, оползнях, наводнениях, засухе, вулканической активности, океанских течениях, типах почвы, минералах (золото, серебро, уран) и т.д. - геологи изучают все эти понятия. Таким образом, изучение геологии играет важную роль в современной жизни и цивилизации.

Геология определяется как «научное исследование происхождения, истории и структуры Земли». Почти все, что мы используем в нашей жизни, имеет какое-то отношение к Земле. Дома, улицы, компьютеры, игрушки, инструменты и т.д. сделаны из природных ресурсов. Хотя Солнце является конечным источником энергии Земли, мы нуждаемся в дополнительной энергии, которая вырабатывается при сжигании природного газа, древесины и т.д. Геологическая наука имеет первостепенное значение для определения местоположения этих источников энергии Земли, а также объясняет как более эффективно извлечь их из недр планеты, с минимальными экономическими затратами и с наименьшим воздействием на окружающую среду. являются чрезвычайно важными для человечества, однако во многих частях мира существует недостаток пресной воды. Изучение геологии помогает находить водные источники, чтобы уменьшить влияние нехватки воды на людей.

Последствия катастрофического землетрясения в Сан-Франциско, США, в 1906 году

Изучение геологии также охватывает процессы Земли, которые могут повлиять на цивилизацию. Землетрясение способно уничтожить тысячи жизней за несколько минут. Кроме того, цунами, наводнения, оползни, засухи и вулканическая деятельность способны оказать огромное влияние на цивилизацию. Геологи изучают эти процессы, и в случае необходимости рекомендуют проводить определенные мероприятия по минимизации ущерба, если возникают такие события. Например, изучая закономерности наводнения рек, геологи могут рекомендовать избегать определенных областей при строительстве новых городов, чтобы предотвратить потенциальный ущерб. Сейсмология - раздел геологии - хотя и очень сложная область изучения, может помочь сохранить многие жизни, оценив, где есть наибольшая вероятность землетрясения (как правило, в линиях геологических разломов), и рекомендовать тип технологий, которые будут использоваться при строительстве зданий в этих уязвимых районах.

Многие предприятия для своей деятельности полагаются на информацию, полученную от геологов. Золото, алмазы, серебро, нефть, железо, алюминий и уголь являются природными ресурсами, которые широко используются в промышленности. Геологи и наука геология помогают в поиске этих и других ресурсов. Даже простой строительный материал, такой как песок, необходимо найти и добыть, а затем уже использовать при строительстве домов, предприятий, школ и т.д.

На самом деле геология еще не имеет широкого признания в современном мире, как, к примеру, генетика, химия и медицина. Тем не менее все жители нашей планеты зависят от природных ресурсов, найденных благодаря геологам и науке геологии. Таким образом, геология чрезвычайно важна и требует дальнейшего развития, и популяризации в обществе.

Тема 4. Экзогенные геологические процессы.

Выветривание как процесс разрушения и изменения горных пород и минералов. Типы выветривания и их агенты.

1.1.Физическое или механическое выветривание. Агенты: солнечная радиация, температурные колебания, трение, лёд, вода и ветер, земное притяжение.

1.2.Химическое выветривание. Агенты: вода, углекислый газ и кислород.

1.3.Биологическое выветривание. Агенты: живые организмы в т. ч. человек.

Кора выветривания – элювий. Продукты выветривания: обломки горных пород различных форм и размеров.

Процессы выветривания и образование почв.

Осадочные процессы. Денудация (удаление), транспортировка (перенос), седиментация (осаждение, накопление).

Геологическая деятельность ветра. Эоловые процессы. Корразия. Барханы, дюны. Геологическая деятельность поверхностных текучих вод. Эрозия почв. Пролювий. Овраг. Балка. Речной аллювий. Геологическая деятельность подземных вод. Карстовые процессы. Спелеология. Геологическая деятельность ледников. Морена. Геологическая деятельность океанов и морей. Абразия побережья. Геологическая деятельность биоорганизмов и человека. Формы антропогенного рельефа. Геологическое воздействие Космоса. Кометы. Метеориты. Силы притяжения Луны и Солнца.

Вопросы с ответами для участников геологической школы

Для обучающихся 5-6 классов

В какой части планеты Земля действуют экзогенные процессы?

На поверхности Земли. (1 б).

Тип выветривания – физическое или механическое (1 б). Агентом, вызывающим оползни и пр., является земное притяжение (1 б) (= сила тяжести).

Микроорганизмы выделяют в процессе жизнедеятельности органические кислоты, которые могут растворять поверхности пород, т. е. разрушать их (1 б).

В четвертичный период со Скандинавии ледник принес в своём теле разрушенные горные породы на территорию Тульского края. Здесь при таянии льда они остались в виде морены (1 б). Современные реки и ручьи размывают морену и мы видим валуны, гравий, песок. (1 б).

Одним из источников золота на земле являются кварцевые жилы, содержащие золото. Эти жилы образовались сотни миллионов лет тому назад и с тех пор подвергались выветриванию под действием тепла и холода, растений и животных, дождя и ветра, снега и льда. В результате богатые золотоносные жилы разрушились, кварцевая порода с золотом была смыта водой в реки (1 б). Мощные потоки воды во время сильных дождей создают непрерывное движение камней, разбивая и окатывая их и сортируя по размерам, формам и плотности. Золото, будучи значительно тяжелее многих других материалов, имеет тенденцию откладываться в определенных местах по движению потока. Такие отложения называются аллювиальными (1 б).

Это известный кратер на нашей планете Земля, но не вулканического происхождения, а какого?

Метеоритного (1 б).

Для обучающихся 7-8 классов

Какие геологические явления происходят из-за земного притяжения?

Оползни, обвалы, осыпи, лавины в горах, двигаются с гор ледники. (до 5 б). Плоскостной смыв и склоновая эрозия (осуществляются деятельностью текучих вод, подчиненных действию силы тяжести). (+2 б)

Луна и Солнце вызывают приливы и отливы в морях и океанах. (2 б). Земная кора приподнимается на несколько сантиметров в эти часы. (1 б).

Агентами химического выветривания являются: вода, углекислый газ и кислород. Из них в атмосфере образуется угольная кислота, которая при взаимодействии с известняком изменяет его. (1 б).

Кора выветривания – это толща материнских пород верхней части литосферы (магматических, метаморфических или осадочных), преобразованных в континентальных условиях различными агентами (факторами) выветривания. От коренных пород отличается рыхлой структурой и химическим составом (1 б).

За нижнюю границу коры выветривания следует принимать уровень грунтовых вод в данной местности (1 б). Корой выветривания можно считать осадочный чехол пород (1 б).

Пролювий (1,2) – скопления обломков пород, возникающие на склонах гор, в области конусов выноса и в устьевых частях горных оврагов в результате деятельности повторяющихся ливневых водотоков (до 2 б).

Делювий (3) – скопление рыхлых продуктов выветривания горных пород на склонах гор и возвышенностей. Делювий отличается от элювия тем, что его составные части не находятся на месте первоначального образования, а сползли или скатились под действием силы тяжести вниз. Все склоны покрыты более или менее толстым слоем делювия(1 б).

Осыпь (3,4) – скопление на склонах гор, холмов или у подножий скал обломков горных пород различного размера (до 2 б).

Курум (5) – скопление крупнообломочного каменного материала, медленно передвигающегося вниз по склону (1 б).

Аллювий (6) – обломочный материал, перенесенный и отложенный речным потоком (1 б).

Элювий – обломки, упавшие и накапливающие на ровных горизонтальных поверхностях.

На рисунке классификация типов скоплений: I– аллювиальные; II – делювиальные; III – элювиальные; 1 – русловые; 2 - косовые; 3 – долинные; 4 – террасовые;

Где образуются запасы песка? Когда они становятся дюнами, а когда барханами? Какие факторы выветривания участвуют в формировании барханов в пустынях и дюн на побережье морей?

Ответ:

Вода рек течёт к пониженным участкам рельефа, где образуются (озёра, моря). Течением воды переносятся разрушенные горные породы, в частности песок. В устье рек, на дне и в прибрежных участках водоёмов песок накапливается (1 б). В случае высыхания водоёма (озера или моря) полностью, образуется открытые запасы песка. Солнце (1 б) высушивает песок, ветер (1 б) переносит его на расстояние и откладывает заново в виде барханов. На берегах морей образуются дюны. Водой (1 б), волнами прибоя, песок выбрасывается на берег. Солнце (1 б) высушивает песок, ветер (1 б) переносит его на расстояние и откладывает заново в виде береговых дюн.

Для обучающихся 9-11 классов

Какие условия необходимы для схода оползня? Приведите примеры объёмных оползневых явлений в Тульской области.

Породы должны располагаться на склоне (1 б). Под пластом породы д. б. водоупорный слой, выходы воды, способствующие скольжению наклонённых пород (1 б). Крупные оползни на территории Тульской области происходят в долинах рек Оки, Упы, Беспуты, Вашаны; в овражно-балочной сети в Алексинском, Богородицком, Ясногорском, Ленинском и Щекинском районах (по 1 б, но не более 5 б). В книге В. Васильева и В. Федотова «Земля тульская» (Приокское книжное издательство. Тула. 1979) говорится о том, что оползневоактивными являются районы: Алексинский, Щекинский, Ясногорский, Ефремовский, Ленинский. К примеру, газета « Коммерсант» от 24. 04. 1999 г. сообщила о девяти оползнях в Белевском районе, причиной которых стал весенний паводок. Их размеры колебались от двух метров до километра, Без жилья остались 12 жителей Белева, так как оползень разрушил два дома на берегу подземной речки Белевки. Годом раньше оползень создал угрозу для трех домов в городе Липки Киреевского района. 01. 09. 2007 г. телеканал «Культура» сообщил об остановке оползня в на территории музея в Заокском районе области. Пришлось укреплять берег Оки с применением , убирая опасную породу склона и насыпая водопроницаемый песок. По сообщению регионального центра государственного мониторинга состояния недр по ЦФО РФ, в 2005 году на участке автодороги Богородицк - Товарково - Куркино вследствие развития оползня было разрушено полотно и насыпь. В 2007 г. в окрестностях Богородицка снова произошло два оползня, один протяженностью 200, а другой - 300 м. (в четырех километрах от Богородицка вновь началось движение грунта… В года здесь произошло два оползня протяженностью 200 и 300 метров... под угрозой оказалась система города). В2006 г. вновь отмечен оползень в г. Белев Тульской области. Участники экспедиции Академии Фундаментальных наук в Белевском районе утверждают, что древнее городище у деревни Рука наполовину уничтожено оползнем техногенного происхождения и ныне представляет собой рассеченный пополам овал из оплывших валов высотой 1 - 2,5 м. Оползни не обязательно представляют собой рыхлую глинисто - песчаную массу. На правобережье Оки у сел Троицкое, Вешняково, Коровино еще двадцать лет назад отмечено оползание коренных известковых пород, Оторвавшиеся глыбы известняка напоминают эрозионные останцы куполовидной формы. Относительно подошвы эти холмы поднимаются на 3 - 5 м. Многие туристы утверждают, что в овраге неподалеку от с. Монастырщина Кимовского района, близ впадения Непрядвы в Дон находится площадка, сформированная древним оползнем. 2008 года в печати появились сообщения о том, что при проведении на территории завод строительного кирпича», при монтаже трубопровода произошел оползень грунта в котловане, при котором один человек погиб. На юго-западной окраине Тулы стоит незаселенный многоэтажный жилой дом, поскольку грунты, на которых он был построен поползли вниз к основанию балки. Практически, в большей или меньшей степени оползни происходят по всей территории области.

При химическом выветривании происходит реакция окисления. Так, при окислении марказита кислородом воздуха образуется сернистый газ (двуокись серы) (1 б), который придаёт запах марказиту. В течение времени изменяется цвет поверхности марказита из-за образования на его поверхности корочки нового минерала коричневого цвета – лимонита (1 б) (оксида железа).

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 (1 б)

марказит + кислород = лимонит + сернистый газ

Почему почвы Тульской области в северо-западной её части малоплодородны (см. карты для формулирования ответа)?

Карта почв Тульской области Карта растительности Карта оледенений: I – Лихвинского и II - Днепровского

В северо-западной половине Тульской области почвы не столь плодородны потому, что на их образование оказали ледниковые отложения, бедные органикой (1 б).

Почвы любые, в т. ч. и тульские, создаются многими столетиями. Вода, ветер, ледники, переносят рыхлые и растворимые продукты. Одновременно с разрушением идёт и процесс накопления, или аккумуляция продуктов разрушения. Эти рыхлые осадки заселяют микроорганизмы, растения, животные. Далее в смеси рыхлых осадков начинает накапливаться органика, которая характеризует плодородие почвы. Чем больше в почве органических остатков, тем она плодороднее.

Различные типы почв Тульской области сформировались на определенных почвообразующих породах четвертичного периода. Почвообразующие породы оказывают большое влияние на происхождение и свойства почв. На валунных песках и моренных суглинках образовались дерново-подзолистые почвы; на тяжелых бескарбонатных покровных и частично моренных суглинках серые лесостепные; на карбонатных лессовидных суглинках черноземы.

Дерново-подзолистые (более 16 %) и серые лесные почвы (39,4 %) площади Тульской области распространены, главным образом, по правобережью Оки и ее притока Упы Они сформировались под смешанными лесами на древне-речных, водно-ледниковых супесчаных и суглинистых почвообразующих породах.

Чернозёмы Тульской области составляют 46,4 % ее территории. Их образование шло в результате отмирания густого покрова травянистой растительности, увеличения солнечной радиации и испаряемости при уменьшении атмосферных осадков. http://info. senatorvtule. ru

Значительное влияние на формирование современного рельефа Тульской области оказывает человек в процессе своей хозяйственной деятельности. С древнейших времен дошли до нас курганы, оборонительные валы, городища. Какие новые формы антропогенного рельефа можно увидеть в Тульской области? В какой части Тульской области в результате хозяйственной деятельности человека мало что сохранилось от природной поверхности?

В наши дни появились новые формы антропогенного рельефа: угольные копи, карьеры, терриконы, тоннели и пр., (до 5 б) возникшие при участии мощной горной техники. Обилие антропогенных форм рельефа в Тульской области сосредоточено в четырехугольнике городов Тула - Щекино - Богородицк - Кимовск, где практически от природной поверхности мало что сохранилось. (до 5 б) (Недра Тульской области, с. 93-95).

Ударная сила волн, трение песка и гальки (камней) о скальные прибрежные массивы, химическое воздействие морской воды (до 3 б).

Какие формы рельефа имеют место в Тульской области при карсте?

Карст на территории области наблюдается в различных формах: провальные воронки (поноры), котловины, балки, карстовые озера, исчезающие речки, карстовые западины, ниши и подземные пустоты (до 8 б).