Почвоведение и инженерная геология

1.1 Качественный состав земной коры.

Химические и физические свойства минералов. Состав и свойства горных пород

Размеры, строение и свойства Земли. Земля – одна из планет Солнечной системы. Она, как и другие планеты, имеет шарообразную форму. Однако Земля не точный шар, а несколько сплюснута в направлении полюсов. Такую форму называют сфероидом. Поскольку при изучении Земли учитывается не только ее сплющенность, но и все крупные неровности рельефа (глубочайшие океанические впадины, высокие горные хребты), то эту истинную неправильную геометрическую форму Земли называют геоидом.

Наиболее глубокие впадины океанического дна лежат на глубине более 11 000 м ниже уровня моря (Марианская впадина); наиболее высокие горные вершины поднимаются над уровнем моря до 8882 м (Джомолунгма).

Рисунок 1 – Строение Земли: А – земная кора; Б – верхняя мантия; В – мантия; Г – внешнее ядро; Д – внутреннее ядро

Геофизическими данными установлено, что Земля состоит из трех неоднородных по составу внутренних сфер неодинаковой толщины (рисунок 1): 1) земная кора – до глубины 50–70 км; 2) промежуточная оболочка, или мантия Земли, – до глубины 2900 км;

3) земное ядро, подразделяемое на внутреннее и внешнее, – от 2900 до 6380 км (рисунок 2).

Земная кора покрыта прерывистой водной оболочкой, называемой гидросферой. Над ней залегает воздушная оболочка – атмосфера. Ниже приводятся основные данные о Земле.

Состав и строение сфер Земли. Атмосфера – газообразная сфера Земли. В приземных слоях атмосферы содержится 78,08 % азота, 20,95 % кислорода, 0,9 % аргона, 0,03 % углекислого газа; остальную часть составляют неон, гелий, водяной пар и пыль и др. Верхняя граница атмосферы не определена. Атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно.

В атмосфере выделяют три концентрические оболочки: тропосферу – до высоты 8–15 км, стратосферу (слоистую оболочку) – от 8–15 до 100 км и ионосферу.

Атмосферные агенты: солнечные лучи, атмосферное электричество, температурные колебания, ветер, содержащийся в атмосфере водяной пар – проводят огромную геологическую работу. Она проявляется в процессах разрушения горных пород, транспортировке продуктов разрушения и их накоплении.

Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, озера, реки и ледяные покровы.

Основную массу гидросферы составляют соленые воды океанов и морей; на пресные воды континентов приходится лишь 0,3 % всей гидросферы. Из всех вод Земли пресной воды всего 3 %, да и то,2/3 ее пока недоступно человеку – это ледники.

Верхняя граница гидросферы намечается ясно: это поверхность океанов и морей. Нижняя граница более сложна и примерно совпадает с дном океанов и морей. Солей в гидросфере 5•1016 т. Средняя соленость Мирового океана принимается равной 3,5 %.

Море – чрезвычайно важный геологический агент в жизни Земли. Морская среда представляет мощный биохимический фактор, гигантское соляное месторождение. В море образовались многие горные осадочные породы и минералы (известняк, мел, нефть, фосфорит, глауконит, калийные соли). Морская вода – энергичный растворитель многочисленных горных пород и мощный фактор денудации.

Биосфера. Академик В.И. Вернадский назвал биосферу зоной жизни. В той или иной степени она представлена в атмосфере, гидросфере и земной коре.

Нижняя граница существования живых организмов определяется температурой и давлением. Жизнь на суше проникает на меньшую глубину, чем в океане, примерно на 2–3 км. В Тихом океане обнаружена разнообразная фауна даже на глубине около 11000 м. Это позволяет считать все глубины океана обитаемыми.

В состав организмов входит более 60 элементов. Академик А.П. Виноградов вычислил средний состав живого вещества суши. Оказалось, что организмы в основном состоят из О, Н, С, N. Са, Мg, К и т. д. – элементов, которые образуют твердые и газообразные соединения.

Роль организмов как концентраторов некоторых химических элементов весьма значительна: достаточно вспомнить концентрацию углерода в залежах торфа, угля, нефти; кальция и углерода – в известняках, меле; фосфора – в фосфоритах.

Велика также роль животных и растений в образовании почв, горных пород и различных полезных ископаемых.

Породообразующее значение таких животных организмов, как кораллы, фораминиферы, плеченогие, головоногие моллюски и другие, огромно.

Земная кора. При прохождении сейсмических (продольных и поперечных) волн в горных породах коры отчетливо выделяются два слоя, где резко изменяется скорость их распространения, – под материками на глубине 50–70 км и под океанами на глубине 3– 10 км. Этот раздел, где скорость продольных упругих колебаний резко возрастает от 6,9–7,4, до 8,0–8,2 км/с, получил наименование поверхности Мохоровичича (или Мохо) – по фамилии югославского ученого, впервые установившего это явление. Резкое изменение скорости прохождения волн на определенных глубинах указывает на границы перехода между какими-то (ученые еще не установили какими именно) уплотненными породами, подтверждая их слоистое строение.

Рисунок 2 – Геосферы Земли, выделяемые по скоростям распространения продольных сейсмических волн: 1 – земная кора; 2 – мантия; 3 – ядро

По геофизическим данным, в земной коре выделяют три основных слоя (рисунок 3):

1) осадочный чехол, состоящий из мягких слоистых пород со средней скоростью прохождения продольных сейсмических волн V – 1,0–4,0 км/с; 2) гранитный слой с V = 5,5–6,9 км/с; 3) «базальтовый» слой с V = 6,1–7,4 км/с.

Рисунок 3 – Строение наружной сферы Земли: 1 – гидросфера; 2 – осадочные породы; 3 – гранитный слой; 4 – базальтовый слой; 5 – магматические очаги; 6 – верхняя мантия (подкоровый субстрат); d – плотность, г/см3; V – скорость продольных волн, км/с

Осадочный слой, а иногда и гранитный, снаружи покрыт слоем почвы. Почвенный покров имеет ничтожную мощность: от 30 (зона тундры) до 160 см (зона черноземов). Образуется он в течение нескольких лет.

Первые два слоя имеют прерывистое залегание. Осадочный слой изучен неплохо, гранитный – слабее; «базальтовый» слой еще не исследован совсем. Гранитный слой образован плотными породами – гнейсами, габбро, различными сланцами; «базальтовый» – очень плотными породами магматического и метаморфического происхождения. Граница между осадочным чехлом и гранитным слоем четкая, между гранитным и «базальтовым» – нечеткая.

Выделяют два типа земной коры: океанический и материковый. Кора материкового типа состоит из гранитного слоя мощностью до 35 км, прикрытого в отдельных участках (прогибах) осадочным чехлом мощностью до 15–20 км и более. В океанической коре гранитный слой отсутствует, земная кора состоит только из одного базальтового слоя, прикрытого тонким слоем (менее 1 км) донных осадков.

Мантия и ядро. Под материками на глубине 50–70 км залегает верхняя мантия (V = 8,0–8,6 км/с), предположительно состоящая из пород, близких по составу к дунитам, перидотитам с плотностью 3,0–3,3 г/см3.

Сплошной расплавленной оболочки внутри Земли нет. Предполагается, что в верхней части мантии в различных районах на неодинаковой глубине имеется слой максимальных температур, так называемая астеносфера – волновод, где происходит частичное расплавление вещества.

Химический состав ядра неясен. Одни считают (В.А. Магницкий), что внешнее ядро по составу силикатное, внутреннее – железное, другие – что материал ядра по химическому составу идентичен составу мантии, но что это вещество находится в особом, как бы «металлизированном» состоянии. Сверхвысокое давление (порядка 303•106 кПа) внутри ядра задерживает плавление, придавая веществам свойства тяжелых металлов. Вещество внешнего земного ядра по чувствительности к сотрясениям обладает свойствами жидкости и ведет себя по отношению к сейсмическим колебаниям как жидкое тело, т. е. не передает их, однако по твердости ядро близко к стали и по многим механическим свойствам соответствует кристаллическому состоянию материи. Внутреннее ядро находится в твердом состоянии.

Практическому изучению доступна лишь ничтожная часть Земли. Самые глубокие буровые скважины достигают глубины 9159 м, а рудники – только 3800 м. До этих глубин возможно непосредственное изучение минералов, горных пород, а также температуры и давления. Из 89 известных на Земле химических элементов лишь 9 составляют основную часть земной коры (примерно 99 %). Эти же элементы преобладают в составе лунной коры и метеоритов (таблица 1).

Таблица 1 – Химический состав земной и лунной коры и метеоритов (массовые %)

(по Г. В. Войткевичу, 1971)

При общих чертах сходства земной и лунной коры имеются большие принципиальные отличия; на Луне мало алюминия и калия, но много железа, титана и кальция.

По главным химическим элементам, содержащимся в коре, – кремнию и алюминию верхнюю оболочку называют сиаль. Граница между гранитным слоем и сплошным базальтовым получила название раздела Конрада.

В зависимости от химических и физических свойств в коре выделяют ряд поясов. В верхнем поясе земной коры происходят процессы выветривания, в том числе окисления, гидратации и почвообразования. Химический состав почв зависит от химического состава земной коры.

Ниже расположен пояс цементации, в котором температура и давление выше и вещество коры цементируется и уплотняется. Полагают, что отдельные участки этого пояса находятся в расплавленном состоянии.

1. Что такое геология? 2. С какими науками геология тесно связана? 3. Назовите разделы геологии и покажите их значение для изучения почвоведения, основ земледелия, агрохимии. 4. Методы исследования в геологии. Что вы знаете об использовании искусственных спутников Земли и космических кораблей для получения новых данных о Земле? 5. Назовите оболочки геосферы, из которых состоит Земля. 6. Схематично зарисуйте расположение геосфер. 7. Что представляет собой Земля (по форме)? 8. Что такое геоид? 9. Какие элементы имеют особо важное значение в составе литосферы? 10. Как распределены суша и море на поверхности Земли? 11. Чем отличается материковая кора от океанической?

Физические и химические свойства и формы нахождения минералов в природе. Минералогия (от лат. minera – руда) изучает свойства слагающих земную кору минералов и разнообразные процессы, приводящие к их образованию.

Минералами называют природные химические соединения или самородные элементы, возникающие в результате разнообразных физико-химических процессов, происходящих в коре и на ее поверхности.

Большинство минералов – вещества твердые (кварц, полевой шпат и др.), но есть жидкие минералы (ртуть, вода, нефть) и газообразные (углекислота, сероводород и др.). В этой работе описываются лишь твердые минералы.

По И. Костову (1971), из 2000 известных минералов сравнительно немногие имеют широкое распространение в природе. Эти минералы, а их всего около 50, входят в состав многочисленных горных пород, многие из них содержатся в почве, оказывают влияние на ее физико-химические свойства, в том числе и на плодородие. Эти минералы называют минералами почвенного скелета.

Строение и особенности кристаллов. Все минералы отличаются друг от друга по физическим свойствам и химическому составу. Твердые минералы встречаются в природе в большинстве случаев в виде кристаллов, т. е. веществ, обладающих кристаллической структурой, в которой элементарные частицы (атомы, ионы или молекулы) расположены закономерно в узлах кристаллической решетки.

Кристаллы и кристаллические вещества изучает наука кристаллография.

Кристаллы часто имеют форму различных многогранников: кубов, призм, пирамид, тетраэдров, октаэдров и т. д.

Некоторые вещества характеризуются беспорядочным расположением частиц (молекул, атомов и ионов), т. е. отсутствием кристаллического строения. Такие вещества называют аморфными (стекло и др.). Аморфное состояние неустойчиво и с течением времени переходит в кристаллическое. Аморфный кремнезем – опал – имеет тенденцию к кристаллизации (переходит в кварц).

Дисперсные системы, состоящие из мельчайших тонкораспыленных частиц диаметром от 10– 4 до 10– 6 мм, получили название коллоидов. Таковы некоторые твердые природные гели, в которых дисперсионная среда (вода) занимает пространство между коллоидными частицами, например опал.

Физические свойства (твердость, теплопроводность, силы сцепления) аморфных веществ подобны свойствам жидкостей; они во всех направлениях одинаковы – аморфные вещества не обладают анизотропностью физических свойств.

Минералы, кристаллическое строение которых обнаруживается под микроскопом, называют скрытокристаллическими, их типичный представитель – халцедон. Кристаллические вещества обладают однородностью химического состава во всех частях кристалла или кристаллического индивидуума (например, зерна), а также способностью самоограняться, т. е. образовывать многогранники.

Каждый минерал обладает определенным химическим составом и имеет характерное для него внутреннее строение, от которого зависят его внешняя форма и свойства. Методы изучения и определения минералов весьма обширны: визуально или макроскопически минералы определяют в полевой обстановке по цвету, блеску, твердости, форме и т. п. Нередко в полевой обстановке используют и наиболее простые качественные реакции, частично с применением паяльной трубки.

При камеральной обработке собранных в поле образцов минералов и горных пород в лабораториях применяются точные методы: определяются оптические константы минералов, изучаются их кристаллографические свойства, радиоактивность, люминесценция, пьезоэлектрические и магнитные свойства, детально исследуется химический состав минералов при помощи химического и физического анализа, а также используются рентгеновский и различные термические методы.

Изоморфизм. Под изоморфизмом понимают способность элементов заменять друг друга в химических соединениях родственного состава. В этом случае кристаллическая решетка данного вещества допускает замену одних компонентов (например, Мg2+) другими (например, Fе2+). Два вещества могут заменять друг друга в том случае, если они обладают аналогичной химической формулой и соответственные ионы обоих веществ имеют одинаковые по знаку заряды, а размер ионов и степень поляризации их близки. Так, ионный радиус Мg2+ – 0,75•10- 10 м, Fе2+ – 0,79•10– 10 м, Fе3+ – 0,67•10– 10 м, А13+ – 0,57•10 - 10 м.

Изоморфные смеси широко распространены в природе, например Мg2SiO4 – форстерит и Fе2SiO4 – фаялит. Их изоморфная смесь представляет собой минерал оливин, широко встречающийся в природе: т Мg2SiO4 n Fе2SiO4. Все три минерала (форстерит, фаялит и оливин) кристаллизуются в ромбической сингонии.

Изоморфные замещения играют большую роль в образовании минералов и важны для формирования почв, в частности их минерального состава и плодородия.

Полиморфизм. Под этим явлением понимается способность одинаковых по химическому составу веществ образовывать различные структуры. Примерами полиморфных веществ могут быть алмаз (С – кубическая сингония) и графит (С – гексагональная сингония), пирит (FеS2 – кубическая) и марказит (FеS2 – ромбическая сингония). Очень трудно подыскать в природе пример столь большого отличия, какое существует между алмазом и графитом – двумя полиморфными модификациями углерода. Алмаз – самый твердый минерал (твердость 10), прозрачный, с сильным блеском, спайность совершенная, плохой проводник электричества; графит – мягкий, землистый (твердость 1–2), непрозрачный, черный, блеск металловидный, спайность весьма совершенная, хороший проводник электричества.

Псевдоморфизм. Псевдоморфозы возникают в результате замещения одного минерала другим с сохранением внешней формы замещаемых кристаллов или при последующем заполнении пустот, образовавшихся при выщелачивании минералов.

Различают псевдоморфозы превращения, вытеснения и выполнения. В первом случае минерал, слагающий псевдоморфозу, сохраняет часть элементов, входящих в состав замещенного минерала (например, псевдоморфозы лимонита по пириту). Лимонит в поверхностных условиях нередко встречается в виде хорошо образованных кристаллов – кубов и других многогранников. Эти формы ложные и представляют псевдоморфозы лимонита по пириту. Пирит (FеS2) постепенно переходит в лимонит (Fе2О3Н2О), при этом состав изменяется, а внешняя форма, характерная для пирита, сохраняется. Известны также псевдоморфозы лимонита по сидериту и т. д.

Псевдоморфозы выполнения образуются в результате заполнения новым веществом пустоты, образовавшейся в результате выщелачивания какого-либо минерала.

Образование минералов, горных пород и полезных ископаемых. Минералы образуются в разнообразных физикохимических и термодинамических обстановках. Но каждый конкретный минерал образуется только при определенной температуре, давлении, концентрации минерального вещества, поэтому и устойчив он только в определенных условиях, близких к тем, в которых он образовался. В другой обстановке минералы постепенно разрушаются, перерождаются, образуют разновидности или даже совершенно новые минеральные образования, устойчивые в новых условиях. Новые соединения, возникающие в горных породах при различных геологических процессах и производственной деятельности человека, влияют на плодородие почв. Сами горные породы при этом испытывают большие физические и химические изменения.

По условиям происхождения все минералы и горные породы подразделяют на три группы: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматическое происхождение. Образование магматических пород и минералов происходит при высокой температуре и обычно большом давлении. Вследствие расплавления пород за счет радиогенного тепла в небольших обособленных очагах на различных глубинах образуется магма – тестообразный расплав сложного силикатного состава, содержащий различные газы, пары воды и горячие водные растворы.

Расплав состоит из следующих условных компонентов – соединений SiO2, А12О3, Nа2О, МgО, СаО, FеО, Fе2О3) газов НF, НС1, Н2S, СО, СО2, летучих соединений В, F, S.

Осадочное (экзогенное) происхождение пород и минералов. Осадочный процесс породообразования называют осадочным литогенезом. В самой общей схеме этот сложный процесс протекает примерно так: выветривание → перенос → отложение (образование осадка) → диагенез (образование осадочной горной породы). Образовавшиеся таким путем минералы, горные породы и полезные ископаемые называют осадочными.

Осадконакопление (седиментация) происходит в поверхностных частях земной коры (как в морях, так и на суше) и на самой поверхности при невысоких температурах и давлении, близком к атмосферному, под влиянием физико-химических агентов атмосферы, гидросферы, земной коры и жизнедеятельности организмов.

Осадки могут быть обломочного, химического и биогенного происхождения.

1. Обломочные породы образуются в результате механического выветривания существовавших ранее горных пород; процесс происходит как на суше – поверхности материков, так и в водной среде, где откладывается разнообразный материал.