120103 Лекции Геоморфология 2011

ЛЕКЦИЯ №1
Планеты солнечной системы и Луна. Вещественный состав земной коры.
1.1
Система наук о Земле. Место геологии и геоморфологии в системе наук о Земле.
Значение геоморфологии при топографо-геодезических исследованиях.
Геология и геоморфология входят в комплекс наук, изучающих Землю. Основным
объектом изучения геологии и геоморфологии является твердая оболочка Земли – литосфера.
Имея свой объект изучения и владея своими методами работы, геология и геоморфология тесно
связаны с другими науками, изучающими оболочки Земли: атмосферу (метеорология и
климатология), гидросферу (гидрология и гидрография), биосферу (геоботаника, зоогеография,
экология и др.), взаимосвязи этих оболочек (физическая география), размеры и форму Земли
(геодезия) и вопросы изображения ее поверхности на картах (картография).
Развиваясь в тесных взаимосвязях, друг с другом, геология и геоморфология имеют
каждая свои специальные объекты исследования. Геология изучает, главным образом,
литосферу (земную кору) и процессы ее развития, а геоморфология – рельеф поверхности
литосферы. Его происхождение, эволюцию и взаимосвязи с другими оболочками Земли.
Геология имеет глубокие исторические корни, и зародилась еще в древности как наука о
полезных ископаемых. Развитию геологии способствовали крупные работы по постройке
различных инженерных сооружений (особенно гидротехнических), которые начали проводиться
в различных странах еще много веков тому назад. К настоящему времени геология выделила
ряд специальных наук – минералогия, петрография, геохимия, геофизика и т.д.
Основы современной геоморфологии закладывались в процессе развития геологии и
общей физической географии, имеющей еще более древние исторические корни, чем геология в
ее современном понимании. Также и основы других современных наук о Земле (геодезия,
картография и др.) заложены были в глубокой древности общей физической географией. В
качестве самостоятельной науки современная геоморфология выделилась в конце XIX – начале
XX веков.
Имея свой объект исследования – рельеф Земли, геоморфология изучает его с различных
точек зрения (описание форм рельефа, их происхождение, размещение по земной поверхности,
развитие, отношение к тем или иным формам рельефа месторождений полезных ископаемых и
тд.), что приводит к выделению ряда направлений дальнейшего развития этой науки, например,
климатическая геоморфология, геоморфология морских берегов, дна и т.д.
Развитие современной геодезии, аэрофотогеодезии и картографии происходит в тесной
взаимосвязи с географией, геологией и геоморфологией.
В настоящее время точно установлено, что распределение масс в земной коре и даже в
более глубоких областях земного шара влияют на положение отвеса (следовательно, и на
установку геодезического инструмента), на уровень Мирового океана, от которого (как от
нуля)принято определять высоты и глубины. Распределение масс в недрах планеты влияет и на
движение ИСЗ, которые широко используются для геодезических целей.
Движение земной коры и изменения рельефа земной поверхности происходят
непрерывно. Иногда быстро, даже катастрофически; иногда медленно. Как резкие, так и
медленные изменения, происходящие в земной коре и на ее поверхности, часто выявляются при
работе геодезистов, могут быть обнаружены при оценке точности и качества выполненных
работ.
Проходка шахт, штолен, тоннелей и других подземных выработок не производится без
участия геодезистов. Во всех этих случаях геодезист сталкивается с необходимостью учета
влияния природных факторов, и в первую очередь – рельефа, геологического строения. Также в
создание карт необходимо правильное нанесение форм рельефа, их изображений на
аэрофотоснимках. Только хорошее знание и полное понимание особенностей геологического
строения, рельефа дают возможность составить карты, отвечающие высоким требованиям.
1.2 Геоморфологическое и геологическое изучение планет Солнечной системы и Луны.
Космические методы в исследовании планет и их спутников.
8 планет в Солнечной системе – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран,
Нептун. Плоскости орбит всех планет, за исключением Плутона почти совпадают. Теория О.Ю.
Шмидта о происхождении Земли.
Форма Земли – геоид. Радиус поперечный – 6356 км 862 м. Радиус экватора – 6378 км
245 м.
Обращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси.
Луна: отношение масс – 1:81,3. Среднее расстояние до Луны в 60 раз больше земного
радиуса, то есть около 383000 км. Приливы и отливы – их влияние на образование рельефа.
Расстояние до Солнца: перигелий 147 млн км, афелий – 152 млн км. Средняя скорость
Земли при вращении вокруг Солнца около 30 км/сек.
Космические исследования: 1ая Лунная экспедиция: июль 1969 г. с высадкой человека на
Луне. (Аппараты – «Луноход» - 1,2; корабли – Аполлон – 11,12,14-17. Межпланетные
исследования: «Марс» «Зонд»; в США – «Пионер», «Рейнджер», «Маринер».
В настоящее время готовится к запуску межпланетный корабль к Марсу.
Строение Земли по сферам!
1.3. Вещественный состав земной коры (элементы, минералы, горные породы).
На земном шаре наиболее распространены следующие 12 химических элементов: O2, H2,
Si, Al, Na, Mg, Ca, Fe, K, C и Ti, Cl. На их долю приходится 99,5% всех атомов земного
вещества. Что касается Солнца и звезд, то они почти целиком построены из водорода и гелия,
тогда как на Земле водород составляет лишь 17,5%. Следовательно, Земля – это не среднее тело
космоса, а своеобразная геохимическая аномалия с необычайно повышенным содержанием
тяжелых металлов, что, кстати, имеет огромное значение для развития и поддержания жизни в
биосфере.
Химические элементы, составляющие земную кору, находятся в различных сочетаниях
между собой и образуют минералы. Минералы группируются в естественные ассоциации,
называемые горными породами. Примеры минералов и горных пород! NaCl, гранит, известняк,
янтарь, нефть, торф, алмаз.
Минерал – природное химическое соединение, возникающее в результате физикохимических процессов, протекающих в литосфере, гидросфере, атмосфере, биосфере и в
результате взаимодействия между ними. Большинство минералов представлено твердыми
кристаллическими телами. Реже встречаются коллоиды, твердые изоморфные смеси, жидкие и
газообразные вещества. Последние к минералам относятся условно, так как в природе газы
представляют собой иногда сложные химические соединения.
В земной коре насчитывается несколько тысяч минералов, но широким
распространением пользуются лишь несколько десятков породообразующих минералов,
составляющих основную массу горных пород. Наука, изучающая минералы, называется
минералогией. Образование минералов связано с многочисленными и сложными процессами,
протекающими в земной коре и на ее поверхности. По источнику энергии, за счет которой
происходят эти процессы, образовавшиеся минералы можно подразделить на две главные
группы: эндогенные, формирующиеся внутри Земли при высоких температурах и давлении, и
экзогенные, образующиеся на поверхности Земли в условиях низкого давления и низких
температур. В первом случае образование минералов может происходить при застывании магмы
(магматический тип генезиса), в результате процессов метаморфизма (метаморфический тип
генезиса) и путем минералообразования из перегретых растворов, газов и паров
(гидротермальный и пневматолитовый типы). Во втором случае минералы образуются при
процессах, полностью зависящих от энергии Солнца. Носящих название гипергенных. К ним
относятся:
1) минералы, образующиеся в зоне выветривания, где в результате разнообразных
процессов происходит механическое разрушение пород – физическое выветривание и
преобразование химического состава пород – химическое выветривание;
2) минералы, образованные в морях и озерах, в условиях усиленного испарения воды и
концентрации в ней растворенных солей, выпадающих в осадок;
3) минералы, возникновение которых на какой-то стадии образования связано с
жизнедеятельностью живых организмов (минералы органического происхождения – биолиты).
1.4. Геологические, геоморфологические, тектонические и инженерно-геологические
карты и построения по ним профилей. Геоморфологическое дешифрирование аэрофотоснимков.
Среди карт, отражающих природные явления, одно из первых мест занимают
геологические карты, создаваемые во время геологической съемки. Геологическая карта дает
представление о геологическом строении участка земной поверхности и по существу является
вертикальной проекцией выходов коренных пород, нанесенных на топографическую основу
определенного масштаба. Геологическая карта является основой для всех других карт,
составляемых при комплексном геологическом картировании. Геологическим разрезом
(профилем) называется изображение последовательности направления и структуры слоев
поверхностных частей земной коры в вертикальном сечении.
ЛЕКЦИЯ №2
Морфология, морфография и морфометрия. Формы и элементы форм рельефа.
Современный рельеф литосферы образовался в результате длительного и сложного
развития Земли и ее геосфер в прошлом, подвергается сложным изменениям в настоящее время
и, несомненно, будет развиваться и изменяться в будущем. Формы рельефа своими
особенностями и размерами отражают весь ход взаимодействия литосферы с атмосферой.
Возникая в основных своих крупнейших формах под действием внутренних сил Земли, рельеф
вместе с тем является той ареной, на которой разыгрывается борьба этих сил с силами
внешними.
Взаимосвязь рельефа с внешними геосферами и взаимодействия между внутренними и
внешними силами сложны и многообразны, они нуждаются в глубоком изучении. Задача
геоморфологии – всестороннее изучение рельефа. Итак, под рельефом, как объектом изучения
геоморфологии, следует понимать совокупность всех форм поверхности литосферы
(выпуклостей, вогнутостей и равнин) различного геологического строения и происхождения в
сложных сочетаниях друг с другом и в сложных взаимодействиях с окружающей средой.
Формами рельефа можно назвать природные тела, слагающие рельеф. Эти тела состоят
из элементов, которыми являются точки, линии и поверхности, ограничивающие формы
рельефа. К ним относятся: вершины, седловины (перевалы), линии водоразделов, линии
тальвегов, линии вгибов и бровок, линии подошвы скатов и ребра.
Формы рельефа можно подразделить:
1) по внешним признакам;
2) по сложности;
3) по размерам;
4) по происхождению (генезису).
Если первые приимеют вспомогательное значение, то последнее подразделение является
основным, которым и пользуются в ходе геоморфологических исследований.
По внешним признакам формы рельефа делятся на положительные и отрицательные с
одновременным подразделением каждой группы на формы замкнутые и незамкнутые. Если
форма рельефа образует выпуклость ее называют положительной; если представляет собой
вогнутость – отрицательной.
Замкнутыми формами рельефа считают те, которые ограничены со всех сторон склонами
или линиями (подошвенной бровок, водораздельной). Примером замкнутых форм рельефа могут
служить гора, имеющая ограничивающие ее склоны и отчетливо выраженную линию, карстовая
воронка, часто отчетливо ограниченная замкнутой линией бровки. Незамкнутые формы рельефа
обычно лишены склонов с одной или даже двух сторон. Типичной формой такого вида может
служить овраг, ограниченный с трех сторон склонами, имеющими отчетливо выраженные линии
бровок.
По сложности формы рельефа делятся на простые и сложные. Простые формы отличаются
небольшими размерами, не включают других форм. Пример: курганы, промоины.
Сложные формы рельефа могут быть различных размеров и состоять из разнообразных
сочетаний простых форм, имеющих часто различное происхождение. Например, долина больших
рек. Представляя собой отрицательную незамкнутую сложную форму рельефа, долина реки
включает ряд разнообразных простых форм и их комплексов. Это – прирусловые валы, речные
террасы, промоины и овраги на склонах и т.д.
Положительные формы рельефа.
Курган – изолированная возвышенность, высотой до 50 м, замкнутая форма рельефа,
насыпанная человеком.
Бугор – изолированная куполообразная возвышенность с резко выраженной подошвенной
линией и относительной высотой до 100 метров. Склоны бугров имеют крутизну до 250,
вершины обычно плоские или слабо выпуклые.
Кочки – мелкие формы рельефа, сходные с буграми, но имеющие высоту не более 1,0-1,5
метров.
Холм – изолированная куполообразная, реже коническая возвышенность с пологими
склонами и слабо выраженной линей. Вершины холмов бывают острые, округлые и плоские.
Относительная высота холмов до 200 метров.
Увал – вытянутая возвышенность значительной длины (до 10-15 км) с пологими склонами
, со слабо выраженной подошвенной линией. Вершинные поверхности увалов плоские или слегка
выпуклые. Увалы являются замкнутыми формами рельефа, простыми или сложными и имеют
относительную высоту до 200 метров.
Гряда – часто узкая, вытянутая возвышенность с крутизной склонов 20 0 и больше. Гряды
имеют плоские или округлые вершинные поверхности и резко выраженные подошвенные линии.
Относительная высота гряд не более 200 метров. Гряды – замкнутые формы рельефа, простые и
сложные.
Плато – возвышенная равнина, ограниченная хорошо выраженными склонами, нередко
обрывистыми или сложной формы; оно представляет сложную замкнутую форму рельефа.
Обычно плато бывает сложено горизонтально залегающими слоями горных пород. Поверхность
плато бывает ровной, волнистой, холмистой и часто значительно расчленена отрицательными
формами рельефа (Плато Путорана).
Плоскогорье – очень сложная форма рельефа с абсолютными отметками более 500 метров
и отрицательной глубиной расчленения более 200 метров. Представляет собой обширную по
площади нагорную равнину с обширными плоскими вершинами поверхностями положительных
форм рельефа. Может быть сложено и горизонтальными, и сильно дислоцированными слоями.
Ограничено хорошо выраженными склонами (Средне- Сибирское плоскогорье).
Гора – изолированная положительная форма рельефа с относительной высотой более 200
метров, большей частью с крутыми склонами различной формы и резко выраженной
подошвенной линией. Вершинные поверхности гор могут быть плоские, конические,
пирамидальные и т.д. Гора является замкнутой формой рельефа, может быть простой и чаще
сложной.
Горный хребет – вытянутая, значительная по длине возвышенность, имеющая
относительную высоту более 200 метров и крутые склоны. Резко выраженная вершинная
поверхность называется гребнем. Являясь сложной формой рельефа, горный хребет часто
осложнен скалистыми выходами на гребне и склонах.
Горный кряж – невысокий горный хребет с пологими склонами и плоской или
слабовыпуклой вершиной поверхностью. Кряжи часто состоят из нескольких хребтов
(Енисейский кряж).
Нагорье – очень сложная форма, сильно возвышенная над уровнем моря и прилежащими
пространствами, включает сложные системы горных хребтов., вершин и т.п. форм горного
рельефа (Тувинское нагорье).
Отрицательные формы рельефа.
Лощина, или ложбина стока – вытянутое углубление, имеющее с трех сторон пологие,
обычно покрытые растительностью склоны, открытое в сторону общего наклона местности.
Бровки лощин обычно выражены неясно. Лощина является простой незамкнутой формой
рельефа и имеет небольшую глубину (до нескольких метров) и незначительную протяженность
(до 200-500 м).
Промоина – вытянутое углубление, имеющее небольшую глубину (от 0,1 до 1-2 м) и
ширину (от 0,3 до 4-5 м) и открытое в сторону общего уклона местности. Длина промоины
незначительна (от 2-4 до 10-20 м); в верхнем конце промоина замыкается. Склоны промоины
крутые, обнаженные и имеют резко выраженную бровку. Промоина относится к простым
формам рельефа.
Овраг – вытянутое углубление, открытое, постепенно расширяющееся и имеющее уклон в
сторону общего уклона местности. Глубина оврагов до 50 м, длина может достигать нескольких
километров. Склоны крутые, местами отвесные, лишены растительности, имеют отчетливо
выраженную бровку.
Балка – вытянутое углубление, имеющее пологие, покрытые растительностью склоны,
открытое в сторону общего уклона местности. Бровка склонов выражена отчетливо. Длина балок
может достигать нескольких километров. Глубина и ширина различны. Большие балки
представляют собой сложные формы рельефа.
Долина – вытянутая, незамкнутая (кроме отдельных случаев), имеющая уклон в одну
сторону – сложная форма рельефа. Склоны долин имеют различную крутизну и часто осложнены
террасами, оврагами, оползнями и промоинами. Дно долин может иметь, различную ширину и
часто осложнено валами, грядами и т.п. Длина долин может достигать сотен и тысяч
километров. При встрече долины не пересекаются, а сливаются в одну общую. Долины, по
которым протекают реки, называются речными, а лишенные рек – сухими.
Котловина, или впадина – понижение, замкнутое со всех сторон и имеющее склоны
разной крутизны и формы. Форма и размеры котловин могут быть различны: небольшие, с
пологими склонами называются блюдцами или западинами; большие могут быть огромных
размеров, например, впадина Атлантического океана.
Желоба (глубоководные желоба) – узкие, сильно вытянутые в длину и глубокие
понижения дна морей и океанов, являющиеся обычно местами наибольших глубин (Марианский,
Яванский и др.). Приведенная классификация форм рельефа носит название морфографической.
Изучение форм рельефа с точки зрения их размеров называется морфометрией.
По размерам формы рельефа можно подразделить на следующие:
1) величайшие (планетарные) формы рельефа: горизонтальные размеры – миллионы км2.
По вертикали средняя разница в отметках между отрицательными и положительными формами
рельефа достигает 2500-6500 м, а максимальная около 20000 м. Положительные формы –
материки, отрицательные – впадины океанов. Масштаб 1: 50000000;
2) крупнейшие (места) формы рельефа. Горизонтальные размеры – десятки и сотни тысяч
2
км . По вертикали разница в отметках между положительными и отрицательными формами
рельефа достигает 500-4000 м, максимальная не более 11000 м. Положительные формы –
нагорья, горные страны. Отрицательные – обширные впадины и котловины на дне океанов.
Масштаб 1: 000000;
3) крупные (макро) формы рельефа. Горизонтальные размеры – десятки, сотни, тысячи
км2. По вертикали – 200-2000 м. Положительные формы – горные хребты, горные узлы,
вершины. Отрицательные формы – большие долины, впадины типа впадина оз. Байкал. Масштаб
1: 100000;
4) средние (мезо) формы рельефа. Горизонтальные размеры – сотни и тысячи м2.
Относительная разница высот – 200-300 м, но обычно измеряется метрами и десятками метров.
Положительные формы рельефа – холмы, террасы в долинах крупных рек. Отрицательные
формы – большие карстовые воронки, овраги балки. Масштаб 1: 50000;
5) мелкие (микро) формы рельефа. Горизонтальные размеры определяются квадратными
метрами и сотнями м2. Относительная разница высот – метры, реже – десятки метров.
Положительные формы – бугры, дорожные насыпи, курганы. Отрицательные – промоины,
мелкие овраги, дорожные выемки и т.д. Масштаб 1: 25000 (для деталей – 1: 10000 и даже 1:
5000);
6) очень мелкие (нано) формы рельефа. Горизонтальные размеры определяются дм2 и м2.
Относительная высота определяется дециметрами, но может достигать 1-2 м. Положительные
формы – кочки, отрицательные – рытвины, мелкие промоины.
7) мельчайшие (топографическая шероховатость) формы рельефа. Горизонтальные
размеры – см2. Относительное превышение измеряется сантиметрами, реже – дециметрами. На
картах не изображаются, но ощутимы при точных геодезических работах.
Морфогенез. По происхождению формы рельефа подразделяются на две большие
группы:
1) формы рельефа, обусловленные деятельностью внутренних (эндогенных) сил;
2) формы рельефа, обусловленные деятельностью внешних (экзогенных) сил.
Первые, в свою очередь, могут быть подразделены на:
а) формы рельефа, обусловленные движениями земной коры;
б) формы рельефа, обусловленные процессами магматическими (вулканическими).
Вторые можно подразделить на формы рельефа обусловленные:
а) процессами выветривания;
б) деятельностью текущих вод; подземных вод; моря; снега и льда; ветра; развитием
вечной мерзлоты; деятельностью организмов, человека.
Денудация и аккумуляция. Денудация (лат. – обнажение) – совокупность процессов
разрушения (выветривания) горных пород и переноса с возвышенностей продуктов
выветривания (ветром, водой, льдом, силой гравитации) в пониженные участки рельефа.
Денудация приводит к постепенному выравниванию рельефа и обнажению на возвышенных
участках более древних горных пород.
Аккумуляция (лат. – накопление) – накопление на поверхности суши, на дне водного
бассейна или реки минеральных веществ или органических остатков; в гидрогеологии –
накопление подземных вод.
ЛЕКЦИЯ №3
Распределение суши и моря. Наличие высоких гор и глубоких впадин, активный
вулканизм, сильные землетрясения дают возможность предположить, что наша планета
переживает период обострения борьбы внешних и внутренних сил, причем внутренние силы на
некоторое время взяли перевес и воздвигли крупнейшие формы рельефа, для разрушения
которых внешним силам потребуется длительное время.
На современном этапе развития Земли моря и океаны занимают 71% (361 млн. км2), а
суша 29% (149 млн. км2). Суша и море распределены на поверхности Земли неравномерно. В
северном полушарии суша занимает 39,4% от площади полушария, в южном – 19%.
Если высоты материков (континентов) и глубины океанов выразить графически в
качестве различных ступеней в общем рельефе Земли, то получим так называемую
гипсографическую кривую земного шара. На горизонтальной оси в млн. км2 откладываются
площади, занятые горами, возвышенностями, низменностями и т.д.
По вертикальной оси соответственно высоты и глубины, где за нуль принят уровень
Мирового
океана.
Положение кривой определяется по месту пересечения перпендикуляров,
восстановленных к осям координат в соответствующих точках. Данная кривая позволяет делать
много расчетов – определять средние высоты суши, средние глубины океанов, сравнивать
площади, занятые горами, впадинами, вычислять объемы гор, поднятых над средним уровнем
суши и т.д. Расчеты эти делаются для любого участка суши и это необходимо учитывать при
планировании и проведении полевых топографо-геодезических работ.
Эндогенные процессы их рельефообразующие значения.
Процессы, происходящие на поверхности и в недрах Земли и изменяющие ее состав,
структуру, рельеф и глубинное строение, называются геологическими.
Различают экзогенные и эндогенные геологические процессы. Экзогенные процессы
происходят на поверхности Земли и в самых верхних частях земной коры и вызываются
главным образом, энергией солнечной радиации, силой тяжести Земли, силами притяжения
Луны и Солнца, жизнедеятельностью организмов. Экзогенные процессы проявляются в
разрушении горных пород под влиянием различных факторов (изменения t0, растворения,
окисления, действия организмов и т.д.); в перемещении продуктов разрушения под действием
силы тяжести, посредством движущейся воды, ледников, ветра; в образовании новых осадочных
пород.
Эндогенные процессы вызываются в основном внутренними силами Земли – энергией,
выделяемой при преобразовании вещества Земли (радиоактивный распад элементов и т.д.),
силой тяжести и силами возникающими при вращении Земли. С эндогенными процессами
связаны движения земной коры (землетрясения, медленные опускания и подъем отдельных
участков земной коры и др.), образование главных элементов рельефа Земли (материков, гор,
океанических впадин), магматические и вулканические явления, метаморфизм горных пород.
Итак, к основным проявлениям процессов внутренней динамики Земли относятся
тектонические нарушения, колебательные движения земной коры, землетрясения, магматизм и
метаморфизм.
Тектонические нарушения. Морские осадки и образующиеся из них в результате
диагенеза осадочные горные породы первоначально залегают в виде горизонтальных или почти
горизонтальных слоев. В большинстве случаев в связи с движениями земной коры
горизонтальное залегание слоев осадочных пород нарушается. Движения, связанные с
перемещением материка под влиянием внутренних сил, в том числе силы тяжести, и
вызывающие изменение форм залегания горных пород, называются тектоническими.
Возникающие при таких движениях изменения первоначальных форм залегания горных пород
называются тектоническими нарушениями. Тектонические нарушения подразделяются на
складчатые (пликативные) и разрывные (дизъюнктивные). При складчатых нарушениях
первоначально горизонтальные слои горных пород приобретают наклонное положение или
волнообразно изгибаются в складки различной формы и размеров. Для выявления
пространственного положения наклонного слоя определяют элементы его залегания. Элементы
залегания слоя измеряют горным компасом.
Элементами складки являются: ядро (1) – центральная часть складки; крылья (2) –
боковые части складки; осевая плоскость (3), пересекающая перегиб складки и делящая угол
при ее вершине пополам; осевая линия (ось 4) – линия пересечения осевой плоскости с
горизонтальной поверхностью; шарнир (5) – след от пересечения поверхности любого слоя
складки осевой плоскостью; замок (6) – зона смыкания крыльев складки. Складка называется
антиклинальной (или антиклиналью), если перегиб слоев обращен выпуклостью вверх (в ядре
будут находиться более древние породы, на крыльях более молодые), и синклинальной
(синклиналью), если перегиб слоев обращен выпуклостью вниз (в ядре будут находиться более
молодые породы, чем на крыльях).
В зависимости от расположения элементов складок в пространстве различают складки
прямые, у которых осевая плоскость располагается вертикально и образует прямые углы с
горизонтальной поверхностью; косые – осевая поверхность наклонена; опрокинутые – одно из
крыльев перешло через вертикальное положение и крылья оказались наклоненными в одну
сторону и другие складки. Складки сравнительно редко встречаются по одиночке, гораздо чаще
мы встречаем различные комбинации их. Антиклинории и синклинории.
При смятии мощных толщ в складки в горных породах развиваются очень большие
напряжения и совершенно очевидно, что на каком-то пределе породы теряют способность
деформироваться без разрывов. В этом случае возникают разрывные (дизъюнктивные)
нарушения. К разрывным нарушениям относятся различные виды сбросов, сдвиги и их
комбинации. Элементами любого разрывного нарушения являются: сместитель – трещина
разрыва, шириной в несколько метров, опущенное и поднятое крылья.
Разрывы горных пород земной коры длиной в сотни и тысячи км и глубиной в десятки
км, называются глубинными разломами.
Колебательные движения земной коры. Изучение горных пород на больших территориях
показало, что морские и континентальные отложения чередуются. Это можно объяснить тем,
что данная территория периодически опускалась, становясь сушей. Такие медленные колебания
земной коры без складкообразования и разрывов называются эпейрогеническими в отличие от
орогенических, сопровождающихся складкообразованием и разрывами пород. Явление
наступления моря на сушу при ее опускании называется трансгрессией, явление отступания
моря при поднятии суши – регрессией. По интенсивности движений, а следовательно, по
характеру и мощности накапливающихся в земной коре осадков, выделяют два типа
тектонических зон: геосинклинали и платформы.
Землетрясения. Землетрясением называется колебание поверхности Земли, вызванное
естественными причинами (главным образом, тектоническими процессами). Область
зарождения подземного удара, вызывающего землетрясение, называется очагом землетрясения.
Очаги находятся на глубине в десятки и сотни км. Центр землетрясения называется
гипоцентром. Проекция этой точки на земную поверхность называется эпицентром. Если очаги
землетрясений залегают под океанами и морями , то они вызывают моретрясение. При этом
образуются особые волны – цунами, высокие (до 20 м и более), но очень пологие из-за большой
длины волны (200-300 км). Скорость распространения цунами огромна – (400-800 км/час).
Магматизм. Под магматизмом понимается совокупность эндогенных процессов,
связанных с поднятием магмы из глубоких недр Земли, проникновением ее в кору или на
поверхность и застыванием здесь в форме самых разнообразных тел. Магма представляет собой
расплавленную огненно-жидкую массу сложного состава, образующуюся в глубоких недрах
Земли. Различают магматизм интрузивный и эффузивный (вулканизм).
Интрузивный магматизм приводит к внедрению магмы в земную кору и затвердеванию
ее на различных глубинах. Эффузивный магматизм (вулканизм) – это совокупность процессов,
связанных с перемещением магмы в земной коре и выходом ее на поверхность с образованием
вулканов.
Вулканы – это геологические образования (чаще конусообразной формы), возникающие
над каналами и трещинами в земной коре, по которым извергаются на поверхность Земли лавы,
горячие газы и пары воды, пепел и обломки горных пород.
В зависимости от формы подводящих каналов вулканы бывают центрального и
трещинного типов.
Вулкан центрального типа имеет вид конусообразной горы, через, которую проходит
канал или жерло. В вулканах трещинного типа лава изливается через глубокие длинные
трещины в земной коре; застывая, лава образует покровы. Древние мощные лавовые излияния в
Сибири называют траппами.
В зависимости от соотношения продуктов извержения (газообразных, жидких и твердых)
и вязкости лав выделяют 4 типа извержений: эффузивный (гавайский, отличающийся
относительно спокойным изменением жидкой базальтовой лавы; смешанный (стромболийский),
характеризующийся излиянием достаточно подвижных лав основного состава и ритмичными
небольшими взрывами; экструзивный (купольный), для которого характерно выжимание,
выталкивание вязкой лавы среднего состава под сильным напором газов из канала;
эксплозивный (вулканический), отличающийся бурным извержением в виде взрывов с
выбросом большого количества твердых обломков лав – вулканических бомб, пепла; лава очень
вязкая среднего и кислого состава.
Метаморфизм. Под метаморфизмом понимается разнообразные эндогенные процессы, с
которыми связаны те или иные изменения в структуре, минералогическом и химическом составе
горных пород в условиях, отличающихся от условий их первоначального образования.
Главными факторами метаморфизма являются температура, давление и состав растворов,
выделяющихся из магматических очагов.
Региональный, динамометаморфизм и контактовый.
ЛЕКЦИЯ №4
Экзогенные процесс, их рельефообразующее значение. Выветривание, основные
виды. Совершающиеся на поверхности литосферы, в ее самых верхних зонах и в граничащих с
ней внешних оболочках (атмосфере, гидросфере и биосфере), процессы, приводящие к
химическим изменениям, разрушению, перемещению и переотложению минеральных масс и
горных пород, преобразующие сам рельеф литосферы, принято называть экзогенными,
внешними (точнее, рожденными на поверхности Земли). По общей своей направленности эти
процессы противоположны внутренним (эндогенным) процессам. В основном деятельность
внутренних сил направлена на образование основных крупных неровностей поверхности
литосферы, а деятельность сил внешних – на разрушение и выветривание земной поверхности.
Большинство внешних рельефообразующих агентов, а именно перепады температур, ветер,
текучие воды, ледники, различные организмы и др. иногда могут производить местные
нагромождения материала, но эти нагромождения имеют местное значение, ограниченные
размеры, и ни в какой мере не могут сравниваться с рельефом, возникающим под действием
эндогенных сил.
Организм основных факторов, влияющим на образование рельефа является
выветривание.
Выветриванием называют процессы физического разрушения и химического
преобразования горных пород и минералов, происходящие в результате резких колебаний
температуры, замерзания воды в трещинах горных пород, химического действия воды и
различных химических агентов (газов, кислот и т.п.), животных и растений. Выветривание не
есть деятельность ветра. Принято различать три типа выветривания:
1) физическое;
2) химическое;
3) органическое.
При физическом выветривании происходит раскалывание (распад, раздробление)
минералов и горных пород на более мелкие обломки, но химический состав распадающихся
веществ при этом не меняется. Главнейшими агентами физического выветривания является
резкие колебания температуры и замерзания воды в трещинах горных пород и минералов.
При химическом выветривании происходят химические изменения минералов горных
пород, которые вступают в химические реакции с действующими на них реагентами. Наиболее
мощными из них являются вода, кислород, углекислый газ, азотная и серная кислоты,
различные газы и соединения, содержащиеся в воздухе, почве и водных растворах.
Органическое выветривание выражается в форме физического и химического
разрушения и преобразования горных пород организмами (бактериями, животными,
растениями), способными перекапывать, сверлить, дробить, истирать горные породы и
действовать на эти породы химически – при помощи различных химических веществ,
выделяемых (и поглощаемых) животными и растениями в процессах жизнедеятельности и
образующихся при разложении отмершего органического вещества. С процессами
выветривания связано образование почвы – сложного природного химического образования,
состоящего из минеральной масс и органического вещества, без которого невозможно развитие
высших растений, а следовательно и животных.
Процессы выветривания наиболее напряженно развиваются в верхней зоне земной коры,
особенно там, где кора непосредственно соприкасается с атмосферой и гидросферой.
Процессы выветривания наблюдаются, главным образом, в слоях, лежащих выше уровня
грунтовых вод. Глубина, на которую проникают процессы выветривания в толщу земной коры,
в различных природных условиях неодинакова и колеблется от нескольких дециметров до
десятков и даже сотен метров. Верхняя часть земной коры, захваченная процессами
выветривания, называется зоной выветривания.
Итак, основная направленность внешних процессов выражается в переводе вещества из
состояний. Менее устойчивых, в более устойчивые для тех условий, которые господствуют на
поверхности Земли. Осуществляется это путем химических реакций и физического воздействия
на минералы и горные породы, слагающие земную поверхность и формы рельефа. Совершаясь в
гравитационном поле планеты, физическое воздействие внешних геологических агентов
выражается еще в направленном перемещении вещества с положительных (выпуклых) форм
рельефа (гор, возвышенностей и целых материков) в отрицательные (всевозможные впадины, в
том числе и океанические), что приводит к сглаживанию контрастов рельефа. Возможно,
исключение составляют лишь эоловые процессы, при которых переносимые ветром пыль и
песок могут оседать на возвышенностях, а выдувание солончаков может привести к
переуглублению отдельных участков суши ниже уровня моря.
Итак, перемещение разрушенных горных масс происходит под действием силы тяжести,
т.е. гравитационных процессов. На склонах гор горные породы разрушаются более интенсивно,
чем на равнинах, так как обломки пород скатываются со склонов и их подножию, обнажая для
выветривания новые толщи горных пород. Неоднородный состав пород и поэтому неодинаковая
их устойчивость против выветривания иногда приводят к образованию останцов – глыб твердых
пород самой разнообразной формы (в виде столбов, башен и др. фигур; Красноярские столбы).
С процессами физического выветривания связаны такие неблагоприятные для
промышленности физико-геологические явления, как обвалы и осыпи, россыпи.
Обвалы – это обрушения масс горных пород, происходящие обычно на крутых склонах и
скатывающиеся к подножию склона. Обвалам подвержены как скальные, так и рыхлые и
слабосцементированные породы, способные образовывать крутые склоны. Они особенно часто
возникают при землетрясениях. Обвалы приносят вред дорожному и другим видам
строительства. Для борьбы с ними уменьшают уклоны склонов, строят подпорные стенки и т.д.
Осыпи представляют собой участки накопления продуктов физического выветривания горных
пород, приуроченные к подножию склонов и имеющие пологовыпуклую форму. В каждой
осыпи выделяются область питания (наиболее высокие скалистые части склонов, от которых
отделяются обломки пород), область транспортировки и область отложения – собственно осыпь.
По размерам обломков осыпи бывают крупнообломочные (глыбовые), среднеобломочные
(щебеночные) и мелкообломочные (состоящие из дресвы и мелкой щебенки). Осыпи обычно
постепенно перемещаются по склону вниз. Подвижность осыпи зависит от интенсивности
поступления нового материала. По степени подвижности выделяют подвижные, достаточно
подвижные, слабо подвижные и относительно неподвижные осыпи. Осыпи затрудняют
строительство и эксплуатацию железных и автомобильных дорог, осложняют промышленное и
гражданское строительство. Мерами борьбы против осыпей являются одноразовая и
периодическая уборка части осыпи, устройство подпорных стенок, защитных стенок над
дорогами. В отдельных случаях при дорожном строительстве приходится обходить или
устраивать тоннели для дорог. В отличие от осыпей, россыпи образуются на плоских вершинах
гор и плоских водоразделах.
Для изображения каменных осыпей и россыпей на топографических картах применяются
специальные условные знаки. Каменные осыпи и россыпи представляют собой типичный
элемент горного ландшафта, т.к. для их образования на местности необходимо наличие крутых
склонов, преобладающее значение гравитационного перемещения обломочного материала и
быстрое удаление мелких частиц из тела осыпи, что возможно при крутых уклонах и быстром
течении проникающей в осыпи воды. Большинство осыпей на склонах образуют крутые углы
наклона (средние углы поверхности осыпей 32-370), увеличивающиеся к вершине склона. На
более пологих склонах, при затрудненном удалении мелких продуктов выветривания, при
усилении процессов химического выветривания, среди грубого обломочного материала
появляются скопления мелкозема, начинает развиваться растительность, лежащие на склонах
массы обломочного материала становятся менее подвижными. В этих случаях движение
происходит в связи с набуханием склоновых отложений во влажное время года и усыхания во
время засух и при замерзании и оттаивании грунта. Усиливается движение верхних слоев
весной, когда талые воды проникают в них до еще замерзших слоев, грунт сильно увлажняется
и приобретает свойства плывуна. Так возникает оползень.
Движение грунтов на склонах – очень широко распространенный процесс в природе,
который наблюдается даже тогда, когда углы наклона склона измеряются всего несколькими
градусами. Развивается он в широком диапазоне природных условий, но с разной
интенсивностью, зависящей от множества причин, среди которых большое значение имеют:
состав склоновых отложений, крутизна склона и ориентировка его по отношению к солнечным
лучам, температура, влажность, растительность и т.д.
Процессы, обусловленные деятельностью ветра, их рельефообразующее значение. На
поверхности земного шара нет места, где бы в той или иной мере не проявлялась деятельность
ветра. Изучая деятельность ветра, можно видеть, что для более яркого проявления ее
необходимо, как и для других внешних факторов, сочетание определенных условий, и только
тогда ветер может выступить как самостоятельный геологический и рельефообразующий
фактор. Такими условиями в основном являются:
сухость поверхности горных пород;
разреженность или полное отсутствие растительного покрова;
наличие рыхлых, доступных ветру минеральных масс (пыли, песчинок и т.п.);
сила ветра, достаточная для захвата и переноса материала, находящегося на
поверхности земли.
Наибольшую работу по захвату и переносу материала осуществляют приземные слои
воздуха, в которых сосредоточено до 90% переносимого вещества. Мощность этого слоя
различна и при ветрах средней силы редко превышает 1 м. Слой воздуха, в котором
осуществляется основной перенос песчаного материала, называют ветропесчаным потоком, но
при сильных ветрах в этом слое может переноситься и крупная галька, способная нанести
тяжелые повреждения людям и животным.
Захват ветром (выдувание) рыхлого материала называют дефляцией. При помощи
переносимого песка ветер обтачивает и полирует поверхности твердых пород, производит
коррозию. Перенос ветрами (транспортировка) рыхлого материала завершается его отложением
– аккумуляцией. Все процессы, формы рельефа и отложения, образующиеся под действием
ветра, называют эоловыми.
1)
2)
3)
4)
Барханные пески
характерны для тропических пустынь, с наиболее засушливым климатом
Полузаросшие пески
характерны для внетропических пустынь, где
более низкие t0 и систематическое (хотя и малое)
увлажнение, развивается
пустынная растительность
Дюнные пески
характерны для внепустынных зон, сильно увлажнены, связываются растительностью. Возникают
на берегах морей, озер, в
степях и тундре, в лесной зоне
ЛЕКЦИЯ №5
Флювиальные процессы и их рельефообразующее значение. Поверхность воды. Все
процессы, обусловленные стекающими по поверхности суши водами, называются
флювиальными. Текучими водами являются дождевые, талые снеговые, воды временных и
постоянных ручьев и рек. Текучие воды, как и все другие внешние геологические агенты (кроме
выветривания), приводят разрушение той поверхности, по которой они стекают, путем
растворения, смыва и линейного размыва – эрозии, переносят (транспортируют) и отлагают
(аккумулируют) принесенный материал. Характер и масштабы этой работы зависят от многих
причин, в том числе и от формы стока поверхностных вод.
Во время сильных дождей на небольших участках пологих, однообразных склонов может
возникать тонкий слой воды, равномерно стекающий по поверхности склона (плоскостной
сток). Во время небольших дождей и наличия мелких препятствий на склоне сток
осуществляется в виде мелких струек, отклоняемых случайными временными препятствиями,
но имеющих общее направление вниз. Такой сток называют струйчатым. И в первой, и во
втором случае стекающая вода не имеет постоянных русел, сток является нерусловым. На менее
однообразных склонах стекающие воды образуют разорванный слой, так кА устремляются во
встречаемые на пути понижения (ложбины) и движутся по их дну в виде потоков. Воздействуя
на дно ложбин, потоки могут выработать себе русла, и в этом случае сток становится русловым.
Возникая только в периоды выпадения дождей и таяния снега и прекращаясь в сухое время года,
сток со склонов является временным.
Большие массы воды движутся по поверхности земной коры в виде ручьев и рек,
имеющих воду в русле круглый год. Это постоянный русловый сток.
Итак, во время неруслового (плоскостного) стока происходит плоскостной смыв и
происходит образование делювия.
В условиях сильно пересеченной местности при скоплении на склонах больших масс
рыхлых продуктов выветривания, поверхность которых плохо скреплена растительностью или
растительность уничтожена человеком (вырублен лес, склоны вытоптаны стадами и т.п.),
ливневые дожди могут вызывать смыв, приобретающий катастрофический характер. Производя
интенсивный смыв (часто переходящий в размыв), массы воды смешиваются с захваченным
мелким и крупным материалом (щебень, валуны, песчаные массы), превращаются в грязекаменную массу и устремляются к подножию склонов, производя сильные опустошения.
Обычно движение грязевых и грязе-каменных масс не прекращается у подножия склонов, а
продолжается по дну горных долин, где массы камней и грязи смешиваются с водами и
приобретают большую подвижность, превращаясь в грязе-каменные потоки – сели. Выходя на
предгорную равнину, грязе-каменная масса распространяется на обширную площадь, заливает
культурные земли, производит сильные разрушения в селениях и городах (8 июля 1921г. –
Алма-Ата).
Плоскостной смыв, развивающийся спокойно при малых количествах стекающей воды и
на сравнительно однородных склонах, может легко перейти в линейный размыв – эрозию там,
где однородность склона нарушена. Сначала образуется рытвина, затем промоина, а затем овраг.
Глубина оврагов может достигать 40-50 м, ширина 150-300 м, длина 3-5 км.
Различают эрозию донную, или глубинную, заключающуюся в углублении водным
потоком своего русла, и боковую, ведущую к подмыву берегов русла. Благодаря глубинной и
боковой эрозии, водные потоки формируют глубокие и широкие речные долины – вытянутые
длинные ложбины, имеющие уклон в соответствии с течением рек от верховьев к низовьям.
Элементами речной долины являются ее склоны (1) и дно (2), русло реки (3),пойма (4) и
террасы (5).
Русло, - наиболее пониженная часть речной долины, по которой происходит сток воды в
маловодные периоды. Пойма – часть дна долины, затопляемая только в половодье. Террасы
горизонтальные или слегка наклонные площадки на склонах речной долины, представляющие
собой остатки ее прежнего дна. Глубинная эрозия преобладает в начальной стадии развития
речной долины, когда река на всем своем протяжении старается врезаться в горные породы до
уровня того водоема, в который она впадает. Этот уровень называют базисом эрозии.
Долина реки постепенно углубляется в направлении от ее устья (базиса эрозии) к
истокам. По мере углубления долины, уклон ее дна постепенно уменьшается, поэтому скорость
течения и интенсивность глубинной эрозии также уменьшаются – река вырабатывает профиль
равновесия. Глубинная эрозия на отдельных участках некоторых рек задерживается наличием в
ложе реки очень крепких пород, слабо поддающихся размыву. В этом случае река образует
пороги и водопады. Боковая эрозия происходит одновременно с глубиной, причем ее
интенсивность возрастает по мере выработки рекой профиля равновесия. В зависимости от
стадии развития речной долины меняется и форма ее поперечного сечения. На ранних стадиях
развития (в молодых горных породах0 долины имеют вид узких теснин (щелей) и каньонов с
отвесными стенками. Последующее развитие долины меняет ее форму на V – ОБРАЗНУЮ. По
мере выработки рекой профиля равновесия и усиления боковой эрозии долина приобретает
плоскодонную форму. В последней стадии долина имеет неясно выраженную форму и очень
пологие склоны, незаметно переходящие в водораздельные пространства.
Продукты разрушения горных пород переносятся рекой в растворенном, взвешенном и
влекомом состоянии. При уменьшении в каком-либо месте реки скорости течения там
происходит аккумуляция влекомого и взвешенного материала. При увеличении со временем
скорости водного потока отложившейся материал может вновь частично размываться и
переноситься вниз по течению, Однако по мере выработки рекой профиля равновесия
накапливаются все более устойчивые неразмываемые отложения. Эти отложения называют
аллювиальными (аллювием).
Речные террасы могут быть образованы как в коренных породах, так и сложены
аллювием. В первом случае они называются эрозионными, во втором – аккумулятивными.
Террасы образуются в результате изменения высотного положения базиса эрозии, а также
поднятия или опускания земной коры на каком-либо участке речной долины. Река при этом
врезается в уже сформировавшееся дно долины, а остающиеся участки дна долины образуют
террасы. Чем выше терраса над уровнем реки, тем она древнее. Самыми молодыми являются
пойменная (затопляемая в паводок) и надпойменная терраса.
Деятельность подземных вод. Воды, находящиеся в породах и трещинах горных пород,
называются подземными. С деятельностью подземных вод связаны такие физико-геологические
явления, как карст, суффозия, плывуны, оползни. Способность воды растворять минералы и
горные породы (каменную соль, гипс, ангидрит, известняк, доломит и др.) приводит к
образованию карста. Под карстом понимают явления, связанные с деятельностью подземных
вод и выражающиеся в растворении горных пород и образовании в них пустот, а так же в
создании характерных форм рельефа местности. Иногда карстом называют сами пустоты,
возникшие в результате растворения пород подземными водами, хотя в этом случае правильнее
употреблять термины «карстовые пустоты», «карстовые формы». Многие районы суши с
поверхности сложены растворимыми породами. Здесь развиваются поверхностные формы
карста, к которым относятся кары, поноры, карстовые воронки, карстовые котловины и
карстовые колодцы и шахты.
Карры представляют собой бороздообразные углубления глубиной от нескольких см до
1-2 м, тянущиеся в направлении уклона поверхности. Образуются они при растворении и
размыве пород вдоль трещин.
Поноры - это вертикальные или наклонные отверстия, поглощающие поверхностные
воды. Развитие поноров приводит к образованию карстовых воронок. Глубина воронок может
достигать 20 м, диаметр – 50 м и более. Дальнейшее развитие карста приводит к образованию
карстовых котловин и польев – вытянутых впадин с крутыми, часто отвесными стенками.
Карстовые колодцы и шахты представляют собой крупные отверстия, уходящие вглубь
на десятки и сотни метров. Из подземных карстовых форм можно выделить карстовые пещеры и
каналы.
Пещеры представляют собой вытянутые почти горизонтально пустоты, то
расширяющиеся до огромных залов и гротов, то сужающиеся до узких каналов. Пещеры иногда
достигают в длину десятков и даже сотен километров. В карстовых пещерах в связи с
выпадением из воды кальция натечные формы сталактиты и сталагмиты.
Развитие карстовых форм рельефа неблагоприятно влияет на с/х освоение территорий,
затрудняет строительство различных объектов, дорог. Карст затрудняет также разработку МПИ
и т.д. Мерами борьбы с карстом являются:
1) отвод поверхностных вод от карстующихся массивов пород;
2) искусственное обрушение кровли карстовых пустот или заполнение их глинистыми
породами;
3) цементация, битумизация, силикатизация карстующих пород в основании плотин и
других инженерных сооружениях;
4) осушение участков разрабатываемых МПИ.
Суффозией называют процесс выноса мелких частиц породы движущейся подземной
водой. Различают механическую и химическую суффозию. Под механической суффозией
понимают разрыхление песчаных пород (обычно не содержащих растворимых веществ) и вынос
из них мелких частиц движущейся водой. При химической суффозии происходит растворение и
выщелачивание из породы водорастворимых солей и вынос их током движущейся воды.
Суффозия приводит к осадке поверхности земли и образованию суффозионных воронок.
Мероприятия по предупреждению суффозии следующие:
1) предотвращение поступления воды в породы, подверженные суффозии;
2) уменьшение скорости движения подземных вод путем изменения конструкций
сооружений;
3) искусственное улучшение свойств пород в основании сооружений путем цементации,
силикатизации и т.д.
Способность рыхлых пород при насыщении их водой приходить в текучее состояние
называется плывунностью, а сами такие породы в насыщенном водой состоянии – плывунами.
Оползни – это смещение масс горных пород по склону под действием силы тяжести,
часто связанные с деятельностью поверхностных и подземных вод. Оползанию подвержены
преимущественно глинистые породы, особенно когда они увлажнены.
Как плывуны, так и оползни очень вредны и опасны при возведении различных
промышленных объектов, бурении скважин, проходке горных выработок и т.д.
Основными мерами борьбы с плывунами являются:
1) искусственное осушение водонасыщенных пород с плывунными
свойствами;
2) крепление стенок горных выработок при помощи забивной крепи;
3) замораживание плывунов на участке работы;
4) силикатизация плывунов.
Меры борьбы с оползнями:
1) отвод поверхностных вод и подземных от оползневого склона;
2) сохранение на склонах растительности;
3) устройство берего-укрепительных сооружений и т.д.
ЛЕКЦИЯ №6
Деятельность вод морей и озер и их рельефообразующие значение.
Моря и озера как геологический и геоморфологический факторы. Геологическая
деятельность морей и озер хотя и выражается как и у всех внешних геологических агентов, в
разрушении горных пород, обработке продуктов разрушения, переносе и отложении
захваченного материала, но наряду с этим имеет и ряд специфических черт, которые придают ей
важное значение в перераспределении вещества на земной поверхности.
Разрушительная работа вод морей и озер осуществляется прибоем волн, химическим
воздействием на горные породы, течениями. Перенос и обработка материала происходит под
действием тех же волн и течений – временных и постоянных. Осадки накапливаются на дне и
берегах, но в процессах осадконакопления и заключается отличие морей и озер от ряда других
внешних агентов, например, ветра. Ветер, ледники и текучие воды отлагают главным образом
тот материал, который они захватили в процессе своей разрушительной деятельности. В морях
накапливается не только тот материал, который получен в результате разрушения водами
данного бассейна берегов и дна, но и тот, который принесен в море (озеро) другими агентами
(реками, ледниками, ветром и т.д.), а также и материал, получившийся в результате химических
и биохимических процессов, протекающих в самой водной среде. Отлагаясь на дне, весь этот
сложный по генезису материал приобретает особые черты, не свойственные отложениям рек,
ледников и других агентов. Геоморфологические особенности морей и озер, как рельеф
образующих агентов, заключается в том, что для них характерна резко выраженная
концентрация рельефообразующих процессов вдоль береговых линий, на уровне, тесно
привязанном к уровню воды и практически горизонтальном. Это значит, что в глубине на дне не
идут процессы рельефообразования, напротив, сейчас известно, что и на дне самых глубоких
океанических впадин процессы рельефообразования достаточно интенсивны и своеобразны, и
мы только отмечаем важность весьма существенных процессов, происходящих на границе суши
и воды.
Напряженность этих процессов в большей степени зависит от размеров бассейна (моря,
озера), но принципиальные различия между работой волн озера и моря не так уже велики, что
позволяет нам для разбора основных закономерностей не останавливаться отдельно на озерах и
на морях.
Береговые процессы. Разрушение горных пород, слагающих берега осуществляется
волнами, которые при подходе со стороны открытого моря и ударе о берег способны развивать
давление до 2-3 кг/см2. При помощи волн море как бы стремиться срезать все материки и
острова до своего уровня. Отсюда и возникло название этого вида деятельности моря – абразия
(срезание, сбривание).
Общая длина береговой линии материков и островов около 260000 км; это цифра
говорит, что абразия на земном шаре занимает важное место среди разрушительной
деятельности других внешних агентов. Это цифра увеличится не менее чем в 2 раза, если мы
измерим длину береговых линий всех озер земного шара, и останется, достаточно велика, после
вычитания аккумулятивных берегов.
На крутых и высоких берегах у которых глубины нарастают быстро (берег приглубый
уклон подводного склона в среднем 10 45´), действие морского прибоя сказывается с
наибольшей силой. Здесь волны всей массой обрушиваются на подножие берега, дробят и
размывают слагающие его породы и постепенно в основании берегового обрыва (клифа), если
он сложен достаточно стойкими породами, вырабатывается углубление, получившее название
волноприбойной ниши. В породах, менее стойких или сильно трещиноватых, формы берегового
откоса получаются более сложные. Здесь часто образуются гроты, пещеры, глубоко вдающиеся
в берег, размытые волнами трещины и другие образования.
По мере продолжающегося подтачивания основания склона вышележащие части берега
обрушиваются в море и обломками горных пород становятся теми орудиями, при помощи
которых волны начинают еще более успешно разрушать берег. Образующийся при этом более
мелкий материал относится сбегающей разбившейся волной в море и на подводном склоне
берегового откоса откладывается как бы в виде подводной осыпи.
Разрушение горных пород прибоем и волнами может происходить до глубины около 200
м (в небольших бассейнах и озерах меньше). В связи с этим на месте отступающего берега
образуется полого наклоненная от берега поверхность, сложенная коренными породами,
носящая название абразионной платформы (бенч).
Дальше от берега, на внешнем крае абразионной платформы, происходит интенсивное
накопление продуктов разрушения; образующаяся здесь подводная осыпь постепенно
увеличивается и превращается в аккумулятивную платформу (террасу), которая вместе с
абразивной образует береговую платформу.
После образования широкой береговой платформы отступание берега продолжается еще
некоторое время под действием особенно больших волн, возникающих во время сильных
штормов. В дальнейшем, если на развитие берега не влияют другие силы, размыв прекращается
и даже начинается процесс накопления выбрасываемого материала. Эту стадию в развитии
берега принято называть стадией равновесия. Равновесие на этих берегах обусловливается тем,
что береговая платформа у их подножия развита настолько широко и имеет такой профиль, что
полностью гасит всю живую силу волн, приходящих со стороны открытого моря. В этом случае
материал, покрывающий поверхность береговой платформы, испытывает незначительные
смещения вверх и вниз по склону или лежит на месте.
На берегах, достигших состояние равновесия, море набрасывает у подножия клифа
мелкий обломочный материал, формируя пляж.
Кроме приглубых берегов различают берега низменные, отмелые (имеющие малые углы
наклона подводного склона – от 00 1' до 00 30'), около которых море с самого начала развития
береговых процессов имело малые глубины. На таких берегах волны разбиваются вдали от
береговой линии, разрушают поверхность дна, и, перемещая, продукты разрушения ближе к
берегу создают бар. Между баром и сушей создается полоса мелкого моря, которая в том случае
если гребень бара поднимается над уровнем моря, превращается в лагуну.
а)
б)
в)
различные стадии образования подводных валов
Штрихпунктиром показаны кривые воздействия волн на дно, штриховой линией (на
схемах «б» и «в») – положение исходного профиля, соответствующие линии она на схеме «а»
(по В.П. Зенкевичу).
Таким образом, накопление материала, отложенного морем, происходит при образовании
подводной осыпи (аккумулятивной платформы), берегового вала и бара.
Морские озерные террасы. Береговые процессы проходят полный цикл развития и
завершаются выработкой устойчивой береговой платформы только при устойчивом положении
уровня и озера. Если уровень поднимается или происходит погружение данного участка земной
коры, что равнозначно, то разрушение берегов будет происходить и при широкой береговой
платформе, т.к. глубоко ушедшая ее поверхность не будет оказывать тормозящего влияния на
приходящие с моря волны. При поднятии земной коры или опускании уровня моря (озера)
береговая платформа частично или полностью может оказаться выше уровня воды и
превратиться в морскую (или озерную) террасу.
Донные осадки и характерные формы рельефа. Являясь аккумуляторами осадков, океаны
имеют некоторые отличия в распределении осадочного материала, по сравнению с
распределением его на дне морей (и озер). Дно морей и прилежащих к материкам частей
океанов покрыто терригенными (образовавшимися за счет разрушения суши) осадками, которые
покрывают береговую отмель, материковый склон и местами покровом спускаются к его
подножию. Только вдоль небольших отрезков береговой линии развиты осадки типично
морского происхождения, например, коралловые известняки и пески. Террегенный материал
далеко в открытый океан обычно поступает в малом количестве (заносится морскими и
воздушными течениями), но при участии айсбергов может быть унесен очень далеко в океан и
разбросан на большой площади. Только в сравнительно узкой зоне, вдоль побережий,
терригенные осадки представлены грубым обломочным материалом (галечники, пески); дальше
от берегов этот материал становится мельче и уже с глубин 25-150 м (зависит от силы волнений,
течений и т.п.) преобладают илистые осадки (кроме мест распространения айсберговых осадков,
среди которых могут встречаться и валуны). Эти илы имеют разный состав и окраску,
обусловленные особенностями поступления материала с суши и условиями отложения в море.
Широко распространены синие илы (синий цвет указывает на недостаток кислорода в
придонных слоях воды). Красный их отлагается там, где в океан приносится ярко окрашенный
(красноцветный) ил и глина, образующиеся в результате процессов химического выветривания
на материалах в условиях влажного тропического и субтропического климата. Зеленые илы и
пески окрашены в этот цвет минералом глауконитом, образующимся в море в местах встречи
холодных и теплых течений. Огромные пространства дна Мирового океана покрыты илами
ограниченного происхождения.
В условиях морского дна происходят различные химические реакции, в результате
которых могут появиться вещества, накапливающиеся в осадках. Примером могут служить
фосфориты и железисто-марганцевые конкреции, пользующиеся широким распространением на
дне океана.
Основные типы берегов. Берега морей (и озер) отличаются большим разнообразием.
Сочетание всех условий, влияющих на формы морских берегов, столь разнообразна, что
создание единой классификации типов берегов – дело большой сложности. Наиболее
современная классификация берегов морей применена при выполнении крупных
картографических работ по составлению карт Морского атласа. Основываясь на этой
классификации, все морские берега подразделены на берега коренные, т.е. сложенные древними
горными породами, и берега, вновь образующиеся, молодые, современные, сложенные
породами, образующимися в настоящее время. К берегам в коренных породах относят такие
широко распространенные типы берегов, как фиордовые, шхерные, далматинские, риасовые,
лопастные, выровненные и др. Современными берегами считают лиманные, дельтовые,
термоабразионные, коралловые, мангровые, вулканические и т.д.
Инженерно-геологические и геоморфологические исследования берегов дна. И
следования берегов и береговых процессов имеет большое практическое значение. Стоянка
морских судов, предохранение берегов от разрушения часто могут быть обеспечены только
путем проведения больших и сложных инженерных работ. Часто эти работы и исследования
приходится проводить и на суше и в море. Это бывает необходимо для выяснения
геологического строения и процессов, способствующих неблагоприятному состоянию берегов
(оползанию, размыву пляжей и усиленной абразии и т.д.)
Для берегового потока наносов важно бывает установить источники его питания,
которыми могут явиться выносы рек, обвалы с крутых береговых откосов, абразия. Установив
эти источники, мы получаем возможность воздействовать на поток, направляя его в желаемую
нами сторону. Бездумное вмешательство в береговые процессы (например, использование для
строительства галечников с пляжей) может повлечь за собой катастрофические явления.
Возводимые в море сооружения сложны и многообразны. Это различные портовые сооружения
(молы, причалы, доки и т.п.), берегоукрепительные конструкции (буны, подпорные стенки) и
даже целые обширные пляжи. В нашей стране имеется большой опыт по созданию всякого рода
сооружений в море, по укреплению берегов и т.д.
ЛЕКЦИЯ №7
Формы рельефа, обусловленные деятельностью снега и льда. Большое значение в
развитии рельефа земной поверхности имеет вода в твердом виде – снег и лед.
Снег, накапливающийся слоем большей или меньшей мощности на поверхности земли, в
зимнее время в умеренных и высоких широтах, а также в низких широтах в горах, хотя и
представляет собой рыхлую массу, практически не оказывающую непосредственного
механического воздействия на горные породы, в отдельных случаях значительно изменяет
рельеф. Зависит это от условий накопления снега, которые в свою очередь определяются
рельефом местности, развитием растительного покрова, направлениями и силой ветров,
температурой и в некоторых случаях деятельностью человека.
Сезонные и многолетние снега. Образующийся зимой и стаивающий весной снеговой
покров принято называть сезонным. Если пятна снега сохраняются все лето и перекрываются
новыми слоями снега в следующую зиму, то это могут быть или так называемые перелетки,
которые обязательно растают в ближайшее более теплое лето, или многолетние (вечные) снега,
которые сохраняются на местности длительные отрезки времени, измеряемые веками и
тысячелетиями. Для образования вечных снегов необходимо такое накопление снега, которое не
могло бы растаять за теплое время года – это возможно или при накоплении очень большой
массы снега, или в результате низких температур летних месяцев.
Снеговая граница. Ввиду того, что температуры на Земле понижаются по мере движения
от экватора в сторону полюсов и при поднятии от уровня моря вверх – в более высокие слои
тропосферы, можно теоретически рассчитать те границы, выше которых данное количество
осадков, выпадающих в форме снега, не будет успевать таять за лето. Путем таких вычислений
мы получаем положение нижней границы зоны вечных снегов. На большой высоте над уровнем
моря количество осадков уменьшается, и, несмотря на низшие температуры, снег успевает
таять. Определив высоту, где это таяние будет осуществляться, мы получим положение верхней
границы зоны вечных снегов. Всю эту зону, охватывающую весь земной шар, называют
хионосферой. Фактическое положение границы вечных снегов в горах часто не совпадает с
теоретическими расчетами, что обусловлено местными причинами (перенос снега ветром,
принос лавинами, форма и ориентировка склонов и т.п.), что вынудило ввести понятие о
действительной (орографической – обусловленной рельефом) снеговой линии (снеговой
границе). Положение этой границы не остается постоянным, подвержено периодическим
изменениям, обусловленным периодическими изменениями количества осадков температур и
других климатических факторов.
Рельефообразующее значение снегового покрова (нивация) на равнине, в холмистой и
горной местности. Непосредственное воздействие снегового покрова на рельеф возможно
только в особых случаях, но косвенное его влияние подчас весьма значительно. Это влияние
снега на промерзание грунтов, и большое значение при развитии процессов морозного
выветривания, которое протекает наиболее интенсивно на границе снега и горной породы, при
колебаниях t0 около точки замерзания. Интенсивное морозное выветривание способствует
образованию на склонах гор ниш и кар, готовит тот материал, который может быть захвачен и
смещен талыми снеговыми водами и ледниками.
В условиях пересеченной местности скопление снега возникает в понижениях рельефа,
куда снег сдувается ветром, чем заставляет принимать искусственные меры (как и на равных
пространствах) для задержания снега на полях (установка щитов, пропашка снега и т.д.) и
накопление влаги в почве.
Лавины. Самостоятельное рельефообразующее значение снег приобретает в горах при
движении лавин, представляющих собой срыв и быстрое смещение по склону больших снежных
масс. В настоящее время имеются подробные классификации лавин, выяснены условия их
образования, разработаны меры предохранения различных сооружений от разрушения их
лавинами, сравнительно хорошо изучена рельефообразующая роль лавин разного типа. В
основном лавины подразделяют на сухие (пылеобразные) и пластовые, представляющие собой
сползание влажного тающего снега. Наибольшим разрушительным действием отличаются
лавины первого типа, состоящие из масс сухого, рыхлого снега, с огромной скоростью
скатывающегося вниз по склонам гор. На своем пути такая лавина производит крупные
разрушения. Разрушительное действие сухих лавин усугубляется сильнейшим вихрем,
сопровождающим их. На крутых и длинных склонах вихрь обгоняет тело лавины. Часто
разрушения, произведенные вихрем (предлавинной воздушной волной), превышают разрушения
самой лавины. Лавины второго типа движутся медленнее, сильными вихрями не не
сопровождаются, как правило, производят меньшие разрушения. Пластовые лавины способны
сносить со склонов большие массы камней и щебня, прорывать борозды на склонах, отрывать от
скал обломки и дробить породы. Таким образом, снежные лавины – один из важных факторов
преобразования рельефа гор. Посредством лавин снег перемещается с вершин и горных склонов
в понижения и долины, где сильно уплотняется, смерзается и сохраняется многие годы, а при
постоянном пополнении дает начало леднику.
Условие образования ледников. Ледником называется «масса льда, характеризующаяся
постоянным закономерным движением, расположенная главным образом на суше,
существующая длительное время, обладающая определенной формой и значительными
размерами и образованная благодаря склонению и перекристаллизации различных твердых
атмосферных осадков» (Колесник С.В.). Из приведенного определения видно, что ледники
могут образоваться только там, где возможно наклонение больших снежных масс,
сохраняющихся длительное время.
Для превращения в массу льда снег должен пройти ряд преобразований. В первой стадии
рыхлая снежная масса постепенно уплотняется и подвергается перекристаллизации, которая
осуществляется путем таяния снега с поверхности, проникновения и последующего замерзания
образующейся воды в толще снега, а также за счет сублимации водяных паров на снежных
кристалликах, путем испарения мелких снежинок и роста за их счет более крупных кристаллов
льда. В результате этих процессов снег приобретает зернистое строение и его называют фирном.
При дальнейшем разрастании и уплотнении зерна фирна смерзаются, но между ними еще
остаются отдельные поры с пузырьками воздуха, благодаря которым лед получает название
пузырчатого. Впоследствии пузырьки воздуха удаляются и образуется зернистый плотный лед
(глетчерный лед).
Движение ледников и рельеф их поверхности. Из области накопления лед в силу ему
присущей пластичности, находясь под действием силы тяжести накапливающихся новых масс
фирна и льда, под давлением проникающей и замерзающей в трещинах воды, движется к месту
стаивания. Стаивание начинается ниже снеговой границы, но положение места окончательного
таяния ледника во многом зависит от размеров самого ледника и от микроклиматических
условий той территории, по которой ледник движется. В силу этого языки даже соседних
ледников могут заканчиваться на разных высотах. В полярных областях большие ледники не
успевают растаять на суше, спускаются в море, от края их отрываются большие массы льда,
которые уносятся морскими течениями. Такие плавающие по морю обломки ледников называют
айсбергами. Скорость движения ледников весьма различна: от нескольких см до 500 м в год.
Движение ледников неравномерно в различных их частях. У горных долинных ледников
наибольшие скорости наблюдаются в их осевой части, где меньше сказывается влияние трения о
берега и дно ледникового ложа. У ледяных покровов Антарктиды наибольшие скорости
наблюдаются там, где скопившиеся массы льда находят выход к морю (выводные ледники).
Поперечные профили горных долинных ледников в большой степени зависят от того, в какой
части ледника его изучают. В области питания поперечные профили поверхности ледника
имеют вогнутую форму, у места пересечения ледником снеговой линии – прямолинейную, в
области таяния – выпуклую. Последнее объясняется тем, что в области стаивания наиболее
быстро тают края ледника, где он оказывается вблизи нагретых солнечными лучами горных
склонов.
Геологическая и рельефообразующая деятельность ледников и талых ледниковых вод.
Как и все внешние геологические агенты, ледники захватывают, переносят и отлагают огромные
массы обломочного материала. Весь этот материал известен под общим названием морены.
Наиболее богаты мореной горные ледники, которые переносят и отлагают не только продукты
своей разрушительной деятельности, но и тот материал, который поступает со склонов гор. В
теле ледника этот материал распределяется неравномерно. Различают морены донные, боковые,
срединные, внутренние и т.д. У конца ледника весь материал отлагается и образуется конечная
морена, а на месте ставшего ледника остается основная морена, состоящая из материала,
переносимого ледником по дну, во внутренних своих частях и на поверхности.
Разрушительная работа ледников (экзарация, ледниковая эрозия) осуществляется за счет
давления на ложе (100 м льда оказывают давление в 90 тонн на 1 см2), путем царапания и
шлифовки ложа перемещаемым обломочным материалом и часто сочетается с работой талых
ледниковых вод и морозным выветриванием.
Из характерных форм рельефа, связанных с деятельностью ледников в горах, следует
отметить циркообразные углубления на склонах – кары – вместилища каровых ледников, цирки
– обширные получашевидные углубления
Схема расположения морен в поперечном сечении 1 и в плане 2 ледника
морены: А – боковая; Б – срединная; В – внутренняя; Д – донная; С – конечная
В верховых горных долин, в которых располагаются фирновые бассейны долинных ледников, и
троги (троговые долины) – горные долины с корытообразным поперечным профилем, по
которым двигались горные долинные ледники. На дне этих долин после стаивания ледников
часто встречаются высокие скалистые поперечные пороги – ригели, в отдельных местах
сглаженные с поверхности, с обрывистым нижним (по долине) концом скалы – бараньи лбы.
При сильно развитых карах, разъедающих склоны горных вершин, от этих вершин остаются
острые крутосклонные пики – карлинги. Аккумулятивные формы рельефа представлены
грядами конечных морен, боковыми моренами, холмистым рельефом основной морены и водноледниковыми (флювиогляциальными) террасами, развитыми на склонах долин. После стаивания
ледников горный ландшафт в местах древних оледенений отличается большим своеобразием,
обилием озер, расположенных в карах и цирках, в местах переуглубленных участков троговых
долин (выше и ниже ригелей) и в моренных амфитеатрах (языковый бассейн ледника.
Особенности геологической и рельефообразующей деятельности покровных ледников и
талых ледниковых вод могут быть охарактеризованы на примере древних оледенений, которые,
как нам известно, возникали на Земле не один раз.
Наиболее полный и хорошо сохранившейся комплекс отложений и форм рельефа
представлен на территориях Скандинавского и Кольского полуостровов, Финляндии. Южные
границы ледяного покрова проходили в районе Минска, Смоленска, Осташкова, севернее
Москвы и далее уходили к Белому морю. Вся местность, подвергшаяся оледенению, сложена
ледниковыми и водно-ледниковыми отложениями. Состав ледниковых отложений различен:
преобладают суглинки, содержащие большое количество валунов и гальки, встречаются пески и
галечники.
С деятельностью талых ледниковых вод связано образование озов, камов и зандровых
полей. Озы – песчано-галечные гряды, напоминающие железнодорожные насыпи, но в отличие
от них пересекающие не только понижения, но и склоны холмов, гряды морен, понижения
между ними и т.д. Озы ориентированы по направлению движения ледника и образовывались в
результате накопления наносов в руслах потоков, протекавших в трещинах и гротах
ледникового покрова. Часто отложения талых ледниковых вод тянутся в виде полос среди
холмов и гряд моренного рельефа, отмечая пути древнего стока. Их называют долинными
зандрами. Камы – плосковершинные холмы, сложенные слоистыми глинами и песками,
представляющими собой, как полагают, осадки наледниковых и приледниковых озер,
исчезнувших после стаивания льда.
Множество инженерных сооружений возводится на грунтах ледникового и водноледникового происхождения. Для этих грунтов характерна частая смена литологического
состава, наличие разрозненных, лежащих на разных уровнях горизонтов в подземных вод, часто
встречаются близко залегающие к поверхности земли горизонты верховодки и большие
заболоченные пространства, образующиеся на водоупорных моренных суглинках и дериватах
(продуктах перемыва и переотложения) морен. Все эти особенности требуют тщательного
изучения и учета при проектировании и возведении ответственных инженерных сооружений и
удорожают проведение изысканий. Одновременно ледниковые и флювиогляциальные
отложения часто представляют большой интерес как строительный материал (пески, галечники,
скопления валунов) или сырье для производства кирпича (глины и суглинки). Перемытые и
переотложенные реками пески являются сырьем для стекольной промышленности.
ЛЕКЦИЯ №8
Распространение многолетней мерзлоты. Криогенные процессы и мерзлотные
формы рельефа. Сезонная и вечная мерзлота.
Под вечной мерзлотой понимается такое состояние грунтов, при котором они в течении
длительного времени, измеряющегося сотнями и тысячами лет, сохраняют отрицательные
температуры. В отличие от вечной мерзлоты сезонная мерзлота сковывает грунты только зимой,
летом же грунты полностью оттаивают. Сезонная мерзлота развивается зимой в умеренных и
высоких широтах. Вечная мерзлота распространена очень широко, занимает около 20%
площади современных континентов и к настоящему времени хорошо изучена, особенно в
России, где ею занято около 10 млн. км2.
Причины возникновения и границы распространения вечной мерзлоты. Частично у
южных границ вечная мерзлота представляет собой реликтовое явление, унаследованное от
прежних, более суровых климатических условий, на что указывают хорошо сохранившиеся в
мерзлых грунтах трупы вымерших животных (например, мамонтов), глубокое залегание
верхней границы вечной мерзлоты и отсутствие связи с замерзающими зимой грунтами, т.е.
наличие талых слоев между сезонной и вечной мерзлотой. Вместе с тем вечная мерзлота может
возникнуть и в современных климатических условиях, на что указывает промерзание недавно
образовавшихся речных островов, отвалов грунта, промытого при добыче золота, и дорожных
насыпей. Сохранению и развитию вечной мерзлоты способствуют:
1. продолжительные низкие зимние температуры;
2. незначительная мощность снегового покрова;
3. короткое и сравнительно прохладное лето.
Большое значение имеют также состав грунтов, ориентировка склонов и их уклон, степень
развития растительного покрова и заболоченности, хозяйственная деятельность человека и ряд
других местных факторов. По распространению на местности вечную мерзлоту можно
подразделить на островную – отдельные участки, скованные вечной мерзлотой и
расположенные среди талых грунтов; несплошную – острова (окна) талых грунтов (таликов)
среди мерзлых грунтов и сплошную. На территории России вечная мерзлота островами
распространена на Кольском полуострове, охватывает полуостров Канин, Мезенскую,
Малоземельскую и Большеземельскую тундры, далеко (до верховьев р. Вишеры) спускается к
югу по Уралу, захватывает северную часть Зап. Сибири, практически, в соответствующих
местах, может быть встречена всюду восточнее р. Енисея, так как здесь границы
распространения мерзлоты проходят южнее государственных границ России. Только
Приамурская низменность, низкогорье Приморья лишены вечной мерзлоты, но по горным
вершинам Сихотэ-Алиня она прослеживается далеко к югу.
Строение толщи вечномерзлых грунтов. Мощность вечной мерзлоты различна и
изменяется от дециметров до 1600 метров. Наибольшая мощность наблюдается на севере
Якутии. В вертикальном разрезе вечная мерзлота может быть неслоистая и слоистая, при
которой чередуются мерзлые и талые слои. Талыми обычно остаются водопроницаемые слои, в
которых происходит интенсивная циркуляция подземных вод. Скованные вечной мерзлотой
грунты лежат на некоторой глубине от дневной поверхности. Слой грунта выше них,
оттаивающий летом и замерзающий зимой, называют деятельным слоем. Мощность его сильно
зависит от климатических условий. На севере Якутии она не превышает 1 – 1,5 м, а в Приморье
и Южном Забайкалье достигает местами 5-7 метров. Значительна также роль механического
состава и водопроницаемости грунтов: в галечниках она > 4 м, в песках – 1,5-2 м, в глинах – 1,01,2 м, а в торфе не более 0,8 м. На затененных и сильно увлажненных участках мощность
деятельного слоя меньше, чем на открытых и сухих.
Подземные воды и лед в вечномерзлых грунтах. Грунты, имеющие t0 – 00 и ниже, могут
быть теоретически подразделены на сухие, имеющие открытые поры, заполненные воздухом и
влажные, у которых поры заполнены льдом и реже водой, не замерзающей из-за насыщения ее
солями или за счет высокого давления.
Лед находится в различных соотношениях с грунтами. Наиболее распространенный
случай – заполнение льдом пор и трещин в горных породах. Лед в крупных трещинах и
пустотах может находиться в виде ледяных жил и клиньев. Наконец, могут быть мощные
скопления льда в виде слоев, больших линз, глыб, погребенных среди слоев, скованных вечной
мерзлотой.
Такие массы льда, сохраняющиеся длительное время, получили название каменного или
ископаемого льда.
В условиях вечной мерзлоты существуют и водоносные горизонты, которые делятся на
надмерзлотные (находятся в деятельном слое), межмерзлотные (циркулируют в талых прослоях)
и подмерзлотные (залегают ниже слоя вечной мерзлоты). Межмерзлотные и подмерзлотные
воды заслуживают большого внимания как источники водоснабжения. С надмерзлотными –
связан ряд рельефообразующих процессов, в частности – образование наледей. Надмерзлотные
воды в большинстве случаев сезонные; летом циркулируют в оттявшем деятельном слое, а
зимой промерзают, и только там, где слой сезонной мерзлоты не смыкается с вечной мерзлотой,
эти воды находятся в движении круглый год. Связанные с этими водами наледи образуются
зимой, когда надмерзлотная вода, движущаяся по склону, оказывается между вечной мерзлотой
и слоем сезонной мерзлоты. Живое сечение водоносного слоя сокращается, и вода оказывается
под сильным напором. При малом притоке и напоре происходит вспучивание грунта и
образование тонкого слоя воды в образовавшейся полости. При замерзании ее возникает
подземная наледь; в случае концентрации напора под небольшим участком поверхности
образуется бугор с водяным ядром – гидролакколитом, у которого вода может позднее
замерзнуть, и бугор с ледяным ядром будет долго сохраняться в рельефе. Если давление
оказывается большим и воды поступает много, то слой сезонной мерзлоты взрывается и вода
выливается на поверхность, где быстро замерзает и превращается в грунтовую наледь.
Наледи образуются и на реках в тех местах, где при быстром нарастании ледяного
покрова и водоупорном (например, скальном) дне вода не успевает проходить через оставшееся
живое сечение. Взламывая лед (иногда прорываясь через галечный аллювий на пойму), вода
выходит на поверхность, заливает большие пространства и замерзает. При достаточно обильном
подземным питании данной реки размеры наледей (площадь и мощность) могут оказаться до 10
км2, а мощность – до 30-40 метров. Такие крупные наледи иногда не успевают стаять за лето. На
выходах источников подмерзлотных и межмерзлотных вод зимой часто образуются родниковые
наледи (накипи).
Специфичным процессом в условиях вечной мерзлоты является термокарст. Развивается
он в том случае, когда нарушается режим мерзлых грунтов, содержащих погребенные
(каменные) льды. При таянии этого льда, лежавшие на нем грунты оседают, образуются
впадины и воронки, достигающие больших размеров по площади и глубине, похожие на
карстовые воронки, за что это явление и получило свое название. В образующихся впадинах
может сохраняться вода (термокарстовые озера), а в случае ее ухода – образуется котловина –
алас с заболоченным, иногда сухим, дном. Термокарст может развиваться и при отсутствии
сплошных масс ископаемого льда. Многие грунты, накапливающиеся в долинах рек, в озерах и
болотах, часто обладают очень большой льдистостью, то есть объем льда в них очень велик (до
60% и более от общего объема образца грунта). При оттаивании такого грунта, как и при
классическом термокарсте, возникают просадки, формируются впадины и котловины. На месте
прохождения тракторов, разрушающих растительность, предохранявшую грунт от таяния, в
тундре возникают глубокие рвы, исключающие возможность дальнейшего пользования
накатанным путем.
При оттаивании льдистого грунта на склонах он, будучи насыщен водой, разжижается и
сползает. Природный процесс развивается сравнительно медленно и известен под названием
солифлюкции. В результате его на склонах появляется сеть мелких бороздок, иногда возникают
бугры наползающего грунта, которые чаще образуются в основаниях склонов и на дне долин.
Растительный покров даже тундровых растений сдерживает этот процесс, замедляет его
развитие. При воздействии на местность человека (например, уничтожение растительного
покрова) оттаивание грунтов резко возрастает, усиливается их сползание, на склонах
появляются борозды с разорванным и снесенным растительным покровом, разжиженные грунты
начинают двигаться в виде потоков грязи, процесс принимает подчас катастрофические размеры
и сильно разрушает склоны.
Рельефообразующая роль намерзлотных вод приводит к образованию не только бугровлакколитов и наледей, но и к образованию так называемых булгунняхов, крупных бугров 10-20
метров, реже до 40 м. Также, содержащаяся в деятельном слое вода участвует в развитии
различных форм микрорельефа тундровых пространств. К этим формам относится пятнистая
тундра, каменные кольца, многоугольники и т.д.
Образование пятнистой тундры происходит при неравномерном промерзании
деятельного слоя, когда в остающихся непромерзших участках возникает сильное давление, при
этом грунт на поверхности растрескивается, а незамерзшая, разжиженная масса выдавливается
на поверхность. Каменные кольца и многоугольники возникают на грунтах, содержащих щебень
и валуны, которые выталкиваются на поверхность давлением разжиженных масс (под валуном
замерзание происходит медленнее, чем в открытом грунте) с последующим расталкиванием
вымороженных камней к краям глиняных пятен. Форма пятен определяется в значительной
степени рельефом той поверхности, на которой они образуются. На ровной местности пятна
округлые, на склонах – вытянутые вниз по склону.
Для районов развития вечной мерзлоты характерен высокий коэффициент стока, что
объясняется полной водоупорностью замерзших грунтов и слабым испарением с холодной
поверхности земли. Это отражается на работе рек, которые при значительных уклонах могут
нести большое количество наносов. При уменьшении уклонов река отлагает большие массы
принесенного материала, образуя промежуточные дельты, и, частично, освободившись от
переносимого материала, течет дальше. В местах обильного отложения наносов (в пределах
промежуточной дельты) образуются многочисленные рукава и протоки, широкие и высокие
прирусловые валы, мели и т.д. При малых уклонах поверхности в этих местах возникают на
пойме озера, вода которых сдерживается промерзшими прирусловыми валами.
Возведение зданий и различных инженерных сооружений на рыхлых (дисперсных)
грунтах, скованных вечной мерзлотой, требует применения специальных конструкций, и
принятия ряда мер, предохраняющих эти сооружения от разрушения. Даже обычные реперы при
топографической съемке местности должны устанавливаться с соблюдением специальных
требований. Реперы, установленные в деятельном слое, очень недолговечны, обычно на второй
или третий год они вымерзают – вытягиваются из земли и падают. Происходит это от того, что
замерзание грунтов деятельного слоя сопровождается его выпучиванием. Примерзший к
скованным сезонной мерзлотой слоям репер приподнимается, а под его основание затекает
разжиженный и еще не замерзший грунт, который летом мешает опуститься реперу на прежнее
место. Ежегодно повторяясь, этот процесс приводит к полному выталкиванию репера на
поверхность земли. Для предохранения реперов от вымораживания их надо устанавливать с
заглублением и вмораживанием в слой вечной мерзлоты.
То же самое происходит и с инженерными сооружениями. Борьба с вредным влиянием
вечной мерзлоты ведется или путем искусственного понижения ее уровня на такие глубины, при
которых она не будет влиять на сооружение, или путем поддерживания мерзлоты в ее прежнем
состоянии. Последний способ выгодней, т.к. его можно осуществить сравнительно простыми
мерами. Для этого под жилыми домами оставляют неотапливаемое пространство, которое
умышленно усиленно промораживают зимой, а летом предохраняют от прогревания.
Обращенные к солнцу стороны сооружений (особенно их основание) затеняются, под стенами
делается теплоизоляция, препятствующая передаче тепла на замерзшие слои через фундамент.
ЛЕКЦИЯ №9
Основные понятия и теория инженерно-геологических исследований. Инженерная
геология – отрасль геологии, изучающая горные породы и геологические процессы,
протекающие в верхних горизонтах земной коры, в связи с инженерной деятельностью
человека. Важнейшими разделами инженерной геологии являются грунтоведение, инженерная
геодинамика и региональная инженерная геология.
Главная цель инженерной геологии – изучение природной геологической обстановки
местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в
геологической среде, и в первую очередь в породах, в процессе строительства и при
эксплуатации сооружений. В современных условиях ни одно здание или сооружение не может
быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться (а в последствии может быть
ликвидировано или реконструировано) без достоверных и полных инженерно-геологических
материалов.
Объектом изучения инженерной геологии являются грунты – почвы и горные породы,
изучаемые как основание фундаментов различных инженерных сооружений, как среда, в
которой строятся каналы, котловины, тоннели, карьеры и др., как строительный материал для
возведения насыпей, дамб, плотин. Основными задачами всех выполняемых исследований
являются изучение и оценка инженерно-геологических свойств грунтов (физических,
механических, водных, коллоидно-химических и др.), т.е. тех свойств, которые определяют
поведение горных пород при использовании их в качестве объектов инженерно-строительной
деятельности. В некоторых случаях для строительства и эксплуатации сооружений может
потребоваться искусственное улучшение инженерно-геологических свойств грунтов
(инженерная мелиорация). Существует несколько классификаций грунтов: по их
использованию, по гранулометрическому составу, по генезису и др. Классификация грунтов
отражает их свойства. В настоящее время грунты согласно ГОСТ – 25100-95 разделяют на
следующие классы - природные: скальные, дисперсные, мерзлые и техногенные образования.
Каждый класс имеет свои подразделения – группы, подгруппы, типы, виды и разновидности.
Скальные грунты. Их структуры с жесткими кристаллическими связями, например,
гранит, известняк. Класс включает две группы грунтов:
1. скальные, куда входят три подгруппы пород – магматические, метаморфические,
осадочные сцементированные и хемогенные;
2. полускальные в виде двух подгрупп – магматические излившиеся и осадочные
породы типа мергеля и гипса.
Дисперсные грунты – состоящие из отдельных минеральных частиц (зерен) разного
размера, слабо связанных друг с другом, образуются в результате выветривания скальных
грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания и их отложения. То есть в
этот класс входят только осадочные горные породы. Класс разделяется на 2 группы – связных и
несвязных грунтов. Для этих грунтов характерны механические и водноколлоидные
структурные связи. Связные грунты делятся на три типа – минеральные (глинистые
образования), органо-минеральные (илы, сапропели и др.) и органические (торфы). Несвязные
грунты представлены песками и крупнообломочными породами (гравий, щебень и др.).
Мерзлые грунты. Имеют криогенные структурные связи, т.е. цементом грунтов является
лед. В состав класса входят практически все скальные полускальные и связные грунты,
находящиеся в условиях отрицательных температур. К этим трем группам добавляется группа
ледяных грунтов в виде надземных и подземных льдов.
Техногенные грунты представляют собой, с одной стороны, природные породы –
скальные, дисперсные, мерзлые, которые в каких-либо целях были подвергнуты физическому
или физико-химическому воздействию, а с другой стороны, искусственные минеральные и
органо-минеральные образования, сформировавшиеся в процессе бытовой и производственной
деятельности человека. Последние нередко называют антропогенным образованием.
Состав грунтов. Химический состав грунтов является одной из важнейших
характеристик, определяющих их свойства и состояние. Но гораздо более важной
характеристикой грунтов является минеральный состав, определяющий, в конечном счете как
саму породу, так и ее состояние и инженерно-геологические свойства. Наиболее
распространенными в горных породах являются около 100 минералов. Эти минералы называют
главными породообразующими. Другие обычно содержатся в породе в весьма незначительных
количествах (доли %) и их называют акцессорными минералами. Кроме этого встречаются так
называемые случайные минералы или примеси. Важным компонентом состава горных пород
является ОВ, или как принято говорить, «биота».
Гранулометрический и микроагрегатный состав, имеет огромное значение при оценке
инженерно-геологических свойств грунтов. Количественные соотношения и размер слагающих
элементов в обломочных осадочных породах является одним из основных классификационных
показателей. Все дисперсные горные породы состоят из частиц одной или нескольких фракций.
Под фракцией понимается группа частиц определенного размера, обладающих некоторыми
достаточно постоянными общими физическими свойствами. Под гранулометрическим составом
понимается количественное соотношение различных фракций в дисперсных породах, т.е.
гранулометрический состав показывает, какого размера частицы и в каком количестве
содержатся в той или иной породе. Содержание фракции выражается в % по отношению к массе
высушенного образца.
Грунты обладают пористостью, а наличие пор определяет возможность содержания в
грунтах газов и воды. В зависимости от того, насколько заполнены поры одним из этих
компонентов, грунты будут представлять собой двух – или трехкомпонентную систему.
Полностью водонасыщенные грунты рассматриваются как двухкомпонентная система.
Строение грунтов. Под строением грунтов понимают совокупность их структурнотемпературных особенностей, т.е. их структуру и текстуру.
Состояние грунтов. К числу характеристик, определяющих состояние грунтов, относят
степень трещиноватости, выветрелости, влажности, водонасыщенности, плотности и др.
Основные понятия при оценке инженерно-геологических свойств грунтов.
Плотность грунта – это отношение массы породы, включая массу воды в ее порах, и
занимаемому этой породой объему. Плотность породы зависит от минералогического состава,
влажности и характера сложения (пористости) ρ=m/v, где ρ – плотность грунта, г/см3, кг/м3, т/м3;
m – масса породы с естественной влажностью и сложением, г; v – объем, занимаемый породой,
см3.
Плотность частиц грунта – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в его
порах, к объему твердой части этого грунта: ρS=(m-mв) /VТ, где ρS – плотность грунта, г/см3,
кг/м3, т/м3; mв – масса воды в порах грунта, г; VТ – объем твердой части грунта, см3.
Удельный вес грунта – характеризует отношение веса грунта, включая вес воды в его
порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры: γ = ρ·g, где γ – удельный вес грунта,
H/м3; g – ускорение свободного падения, равное
9, 81 м/сек.
Пористость пород представляет собой характеристику пустот или свободных
промежутков между минеральными частицами, составляющими породу: n = (Vп /V)·100, где Vп –
объем пустот породы, см3; V – объем, занимаемый породой, см3.
Коэффициент пористости – отношение объема пор к объему твердых минеральных
частиц породы. Выражается в долях единицы: е = Vп/VS.
Влажность породы w – отношение массы воды, содержащейся в порах породы, и массе
сухой породы.
Итак, физико-механические свойства дисперсных грунтов зависят от соотношения
твердой и жидкой минеральных компонент грунта, а также от содержания биоты и газов.
Наибольшее значение для скальных грунтов имеет содержание в них породообразующих
минералов, их трещиноватость, и выветрелость.
В том случае, если в естественных условиях горные породы не обладают необходимой
прочностью, устойчивостью или другими качествами, обеспечивающими рациональную
конструкцию сооружения и его нормальную эксплуатацию, возникает необходимость в
искусственном изменении (улучшении) их инженерно-геологических свойств. Искусственное
изменение свойств горных пород называют технической мелиорацией. Современные способы
технической мелиорации позволяют придавать связность сыпучим породам, монолитность
скальным породам, разбитым трещинами; увеличивать прочность глинистых и песчаных
рыхлых пород; уменьшать пылимость глинистых пород на дорогах; понижать
водопроницаемость, повышать механическую прочность пород; повышать морозоустойчивость;
повышать плотность рыхлых пород, изменять консистенцию глинистых пород и т.д.
Все способы изменения свойств пород можно разделить на две группы. Первая группа –
способы, которые обеспечивают коренное изменение свойств пород на длительный срок. Это
цементация, силикатизация, битумизация, глинизация, термическая обработка. Вторая группа –
способы, при помощи которых свойства пород изменяют на короткое время, в основном на
период производства строительных пород (замораживание и осушение).
В строительном деле важнейшей задачей является прогноз возможных нарушений
природной среды и выработка рекомендаций по их устранению, то есть для этого нужна
система управления природными процессами, которые будут сопровождать строительство. В
связи с этим появился мониторинг, как новая отрасль науки. Мониторинг – это система
наблюдений оценки и прогноза состояния окружающей человека природной среды.
Дополнительно к этому в практику вошел другой термин – литомониторинг, который применим
к земной коре, т.е. к геологической среде. Охрана земной коры складывается из трех основных
проблем:
1. охрана геологической среды;
2. охрана почв;
3. борьба с инженерно-геологическими процессами.
Геологическая среда включает в себя рельеф и горные породы земной коры.
Строительство объектов серьезно нарушает геологическую среду. Поэтому при проектировании
объектов следует составлять программу по предотвращению или восстановлению техногенно
нарушенной геологической среды. При этом следует помнить, что природа, в свою очередь,
постоянно изменяет геологическую среду. В силу естественных причин, связанных с
глобальными геологическими процессами, протекающими как в глубинных зонах Земли, так и в
ее поверхностной части, стоит вспомнить такие явления, как землетрясения, вулканизм, речная
эрозия и т.д.
Охрана почв. Поверхностный слой земной коры – почвы играют одну из важнейших
ролей в протекании жизненных процессов. Почвы – источник получения продуктов питания.
Общая площадь почвенного покрова сокращается. Это во многом связано с отрицательным
воздействием техногенной деятельностью человека. Перед строительством почвенный слой
должен быть снят и размещен на другой территории, где почва может впоследствии принести
человеку пользу. Строительство и эксплуатация объектов нередко приводит к образованию
инженерно-геологических процессов, которые серьезно нарушают целостность земной коры
(оползни, обвалы, провалы земной поверхности над подземными выработками, подтопление
водой объектов и т.д.). Охрана земной коры в этих случаях складывается в виде разработки
способов защиты территорий. Выбор способа защиты диктуется местными геологическими
условиями и природной обстановкой.
Рекультивация нарушенных земель – восстановление поверхности земной коры,
нарушенной в процессе техногенной деятельности человека.
Рекультивация бывает двух видов: горно-техническая и биологическая. Не менее важным
мероприятием по охране природы при строительстве и эксплуатации объектов является борьба с
запылением воздуха, загрязнением водоемов и зеленых массивов, против усиления эрозии,
отравления почв.