Метод определения абсолютного возраста пород. Метод основан на использовании изотопов химических элементов. В горных породах обычно содержится некоторое, иногда очень ничтожное, количество радиоактивных элементов (U, Ra, Th и др.). Каждый их них распадается с присущей только ему скоростью. Процессы распада идут самопроизвольно и на скорость распада не влияют ни какие внешние факторы. Поэтому радиоактивные элементы могут служить эталоном геологического времени. Длительность процесса обычно очень велика. Например, период полураспада урана U составляет 5 млрд. лет. При тщательном и весьма точном анализе горной породы устанавливается, сколько в ней появилось Pb (продукт распада) и сколько осталось неразложившегося радиоактивного элемента. На этом основании и определяется возраст породы. Для образования из ста граммов урана одного грамма Pb потребуется 7400 млн. лет. Абсолютный возраст породы, лет, в которой найдено т, г U и n, г Pb, определяется по формуле:
A=,
где npb -- содержание в породе свинца, г;
mu -- содержание в породе урана, г.
На основе изучения геологического строения земной коры и истории развития жизни, исследователи получили возможность разбить всю геологическую историю Земли на отдельные отрезки времени и составить по данным абсолютного и относительного возраста горных пород шкалу геологического времени -- геохронологическую шкалу. Каждый отрезок геологического времени имеет свое название и индекс (на геологических картах также применяют различные цвета). Для слоев пород, которые образовались в эти отрезки времени, были предложены свои названия, что позволило создать стратиграфические шкалы: фанерозоя и криптозоя. Толщу пород, образованную за время эона называют эонотемой, за время эры -- эратемой, за время периода - системой, за время эпохи -- отделом. Самый короткий отрезок геохронологической шкалы - век, а образовавшаяся за это время толща горных пород называется ярусом. Например, К2dat читается как -- меловой период, поздняя эпоха, датский век, а цвет заливки на инженерно-геологической карте -- зеленый.
Метод определения относительного возраста пород.
Относительный возраст осадочных пород определяется на основе изучения условий залегания и взаимоотношения отдельных слоев осадочных пород и на основе изучения сохранившихся в них остатков растительных и животных организмов. Основной принцип определения относительного возраста пород этим методом заключается в том, что при последовательном залегании пластов осадочных пород лежащие ниже будут древнее, чем вышележащие.
Стратиграфический метод основан на изучении условий залегания пластов горных пород.
Палеонтологический метод получил в геологической практике наибольшее применение. Он основан на изучении ископаемых остатков вымерших организмов. Еще в начале XIX в. инженер Смит при строительстве каналов в Англии обнаружил в различных толщах многочисленные окаменелые остатки животных организмов. При изучении установлено, что отдельные формы животных организмов приурочены только к определенным слоям и отсутствуют в других. Был сделан очень важный вывод: в пластах одного и того же возраста присутствуют одни и те же ископаемые животные и растительные остатки, не встречаемые в более древних и более молодых отложениях. Установлено также, что чем пласт древнее, тем более простые формы организмов он содержит. Работы Ж.Б. Ламарка, Ч. Дарвина и других ученых по эволюции органического мира позволили установить, что органическая жизнь на Земле развивалась постепенно от более простых форм к более сложным. Животные и растительные организмы в течение геологической истории постепенно совершенствовались в борьбе за существование, приспосабливаясь к изменяющимся условиям жизни. Некоторые организмы на определенных стадиях развития Земли полностью вымирали, на смену им приходили другие -- более совершенные. Это позволило установить относительный возраст каждого организма в сравнении с другими организмами. Таким образом, палеонтологический метод дает возможность по остаткам организмов судить об относительном возрасте горных пород.
Эры и периоды геологической истории земли. N2, J1, C2, T1.
Эра | Период | Отдел | |
Кайнозойская KZ | Неогеновый -N | Плиоцен -N2 | |
Мезозойская MZ | Юрский -J | Нижнеюрский -J1 | |
Триасовый -Т | Нижнетриасовый-Т1 | ||
Палеозойская PZ | Каменноугольный-C | Среднекаменноугольный -С2 |
5. Опишите сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Приведите схемы нарушений форм залегания пород. Покажите зависимость силы землетрясения от состава пород
Процессы внутренней динамики Земли.
Земная кора (наружный слой Земли, мощностью 20-70 км на континентах и 5-15 км в океанах, ограниченный снизу поверхностью Мохоровичича) находится в постоянном и непрерывном движении: землетрясения, складчатые и разрывные нарушения, блоково-купольные поднятия, опускания и т.д. Эти движения и изменения лика земной коры происходят под действием внутренних (эндогенных), так называемых, тектонических сил Земли. Геологические тела (структурные формы), возникающие при тектонических движениях, несмотря на их значительное разнообразие, довольно приемлемо отражают главные движения земной коры:
· горизонтальные перемещения блоков земной коры;
· вертикальные колебательные движения в виде сопряженных во времени и пространстве поднятий и опусканий участков земной коры;
· складчатые деформации, поражающие практически все слоистые толщи земной коры (пликативные деформации);
· разрывные нарушения, расчленяющие земную кору на блоки различных размеров, включая мелкую трещиноватость (дизъюнктивные дислокации);
· магматические и вулканические перемещения расплавленного материала, взрывных газов, водных и грязевых смесей (инъективные дислокации);
· метаморфизм горных пород, возникающий в результате подъема глубинных флюидов и термических аномалий, что обусловлено тектоническими дислокациями и внедрением изверженных пород;
· сейсмические движения земной коры, землетрясения.
Перечисленные типы движений земной коры обычно взаимосвязаны между собой, нередко взаимообусловлены. Общим для них является изменение первоначальных условий залегания горных пород.
Процессы внутренней динамики Земли -- это процессы, происходящие в недрах Земли за счет распада радиоактивных элементов, в результате вращения Земли и ее силы тяжести. Эти процессы могут быть обусловлены также изменением скорости вращения Земли и угла наклона оси вращения. Выявляется существенная роль космических факторов на активизацию внутренней динамики Земли.
К числу важных процессов внутренней динамики следует отнести тектонические явления, изменяющие первоначальные условия залегания горных пород,
Тектонические процессы в зависимости от формы проявления делятся на три типа: колебательные; складчатые; разрывные. По времени проявления они подразделяются на: 1) современные; 2)1 новейшие, связанные с четвертичным периодом и 3) прошедших геологических периодов.
Схема нарушения форм залегания пород.
в) г)
Рис. Разрывные дислокации: а -- сброс; б -- взброс; в -- грабен; г -- горст.
Выделяются следующие, часто встречающиеся: сброс, взброс, грабен, горст, а также: ступенчатые сброс и взброс, сдвиг и надвиг.
Сброс -- это тектонический разрыв, при котором лежачее крыло поднято, а висячее - опущено. Сместитель падает в сторону опущенного крыла. В случае, если висячее крыло оказалось поднятым относительно лежачего, разрыв именуется взбросом. Аналогичный разрыв, но с плоскостью смещения, наклоненной под углом менее 45°, называется надвигом. Депрессии, ограниченные сбросами, падающими один навстречу другому, называются грабенами (от нем. Graben -- канава). Впадина оз. Байкал представляет собой грабен. Дно его лежит на глубине 1731 м ниже его уровня.
Горст (нем. Horst -- возвышенность, холм) -- поднятый участок земной коры, ограниченный с двух сторон падающими от него сбросами.
Зависимость силы землетрясения от состава пород.
Скорость распространения сейсмических волн определяется составом и физическим состоянием пород. В общем случае эту зависимость можно сформулировать следующим образом:
1. В плотных горных породах сейсмические волны распространяются быстрее и захватывают большие пространства; при этом разрушения зданий на этих горных породах менее значительны, чем на рыхлых.
2. В рыхлых горных породах волны распространяются слабее, но в то же время они являются наиболее разрушительными, вследствие неравномерного уплотнения пород и неравномерной осадки сооружений. Они разрушительны и в тех случаях, когда рыхлые породы незначительной мощности лежат на кристаллических породах и заболоченных землях. Разрушительная сила землетрясений зависит от их интенсивности (т.е. от количества освобождаемой энергии) и от глубины распространения очага -- гипоцентра.
В соответствии с этим все землетрясения по глубине очагов подразделяются на:
поверхностные от 1 до 10 км
коровыедо 50 км
глубокие до 700 км.
Чаще землетрясения возникают на глубине 20-50 км. Вертикальная проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром.
Сначала сейсмические волны достигают эпицентра, где удар направлен по вертикали. Затем сейсмические волны выносят колебания частиц в другие места земной поверхности, где удары направлены как бы сбоку. Чем меньше угол выхода удара а, тем слабее будут осуществляться удары.
Различают два типа волн: Р -- продольные и S -- поперечные.
Продольные волны вызывают колебания частиц горных пород вдоль направления сейсмических волн и они проявляются в виде переменного сжатия и расширения вещества в направлении их распространения. Продольные волны обладают наибольшим запасом энергии и распространяются с максимальной скоростью в твердых, жидких и газообразных средах. Скорость распространения продольных волн в гранитах и аналогичных породах составляет 5000-7000 м/с, в известняках 2000-5000 м/с, винах -- 1500-2000 м/с, песках -- 500-1000 м/с.
Поперечные волны вызывают колебания частиц среды в направлении, перпендикулярном к направлению луча продольной волны, Поперечные волны распространяются только в твердой среде и несут меньший запас энергии. Скорость распространения меньше в 1,7 раза, чем продольных волн.
На поверхности земли от эпицентра во все стороны расходятся волны особого рода -- поверхностные (L-волны), являющиеся по своей природе волнами тяжести. Скорость их распространения ниже, чем у поперечных, но они оказывают на сооружения неблагоприятные воздействия. L-волны подразделяются на волны Лява и волны Рэлея.
6. Объясните сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Опишите данные вам процессы и возможные защитные мероприятия
Процессы внешней динамики Земли.
Солнечная энергия порождает на поверхности Земли различные экзогенные процессы. Среди них важное значение имеет выветривание. Термин «выветривание» широко вошел в литературу, но он не отражает сложности и существа природных процессов, определяемых этим понятием. Во всяком случае, выветривание не следует смешивать с деятельностью собственно ветра.
Выветривание -- это процесс физического и химического разрушения горных пород под воздействием температурных колебаний, замерзания и оттаивания воды в трещинах пород, под химическим воздействием воды, а также в результате деятельности различных организмов, газов: кислорода и углекислого газа (находящихся в атмосфере и растворенных в воде) и ветра.
Главной особенностью выветривания является постепенное дробление горной породы, при котором происходит исчезновение прочных кристаллизационных связей и возникновение новых, сравнительно слабых в механическом отношении коллоидных связей.
Многолетняя мерзлота.
Существуют зоны земной коры, в которых на некоторой глубине в течение тысячелетий сохраняется отрицательная температура. Это явление называют вечной мерзлотой, устойчивой мерзлотой или многолетней мерзлотой. Многолетнемерзлые породы имеют широкое развитие, и площадь их распространения составляет около 25% всей суши земного шара.
Многолетнемерзлые горные породы развиты в северных, северо-восточных и восточных районах России. Южная граница их распространения имеет весьма прихотливые очертания. В пределах Кольского полуострова и севера европейской части России она оконтуривает относительно узкую полосу, постепенно расширяющуюся к Уралу. После резкого изгиба к югу вдоль Уральского хребта она несколько отклоняется к северу и проходит на огромных пространствах западной Сибири почти в широтном направлении, пересекая реки Обь и Енисей. Далее она круто поворачивает к югу, протягивается вдоль правого берега р. Енисей и, огибая Алтай, уходит за пределы России, вновь появляясь на юго-востоке страны, проходя по левобережью Амура.
Достаточно широкое распространение многолетнемерзлые горные породы имеют на Северо-Американском континенте, на островах Северного Ледовитого океана, в Гренландии, Антарктиде.
Мощность вечномерзлых пород колеблется от десятков сантиметров до сотен метров. Жители Якутска в 1632 г., намереваясь черпать воду из колодца, рыли колодец до 16 м и оставили его в вечномерзлых грунтах. Эту попытку для получения питьевой воды повторил в 1826 г. житель Якутска Ф. Шергин. Но, несмотря на большую глубину (116,4 м), колодец не вышел из мерзлого грунта. Установлено, что мощность толщи вечномерзлых грунтов в районе Якутска составляет 250 м. максимально установленная мощность толщи многолетнемерзлых пород составляет 1450 м. Это в южной части Анабарского массива в верховьях р. Мархи. В районе хребтов Удокан и Жодарский мощность толщи вечномерзлых пород достигает 1300 м.
Защитные мероприятия.
Выбор того или иного метода зависит от конструктивных термических характеристик возводимых зданий и сооружений от геоморфологических и геотехнических характеристик условий залегания толщи вечномерзлых пород.
Метод строительства без учета температурного режима грунтов может применяться в тех случаях, когда основание сооружений на всю глубину оттаивания являются скальные роды,
Метод строительства с сохранением режима вечной мерзлоты применяется для неотапливаемых зданий и сооружений, также для зданий, отапливаемых с применением мер по сохранению вечномерзлого состояния грунтов основания. Этот метод используется, главным образом, в тех случаях, когда мерзлые грунты имеют большую мощность (15-20 м и более), а сооружение не выделяет большого количества тепла. В этих условиях мерзлое состояние грунтов может быть сохранено без сложных конструктивных решений и значительных затрат. В этом случае устраивают продуваемые крупнопористые каменные подсыпки под всей площадью основания здания или устанавливают сооружение на свайном фундаменте с проветриваемым подпольев Ленточные фундаменты почти не применяются. Известны некоторые старинные здания (двухэтажный дом архиерея в Якутии и инженерные склады в Чите), имеющие проветриваемые подполья, которые сохранились без значительных деформаций. четно-теоретическое и конструктивное обоснование принцу использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований зданий и сооружений с сохранением их мерзлого состояния был произведено в конце 20-х годов XX в. в связи с проектированем и строительством Петровско-Забайкальского металлургического завода и Якутской ЦЭС. В настоящее время этот метод является общепризнанным и универсальным.
Метод возведения сооружений с предварительным протаиванием вечномерзлой толщи применяется главным образом в тех случаях, когда сооружения выделяют большое количество тепла сохранение мерзлого состояния грунтов оказывается технического невозможным или экономически невыгодным. Если мерзлый слой не более 10 м, то рекомендуется: летом снять верхний утепленный слой грунта (мох, дерн, торф) и оставить его протаивать. В зимнее время на участке предусмотреть снегозадержании для утепления поверхности грунта. Таким образом, в течение 2-3 лет вечномерзлые породы оттаивают на 5-6 м. Оттаивание можно производить с помощью пара: через паровые иглы пропускают горячий пар и породы оттаивают на 7-10 м.
Метод строительства и эксплуатации сооружений с последующим оттаиванием вечномерзлых пород применим, когда:
1. температурный режим грунтовой толщи близок к 0°С;
2. грунты при оттаивании не являются сильно просадочными и осадка их меньше предельной величины для данного сооружения.
По этому методу рекомендуется возводить сооружения лишь на гравелистых, щебенистых, песчаных грунтах, уплотняющихся при оттаивании под нагрузкой, но не выдавливающихся из-под подошвы фундамента.
Строительство насыпей железных дорог. Строители железных дорог впервые встретились с вечномерзлыми породами в начале XX века на участке Транссибирской магистрали в пределах Читинской и Амурской областей. Стремление сохранить в мерзлом состоянии льдистые породы в основании земляного полотна выражалось в назначении высоты насыпей не менее 2 м. При отсыпке их использовались любые горные породы. Последующая эксплуатация железных дорог показала, что сохранить грунты основания в мерзлом состоянии не удалось, на значительном протяжении имелась неравномерная осадка земляного полотна. В 30-40 годы XX в. строительство железных дорог в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока велось по принципу сохранения вечномерзлых пород в основании земляного полотна дорог. С целью сохранения вечной мерзлоты намечалась укладка термоизоляции из торфа и мха в основании насыпей, а также покрытие ими откосов насыпей и выемок. На состояние земляного полотна оказывают влияние:
· состав и свойства грунтов насыпи и ее основания;
· высота насыпи;
· температура вечномерзлых грунтов;
