Земля в мировом пространстве и ее происхождение 

1.Земля в мировом пространстве и ее происхождение

Земля - одно из бесчисленных небесных тел, рассеянных в безграничном пространстве Вселенной. Положением Земли в мировом пространстве люди стали интересоваться еще в далеком прошлом. В то время Земля считалась центром мира, вокруг которого вращаются все планеты, в том числе Солнце. Подробно эта схема мироздания была разработана александрийским ученым Птоломеем во II веке н. э. и называлась геоцентрической.

Истинное положение Земли как одной из планет Солнечной системы было доказано в XVI веке польским астрономом Николаем Коперником (1473-1543). Его открытие послужило толчком для развития астрономии на научной основе.

Солнечная система, которой принадлежит Земля, - весьма небольшой участок Вселенной, примыкающий к относительно крупному по размерам и массе центральному телу - Солнцу. Вокруг него по определенным орбитам вращается множество мелких тел - планеты, спутники, астероиды, кометы, а также космическая пыль и газы.

Планеты вращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости по орбитам, близким к круговым. В Солнечной системе известно 9 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Расстояние их от Солнца подчиняется определенной закономерности: расстояние последующей планеты приблизительно в два раза больше, чем предыдущей. Земля находится от Солнца на расстоянии 149.500 тыс. км - 1 астрономическая единица. По положению в Солнечной системе, размерам и особенностям строения планеты делятся на две группы: "земного" типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Планеты первой группы имеют сравнительно высокую плотность, небольшие размеры, мало спутников. Планеты-гиганты, напротив, имеют малую плотность, близкую к 1, огромные размеры, много спутников.

Луна - естественный спутник Земли, находящийся от нее на расстоянии 384.400 км (между центрами). Диаметр Луны 3476 км. Оказывает на Землю и ее движение значительное влияние (приливы и отливы, а также деформации в твердой оболочке, аналогичные им). Плотность Луны 3,34 г/см3 (0,6 плотности Земли), масса = 1/81 массы Земли. На Луне нет атмосферы. Специфическая черта лунного ландшафта - изобилие характерных кольцевых гор, образующих различные кратеры и цирки. В недрах Луны нет тяжелых элементов-металлов, у нее нет магнитного поля. На поверхности Луны выделяются "моря" и "суша". "Моря" заполнены породами типа базальтов, выполняющих дно земных океанов. В составе лунных пород преобладают SiO2 (40,0-43,8%), FeO (18,0-21,3%), Al2O3 (11,0-13,6%), CaO (10,0-10,7%), MgO (7,0-11,7%); соответствующие анализы для земных толеитовых базальтов дают 47,9%, 9,8%, 11,8%, 9,3%, 14,0%. Воды в лунных породах нет, а в примесях в разных, но, в общем, малых объемах встречаются почти все элементы, известные на Земле. Из минералов для лунных пород типичны пироксены, плагиоклазы, ильменит, оливин, кристобалит. Для "суши" - породы типа анортозитов. Возраст образцов лунных пород - 3,6-3,9 млрд. лет - сходен с возрастом земных пород.

Солнце - центральное тело Солнечной системы, оказывающее на Землю наибольшее влияние. Масса Солнца в 332400 раз больше земной. Диаметр Солнца в 109 раз больше диаметра Земли и равен 1391 тыс. км.

Температура поверхности солнца 6000о, а в недрах 20000000о. Энергия

Солнца обусловливает большинство физических и химических процессов на Земле, является источником жизни. В то же время Солнце - рядовая звезда Вселенной.

Земля получает лишь 1/2200000000 долю энергии Солнца, но и ее хватает для создания благоприятных жизненных условий.^[1]

До середины XVIII века представления о происхождении Земли носили мифический, религиозный характер.

В середине XVIII века И. Кант, а позднее П.С. Лаплас, создали первую гипотезу происхождения, образования Вселенной и, в частности Земли.

Еще во времена зарождения науки о Земле вопрос о ее происхождении рассматривался в тесной связи с проблемой происхождения Солнечной системы в целом. В 1755 году появилась гипотеза, выдвинутая известным немецким ученым И.Кантом: Солнечная система произошла из рассеянной материи, "первичного хаоса". Частицы "хаоса" вначале были неподвижны, но, по мере того как более плотные и крупные частицы притягивали менее плотные (по закону всемирного тяготения), они приходят в движение. Так образовались крупные сгустки, которые представляли собой обособленные звезды и планеты. Важно в гипотезе Канта то, что устранен вопрос о первом, "божественном", толчке (который предполагал Ньютон). Все в этой гипотезе объясняется физическими законами.^[2]

Французский математик и астроном П.Лаплас развил эту гипотезу. Он заметил, что все планеты Солнечной системы движутся вокруг Солнца почти в одной плоскости и по близким к круговым орбитам, в одном направлении. Исходя из этого, Лаплас представил образование Солнечной системы из гигантской раскаленной газовой вращающейся туманности с более плотным центральным ядром. Вследствие сжатия туманности увеличивается скорость ее вращения. В результате возрастающей центробежной силы от туманности стали отделяться концентрические газовые кольца вдоль экваториальной плоскости. Кольца продолжали вращаться, а в результате неравномерного распределения материи в них возникли сгущения - зародыши планет, а также их спутников. Окончательное формирование планет происходило при остывании газовых сгустков. Гипотеза Канта-Лапласа получила широкое признание и считалась непреложной в течение более чем ста лет.

В начале ХХ века были выявлены некоторые особенности строения

Солнечной системы, которые не укладываются в рамки гипотезы КантаЛапласа (Уран вращается на боку, некоторые спутники Юпитера, Сатурна и Урана, сам Уран и Венера вращаются в другую сторону). Против гипотезы были и некоторые законы механики.

В 30-х годах нашего столетия популярность получила гипотеза английского ученого Д.Джинса о том, что планетные сгустки материи были вырваны из Солнца притяжением проходящей близко гигантской звезды. Он, по сути дела, вернулся к "приливной" гипотезе Ж.Бюффона о сгустке, вырванном из Солнца кометой. Но, во-первых, вероятность такого события в нашей области Галактики практически равна нулю, а во-вторых, как объяснить с этой точки зрения множественность планетных систем? Похожие идеи выдвинули также американские ученые Ф.Мультон и Т.Чемберлен.

В 40-х годах ХХ века внимание привлекла гипотеза образования планет из твердого метеорного вещества, разработанная советским академиком О.Ю.Шмидтом. По этой гипотезе Земля образовалась из разрежённого пылевого облака в результате неупругого соударения (аккреции) твердых частиц под действием взаимного притяжения. Предполагалось, что Земля была вначале холодной и разогрелась вторичным путем вследствие радиоактивного распада тяжелых элементов.

Гипотеза хорошо объясняет образование плотных малых и легких больших планет, а также распределение массы и момента количества движения (у Солнца соответственно 90% и 2%; у планет - 1/700 и 98%) в результате дифференциации роя с помощью Солнца. Пылевая материя была захвачена Солнцем из Галактики. Крупный недостаток гипотезы О.Ю.Шмидта - отрыв вопроса происхождения планет от проблемы происхождения Солнца и звезд, хотя в этих вопросах много общего. Мала вероятность встречи метеоритного облака по сравнению с газовым.

В настоящее время образование Солнечной системы представляется следующим образом:

•       образование Солнца и уплощенной вращающейся околосолнечной туманности из межзвёздного газопылевого облака, вероятно, под влиянием близкого взрыва "сверхновой" звезды;

•       эволюция солнца и околосолнечной туманности с передачей электромагнитным или турбулентно-конвективным способом момента количества движения от Солнца планетам;

•       конденсация "пыльной плазмы" в кольца вокруг Солнца, а материала колец - в планетезимали (путем аккреции);

•       дальнейшая конденсация планетезималей в планеты;

•       повторение подобного процесса вокруг планет с образованием их спутников.

Вся эта эволюция происходила очень быстро (всего около 100 млн. лет) и случилась приблизительно 4,7 млрд. лет тому назад^[3].

2                                                                                                      Методика диагностирования минералов с пояснением каждого свойства

Каждый минерал обладает определенным набором характеристик (признаков), которые позволяют отличить их друг от друга. Эти признаки определяются химическим составом, строением кристаллической решетки и силами связи между атомами или ионами в решетке.

Важнейшие диагностические признаки и свойства минералов, определяемые без специально оборудования условно подразделяются на оптические, механические и т.н. «особые».

К оптическим относятся: цвет, цвет минерала в порошке, блеск, прозрачность, эффекты типа иризации, опалесценции.налачие цветных пленок побежалости на поверхности.

Механические: твердость, излом, спайность, отдельность, ковкость.

К особым свойствам минерала относятся: форма выделения, магнитность, плотность (удельный вес), химические реакции, растворимость в воде и кислотах, вкус.

Для каждого минерала желательно изучать весь комплекс этих характеристик, хотя, для диагностики некоторых минералов достаточно 1-2 признаков.

В полиминеральных образцах необходимо определять диагностические свойства только изучаемого минерала (а не любого участка образца).

Внешний вид (форма выделения) - это характерный, но очень неустойчивый признак. Имеет две основные формы: кристалла и сростков кристаллов.

1. Кристалл – часто встречающаяся и самая характерная форма. Например, кристаллы гранатов, не зависимо от их размера и окраски всегда имеют форму сложного многогранника (двенадцатигранника). Из-за этого они выглядят как-бы округлыми.

Размеры кристаллов составляют от тысячных долей миллиметра (глинистые минералы) до нескольких метров (например, амазонит, кварц берилл). Вес – от тысячных долей грамма до десятков тонн.

Разнообразие существующих форм кристаллов можно подразделить на

3 типа (рис 1.).

1.                 Изометричные – имеющие близкие размеры во всех направлениях - кубы (галенит, пирит), тетраэдры (сфалерит) и др.

2.                 Вытянутые в одном направлении - призматические, столбчатые, шестоватые, игольчатые, волокнистые кристаллы (роговая обманка, хризотил-асбест, эгирин).

3.                 Вытянутые в двух направлениях (уплощенные) – таблитчатые пластинчатые, листоватые, чешуйчатые кристаллы.

                2.       Сростки кристаллов (срастания) имеют две разновидности:

•              закономерные – двойники (срастания и прорастания), тройники и т.д.;

•              незакономерные – случайные сростки хаотично ориентированных кристаллов. По внешнему виду последние очень разнообразны.

Незакономерные сростки кристаллов в свою очередь делятся на 10 подгрупп (см. табл. 1.).

Иногда в результате процесса метасоматического замещения или растворения с последующим заполнением пустот, кристаллические формы,

принадлежащие одному минералу, оказываются представленными другим минеральным веществом.

Подобные образования называются псевдоморфозами.

                                                                                                                              Чаще      всего      в     природе

минералы встречаются в виде зерен неправильной формы. Хорошо образованные кристаллы значительно более редки. Однако и при отсутствии естественной огранки, форма зерен многих минералов перекликается с формой

кристаллов свободного роста.

Рис. 1. Наиболее характерные формы кристаллических многогранников

а) – кубы; б) – октаэдры; в) – тетраэдры; г) – тетрагонтриоктаэдр; д) - пентагондодекаэдр; е) – ромбододекаэдр; ж) – трапецоэдр; з) – скаленоэдр; и) - ромбоэдр; к) – шестигранная призма; л) – трехгранная бипирамида; м) – трехгранная призма; н) – четырехгранная бипирамида; о) – четырехгранная призма; п) - шестигранная бипирамида.

Таблица 1: Основные формы выделения минералов.

Рис. 2. Характерные формы выделения

минералов и их агрегатов в природе:

А - единичный кристалл; Б – двойник горного хрусталя; В – “щетка” (аметист); Г - друза (турмалин); Д – жеода (аметист); Е – натек (опал); Ж – плотная зернистая масса (магнетит); З – вкрапления в породу (кианит); И – сталактит (кальцит); К, Л – конкреция фосфорита (она же в разрезе).

                Цвет минералов –    самый    яркий,     запоминающийся,    но    очень

обманчивый признак, так как может меняться у одного и того же минерала, или даже в пределах одного минерального зерна - такое явление называется полихромностью. Например, флюорит может иметь окраску самых разных цветов (красный, зеленый, желтый, черный).

С другой стороны, есть небольшое количество минералов имеющих относительно постоянную окраску. Так, хромовый гранат – уваровит изумрудно-зеленый, малахит – голубовато- или темно-зеленый, эпидот- фисташково-зеленый. Уже этот пример показывает необходимость использования уточняющих оттеночных эпитетов при описании минералов. Неудобством этого метода является некоторая субъективность оценки (синезеленый или зелено-синий?!), но для большинства случаев и этого достаточно.

Минералы имеющие несколько окрасок могут подразделяться на разновидности, имеющие разные названия. Особенно много таких разновидностей у кварца и халцедона (см. табл. 2).

Таблица 2. Окрашенные разновидности минералов кремнезёма.

Следует отметить, что на цвет минерала могут оказывать влияние состояние минерала. Например, окисление приводит к возникновению ярких пленок побежалости (по борниту), наличие микропористости (т.е. характер агрегата) дает молочно-белую окраску халцедону-кахолонгу…

Цвет минерала в порошке («цвет черты») – более устойчивый признак, чем цвет в образце. Для определения цвета черты куском минерала проводят по поверхности неглазурованной фарфоровой пластинки (бисквита). Так, например, гематит может в кристаллах как правило черный, в землистых массах красный, однако в порошке он всегда красный.

Прозрачность – свойство вещества пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности все минералы делятся на следующие группы: прозрачные, полупрозрачные, непрозрачные. Прозрачные минералы пропускают свет как обычное оконное стекло (горный хрусталь); полупрозрачные – как матовое стекло (жильный кварц). Непрозрачные минералы представлены преимущественно рудными минералами. Кроме выше указанных часто выделяют так же группу минералов, прозрачных только в тонкой пластинке (просвечивающих «по тонкому краю» или в тонком сколе). Характерным примером последних является кремень и кварцморион.

Блеск – способность отражать свет. Он зависит от характера химических связей в минерале и от формы выделения минерала. Блеск наблюдается визуально на свежем (не выветрелом) сколе минерала. Блеск зависит от показателя отражения минерала. Установлено, что минералы с показателем преломления 1,3-1,9 имеют стеклянный блеск, 1,9-2,6 – алмазный, 2,6-3,0 - полуметаллический, 3 – металлический.

По блеску все минералы делятся на 6 групп (от самого яркого до самого тусклого (см. табл. 3.):

Таблица 3. Классификация блеска минералов

Удельный вес (плотность) – масса единичного объема вещества (1 г/см³). Этот признак нельзя считать самостоятельным – его всегда используют в комплексе с другими диагностическими признаками. В полевых условиях плотность определяется грубо, путем взвешивания образца на ладони. Не смотря на грубость и приблизительность этой оценки, полученный результат при определении минералов может значительно сократить перебор возможных вариантов. Минералы по плотности можно грубо подразделить на 4 группы (см. табл. 4).

Таблица 4. Классификация минералов по их плотности .

Для сравнения: Земная кора (от поверхности Земли и до глубины 35 км) имеет среднюю плотность 2,5 г/см³. Средняя плотность всей Земли по расчетам примерно равна 5,5 г/см³.

Твердость – способность сопротивляться внешнему механическому воздействию. Твердость не соответствует прочности, например, алмаз твердый, но одновременно хрупкий. Наиболее простой способ ее определения – царапание одного минерала другим. Для оценки относительной (сравнительной) твердости принята шкала, предложенная в середине XIX века австрийским геологом Ф. Моосом (шкала Мооса), представленная 10 минералами, где каждый последующий (с бóльшим номером) царапает предыдущие (см. табл. 5).

Таблица 5. Шкала Мооса

Никакого физического смысла в баллах нет. Используемый для абсолютной диагностики прибор твердометр показывает, что в единицах г/см² между минералами-эталонами нет даже линейной зависимости твердости. По этой шкале самым мягким оказался тальк – минерал настолько мягкий, что стачивается при поглаживании рукой (поэтому он кажется мыльный на ощупь). Минералы, более твердые, чем кварц (топаз, рубин, алмаз и др.) в природе встречаются очень редко. Наибольшим распространением пользуются минералы малой и средней твердости – до 7 единиц.^[4]

Иногда минералы по их твердости разделяют на 4 группы:

•              Мягкие – твердостью меньше 2,5 (чертятся ногтем)

•              Средней твердости – от 2,5 до 5 (царапаются стеклом, железом)

•              Твердые – твердостью от 5 до 7 (царапаются кварцем)

•              Очень твердые – твердостью свыше 7 (царапают кварц) Для приблизительного определения твердости применяются

“подручные эталоны”: ноготь-2-2,5, медь-3,5, сталь, стекло-5,5-6, бисквит, углеродистые стали - до 7.

Хрупкость, упругость.Под хрупкостью подразумевается свойства минерала крошиться при проведении черты иглой или ножом- таковы большинство минералов. Ковкие минералы дают гладкий блестящий след от иглы или ножа, что свидетельствует о пластической деформации минерала (борнит). Они расплющиваются под ударом молотка в тонкую пластинку. Упругие – способны восстанавливать форму после снятия нагрузки.

Излом – это форма поверхности, которая образуется при разрушении минерального зерна. Излом трудно поддается систематизации, но обычно выделяют 7 основных видов (см. табл. 6.):

Таблица 6. Классификация изломов минералов.

Излом есть у всех минералов (у любого образца любого из минералов и в любом направлении).

Спайность– способность минералов (точнее – отдельных минеральных зерен) раскалываться по строго определенным направлениям, которые обусловлены закономерностями внутреннего строения кристаллической решетки минералов и образовывать при этом зеркально-ровные плоскости.

Для оценки спайности имеется следующая шкала:

1.                 весьма совершенная - кристалл колется на пластинки (слюды, гипс)

2.                 совершенная - кристалл колется в одном или нескольких направлениях, с образованием ступенчатых поверхностей. Неровные поверхности редки (галит, галенит, кальцит)

3.                 средняя - кристалл колется как со спайными, так и неровными поверхностями (полевой шпат, амфиболы)

4.                 несовершенная - спайные поверхности редки (но под микроскопом ясно видны).

5.                 весьма несовершенная - практически спайность отсутствует (кварц, касситерит)

Спайность может отсутствовать или быть проявлена в нескольких направлениях.

Трещины отдельности. В отличие от спайности, более грубые и не вполне плоские. Чаще всего ориентированы поперек удлинения кристаллов.

Возникают в результате механических повреждений.

Парагенетическая ассоциация минерала – это минералы, совместно с которыми данный минерал может встречаться совместно, поскольку образуются вместе (парагенетические- дословно «совместно рожденные») при данном наборе геологических процессов. Ассоциация не является самостоятельным диагностическим признаком, но может оказать неоценимую помощь при определении трудноопределимых и редких минералов найденных в районе хорошо изученных месторождений.

Определение в данном случае ведется методом исключения, т.е. при изучении образца отбраковываются известные исследователю определимые минералы. 1 – 2 оставшихся минерала – как правило акцессорные минералы, хорошо известные для данного местонахождения и описанные в соответствующей специальной литературе. В случае если признаки изучаемого минерала не совпадают с признаками ожидаемого, то первый изучаются более внимательно, при этом обязательно необходимо контролировать процесс диагностики по специальным определителям минералов и справочникам.

Особые свойства – это, характерные специфические свойства, присущие отдельным минералам, либо небольшим их группам. К таким специфическим свойствам могут быть отнесены радиоактивность, вкус, запах, реакции со стандартными реактивами и т.д.

Магнитностьопределяют с помощью компаса или магнитной стрелки. Минералы, обладающие магнитностью, способны отклонять магнитную стрелку прибора. Также можно использовать ЛЕГКУЮ намагниченную железную иголку на тонкой нити.

Запах минерала изучают при горении, трении двух кусков друг о друга, при резком ударе по образцу, при увлажнении от дыхания. В некоторых случаях запах минерала может служить даже поисковым признаком для поиска его скоплений. Однако, следует помнить, что зачастую, пахнущие минералы вредны для здоровья, и применять этот метод следует крайне осторожно.

Реакция с соляной кислотой(обычно используется 10% соляная кислота) или другими стандартными реактивами проверяется нанесением на образец капли этого реактива. Так, например, при взаимодействии с кислотой в случае положительной реакции капля «вскипает» от выделяющихся пузырьков газа. Иногда для получения реакции необходимо предварительно измельчить минерал в порошок или (и) нагреть его.

Растворимость. Небольшое количество минералов растворимо в воде. Для некоторых характерен вкус. Часть минералов растворяется в различных кислотах или их комбинациях (напр. Царская водка).^[5]

3   Геологическая деятельность вод поверхностного стока

                Атмосферные      осадки,      выпадая      на      дневную     поверхность,

распределяются различным образом. Часть из них просачивается в глубину и идет на пополнение подземных вод, часть испаряется в атмосферу, а другая часть стекает на поверхности, образуя поверхностный сток, который делится на площадной и линейный. Геологическая работа поверхностных текучих вод зависит от массы воды и скорости ее движения. Чем больше масса воды и скорость ее течения, тем больше совершаемая работа. Способность воды производить работу может быть названа ее живой силой, которая определяется по формуле:

где К – живая сила воды; m – масса; v – скорость течения

геологическая деятельность поверхностных текучих вод складывается из: 1 – смыва; 2 – размыва (эрозии); 3 – транспортировки продуктов разрушения; 4 – аккумуляции продуктов разрушения.

Площадной сток

При площадном стоке вода течет по всей поверхности наклонного склона в местах, где время от времени идут сильные дожди.

Геологическая деятельность площадного стока проявляется в смыве мелкозернистого обломочного материала (алевритовый, песчаный). Максимально смыв проявляется в местах лишенных растительности, на ровных склонах. За один сильный ливень при площадном смыве может быть снесен слой рыхлого материала толщиной в несколько миллиметров. Из бассейна равнинных рек (р. Миссисипи) за один миллион лет сносится слой мощностью до 50 м, а из бассейнов горных рек (Кавказ) – до 250 м.

Рис. 3. Виды эрозии

Линейный сток. При линейном стоке движение воды осуществляется в виде линейно направленных мощных струй и потоков в рытвинах, оврагах и речных долинах. Линейный сток делится на временный и постоянный.

Разрушительная деятельность любого водотока называется эрозия.

Различают три вида эрозии: донная, боковая и регрессивная (рис.3).

Соотношение донной, боковой и регрессивной эрозии меняется на разных стадиях развития речной долины.

Предельный уровень, к которому стремится водоток и глубже которого врезается водоток не может называться базисом эрозии. Всеобщий базис эрозии – уровень мирового океана. В районах сухого климата роль базиса эрозии играют поверхность предгорных равнин.

Продольный профиль динамического равновесия

Понижение базиса эрозии меняет режим потока и нарушает равновесие между эрозией и аккумуляцией, т.к. в приустьевой части увеличивается уклон русла и возрастает скорость течения (но количество воды остается прежним). Водоток начинает углублять свое русло до тех пор, пока уклон его не станет прежним (рис.4).

Рис. 4. Схема формирования продольного профиля равновесия:

 а – до изменения базиса эрозии, б – после понижения  базиса эрозии

Углубление русла в приустьевой части вызывает увеличение уклона и скорости выше, в соседнем участке. Глубинная эрозия таким образом будет распространяться вверх против течения по закону регрессивной (попятной) эрозии.

Рис. 5. Продольный профиль равновесия

В продольном профиле водотока выберем поперечное сечение в точке А и рассмотрим различные соотношения в этом сечении между количеством привносимого (Q1+2) и выносимого (Q3) материала (рис. 5).

1.                 Q₁ + Q₂ < Q₃ – это значит, что из сечения (А) водоток способен вынести больше материала, чем его привносится. Остается избыток энергии, которая будет расходоваться на эрозию

2.                 Q₁ + Q₂ > Q₃ – в сечении (А) происходит аккумуляция обломочного материала, т.к. его привноситься больше, чем выносится.

3.                 Q₁ + Q₂ = Q₃ – вся энергия водотока расходуется на перенос

материала. В сечении (А) не происходит ни эрозии, ни аккумуляции

Продольные профили, у которых в разных сечениях соотношения между (Q₁ + Q₂) и Q₃ разные, называются не выработанными. И профили, в которых эти соотношения уравновешены, т.е.  (Q₁ + Q₂) = Q₃ – называются выработанными.

Любой водоток все время стремится выработать продольный профиль динамического равновесия применительно к существующему в данный момент положению базиса эрозии. В любой точке такого профиля наблюдается равновесие между живой силой воды, количеством переносимого материала и сопротивляемостью дна пород на размыв.

Такова схема выработки продольного профиля равновесия реки при условии однородного состава размываемых его пород. При чередовании мягких и твердых пород в русле реки образуются пороги. Если река протекает по поверхности с расчлененным первоначальным рельефом, в русле ее образуются водопады. Один из крупнейших водопадов мира – Ниагарский, расположенный на границе США и Канады. Ширина его 914 м, высота падения воды 50 м. крупные водопады известны в Африке (Виктория, высота падения воды 120 м), в Южной Америке (Игуасу, 72 м), в Индии (Джерзоппа, 249 м), в Новой Зеландии (Сатерленд, 580 м) и др. В СССР крупные водопады находятся на Кавказе, Тянь-Шане, Памире.

Деятельность временных водотоков

На равнинных участках, сложенных рыхлыми толщами и где проявляются ливневые осадки, деятельность временного линейного стока сводится к оврагообразованию. Развитие оврагов начинается с лощины – это слабо выраженное понижение на поверхности склона, в котором собираются поверхностные воды и концентрируется водоток.  Если водоток достиг определенной силы, то возникает эрозионная рытвина, которая в дальнейшем превратится в молодой овраг, а затем в зрелый овраг. Дно у зрелого оврага покрыто отложениями – пролювием. Продольный профиль выработан и прекратились донная и регрессивная эрозии. Если дно зрелого оврага достигает уровня грунтовых вод, то возникает молодая (речная) долина, если нет – то овраг может оставаться в таком виде очень долго, склоны его выполаживаются, зарастают и он превращается в балку.

Рис. 6. Морфология сухой долины (а) и строение сухой дельты (б)

В горных районах в результате деятельности временных водотоков образуются сухие логаидолины, которые морфологически четко выражены (рис.6,а).в верховье они имеют водосборный цирк, а на выходе из лога формируется конус выноса (или сухая дельта), сложенная пролювием (рис.6,б). отложения временных водотоков (пролювий) характеризуется плохой окатанностью и сортировкой.

Деятельность постоянных водотоков

Деятельность постоянных водотоков во многом определяется их режимом (количеством и уровнем воды; скоростью течения), который в течение года меняется и зависит от способа питания рек.

В процессе своей деятельности постоянные водотоки вырабатывают эрозионно-аккумулятивные формы рельефа, которые получили название – речные долины.

Рис. 7. Элементы речной долины

Речная долина - это эрозионно-аккумулятивная форма рельефа, возникающая в результате деятельности постоянных водотоков.

В поперечном сечении речные долины могут иметь различную форму в виде глубоких каньонов, V – образную форму или плоскодонную (ящикообразную). Форма и размеры долин постепенно меняются в процессе развития речной долины (рис. 7).

Перенос и отложения водотоков

Реки переносят обломочный материал различной размерности – от крупных валунов до мелких илистых частиц. Чем больше скорость течения воды, тем более крупные обломки переносит вода.

Весь материал, который переносятся реками и затем откладывается называется аллювием. Аллювий может переносится тремя способами:

а) – влекомым – тащится и перекатывается по дну русла;

б) – во взвешенном состоянии;

в) – в растворенном виде.

Влекомые по дну обломки и взвешенные частицы  называют твердым стоком реки. Обломочный материал, перемещаемый рекой по дну, усиливает глубинную эрозию, а сам постепенно измельчается, истирается и окатывается – образуются валуны, галька, гравий, песок. Размер и масса обломков перекатываемых по дну, пропорциональна шестой степени скорости течения. При скорости течения 0.3 м/сек переносится по дну мелкий песок, а при скорости 2.0 м/сек – крупная галька (до 10 см).

Значительное количество минерального вещества (до 40%) переносится в растворенном состоянии. По данным М.Н. Страхова, в растворенном состоянии переносятся легкорастворимые соли (NaCl, KCl, MgSO₄, CaSO₄),  карбонаты (CaCO₃, MgCO₃, NaCO3) и кремнезем. Причем, на долю

карбонатов приходится до 60% ионного стока, а сульфатные и хлоридные соли играют заметную роль только в водах рек засушливых областей. В небольшом количестве в растворенном состоянии содержатся соединения Fe и Mn, которые образуют истинные и коллоидные растворы.

Следует отметить, что соотношение твердого стока рек и растворенных веществ не однозначны для рек разных областей. Так, в горных реках, отличающихся большой скоростью течения, явно преобладает твердый сток, особенно взвеси (б ) и соотношение а: б: в = 0.86: 6.8: 1. При этом влекомые по дну обломки (а ) представлены преимущественно галечниками и крупными валунами, а во взвесях (б) переносятся песчаные и более мелкие частицы. Иная картина в равнинных реках, где преобладает сток растворенных (в ) веществ и соотношение а: б: в = 0.05: 0.56: 1.

Среди донных влекомых обломков преобладают песчаные частицы, а во взвесях – частицы меньше 0.1 мм.

Как уже отмечалось, отложения, накапливающиеся в речных долинах, называются аллювием (лат. «аллювио» - нанос, намыв). Они состоят из обломочного материала различной зернистости, степени окатанности и сортировки. Различают три разновидности аллювия: русловой, пойменный и страичный.

Русловой аллювий, как правило, самый грубый (крупнозернистый песок, гравий, галечник). Размер его обломков зависит от скорости течения воды в русле. Он обладает косой слоистостью с наклоном слоев в направлении течения реки.

Пойменный аллювий – это значительно более мелкозернистый, чем русловой. Так, например, русловой аллювий представлен галечниками, а пойменный – песками. Почему пойменный аллювий мельче? Во время паводка вода выходит из берегов, разливается по пойме и скорость ее течения резко падает. На пойму она выносит более мелкий материал, чем несет в русле, где скорость течения больше. Пойменный аллювий обладает горизонтальной, слабоволнистой и линзовидной слоистостью.

Старичный аллювий представлен чаще всего тонкообломочными глинистыми частицами и богат органическими остатками, которые образуются при зарастании стариц растительностью.

Мощность аллювиальных отложений в долинах рек определяется уровнем (высотой) подъема паводковых вод и в этом случае она называется нормальной мощностью. В равнинных реках она колеблется от 10 – 15 до 30

м. нормальный аллювий всегда имеет двухслойное строение: внизу слой руслового более грубого косослоистого аллювия, а выше он перекрыт слоем пойменного более мелкозернистого аллювия.

Ежегодно в моря и океаны реками выносится почти 20 млрд.т – твердые частицы. Так, например, р. Амударья выносит 45 млн.м³, р. Миссисипи > 200 млн. т., а р. Хуанхе – до 1000 млн.м³ твердого стока. Большая часть этого материала аккумулируется в дельтах рек. Дельта– это участок суши, который образуется за счет наноса аллювия в прибрежной части моря. Площадь дельты р. Лены составляет 45 тыс. км², а дельта р. Хуанхк – 500 тыс. км². дельтовые осадки образуют огромные линзы мощностью до 15 км и объемом 5´10^[6] км³ (р. Ганг и Брахмапутра в Индийском океане). Мощность дельтовых осадков р. амазонки составляет 12 км. В таких линзах накапливается значительное количество органики, которая в дальнейшем участвует в нефтеобразовании⁶.

4   Виды воды в горных породах

Взависимости от того, в каком состоянии в грунтах находится вода, она классифицируется следующим образом: парообразная; свя­занная — прочносвязанная (гигроскопическая), рыхлосвязанная; свободная — капиллярная, гравитационная; в твердом состоянии (лед); кристаллизационная и химически связанная.

Парообразная вода. Водяной пар играет большую роль в процессах, протекающих в грунтах, в силу того, что может свободно передвигаться в грунте при незначительной его влажности, а также потому, что при конденсации пара на поверхности грунтов образуются другие виды воды.

Подвижность парообразной влаги в определенных условиях влияет на свойства грунтов, особенно глинистых, лессовых, где она воздействует на их естественную влажность.

Связанная вода. Связь между пленками воды и минеральными частицами обусловлена молекулярными силами. Связанная вода составляет более 40 % всей воды, содержащейся в глинистых породах. Присутствие различных категорий связанной воды в грунтах любого состава резко изменяет их состояние и свойства. Связанная вода перемещается в грунтах в сторону падения электрического потенциала, увеличения дисперсности грунта, большего содержания глинистых минералов.

Связанную воду принято подразделять на прочносвязанную и рыхлосвязанную.

Прочносвязанная вода. Максимальное количество прочносвязанной воды в грунтах примерно соответствует максимальной гигроскопичности. Сама прочносвязанная вода имеет несколько разновидностей, каждая из которых существенно влияет на свойства пород. При полном содержании всех видов прочносвязанной воды, указанная потеря прочности глинистыми грунтами весьма значительна. Содержание прочносвязанной воды в дисперсных грунтах определяется их минералогическим составом, дисперсностью, степенью однородности, формой и характером поверхности минеральных частиц, а также составом обменных катионов в них.

Рыхлосвязаннаявода по своим свойствам существенно отличается от прочносвязанной, например, имеет плотность, близкую к плотности свободной воды. Рыхлосвязанная вода подразделяется на пленочную и осмотическую. Пленочная влага как бы облекает собой прочносвязанную и удерживается молекулярными силами в значительно меньшей степени.

Капиллярную воду подразделяют на три вида: 1) вода углов пор; 2) подвешенная вода; 3) собственно капиллярная вода.

Первый вид воды (вода углов пор, или стыковая вода) иногда называют капиллярно-разобщенной водой или капиллярно-неподвижным состоянием свободной грунтовой воды. Вода углов пор обычно образуется в местах соприкосновения — на контактах частиц — в виде отдельных капель, занимающих суженные части пор и ограниченных менисками воды.

Собственно капиллярная вода формируется за счет поднятия воды вверх от уровня грунтовых вод, образуя под грунтовыми водами в массиве грунта капиллярную кайму. Капиллярное поднятие зависит от ряда факторов, например, степени дисперсности, неоднородности грунта, его минералогического состава, формы и характера поверхности грунтовых частиц, плотности и пористости грунта.

При промачивании грунтов сверху, например, при атмосферных осадках, при возведении грунтовых плотин гидромеханизацией или отсыпкой, при увлажнении и укатке грунта, а также в других случаях, возникающих в строительной практике, в грунтах образуется подвешенная вода. Наиболее часто формирование ее происходит в песках, как в однородных, так и слоистых их толщах. Образование подвешенной воды зависит от гранулометрического состава песка и его исходной влажности.

Эта вода способна передвигаться за счет разности температур (от холода к теплу), растворять и переносить соли; при испарении воды эти соли кристаллизуются и этим разрушают структуру грунтов и строительных материалов, например в дорожных одеждах.

Гравитационная вода подразделяется на: 1) просачивающуюся и 2) воду грунтового потока.

Первый вид воды преимущественно располагается в зоне аэрации и перемещается под действием гравитационной силы сверху вниз. Это движение продолжается до тех пор, пока вода не встретит на своем пути фактически водонепроницаемый, водоупорный горизонт. После этого дальнейшее движение воды происходит под влиянием напора в виде потока грунтовых вод. Слой грунта, в котором движется вода фунтового потока, называют водоносным горизонтом.

Минерализация подземных вод увеличивается с глубиной. Растворенные в воде соли находятся в подвижном равновесии с твердой составляющей грунтов и взаимодействуют с ней.

Гравитационная вода практически всегда находится в движении. Движущаяся вода способна к растворению горных пород, выносу из них частиц, т. е. к изменению структуры и состава грунтов, к образованию и активизации геологических процессов.

                Вода     в     твердом     состоянии.     При     температурах     ниже    нуля

гравитационная вода замерзает и содержится в грунте в виде льда. Лед может формировать в грунте как прослои различной, иногда значительной мощности, так и рассеянные в его толще отдельные кристаллы. Свойства мерзлых рыхлых грунтов зависят от изменений температуры, особенно при колебаниях ее около О °С, так как вблизи этой границы резко меняется количество в грунте незамерзшей воды. Соотношение содержания незамерзшей воды и льда в грунте влияет на изменение большей части физических и химических свойств дисперсных мерзлых грунтов.

Резкое изменение строения грунтов происходит при миграции влаги и льдовыделении в процессе промерзания дисперсных, особенно глинистых, грунтов. Эти изменения влекут за собой естественное изменение физических и механических свойств грунтов. Следует иметь в виду, что повторное замерзание и оттаивание дисперсных пород приводят к необратимым изменениям структуры и свойств этих пород, так, например, увеличивается количество свободной воды, возрастает фильтрационная способность, изменяются прочность, электрические и другие свойства.

Кристаллизационная и химически связанная вода. Кристаллизационная и химически связанная вода, часто называемая конституционной, участвует в формировании кристаллических решеток различных минералов. Так, вода входит в состав таких минералов, как гипс (CaS04 * 2Н20) и ряда других. Кристаллизационная вода, участвуя в построении кристаллической решетки минералов, сохраняет свою молекулярную форму.

Химически связанная вода входит в состав таких соединений, как, например, лимонит (Fe203 * nН20). Эта вода не сохраняет своего молекулярного единства, однако более прочно, по сравнению с кристаллизационной, связана с другими молекулами кристаллических решеток^[7].

5   Параметры депрессионной воронки

При откачке воды из скважин вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня воды.

Образуется депрессионная воронка, в плане имеющая форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается депрессионными кривыми, крутизна которых увеличивается по мере приближения к оси скважины. Образование депрессионной воронки вызывает отклонение токов вод от естественного направления и изменение поверхности грунтового потока.

Радиус депрессионной воронки называетсярадиусом влияния (R). Размер депресионной воронки, а значит и радиуса влияния, зависит от водопроницаемости пород. Так гравий и другие водопроницаемые породы характеризуются широкими воронками с большим радиусов влияния, а для суглинков характерны наоборот узкие воронки с маленьким радиусом.

Также на величину и форму воронки оказывают влияние условия питания водоносного горизонта, его связь со смежными горизонтами и поверхностными водоемами и т.д.

В практических расчетах для определения радиуса влияния или радиуса депрессии обычно используют приближенные формулы, иногда дающие только порядок его величины.

Формула Кусакина (для безнапорного пласта при установившейся фильтрации) имеет вид R = 2S√(H•Кф),

где S - понижение уровня воды при откачке по центру воронки, м

H - мощность пласта, м

Кф - коэффициент фильтрации, м/сутки.

Формула Зихардта для напорных пластов R = 10S√(Кф), где S - понижение уровня воды при откачке по центру воронки, м Кф - коэффициент фильтрации, м/сутки.^[8]

6   Сдвиговые характеристики песчано-глинистых пород

Изучение сопротивления грунтов сдвигающим усилиям, возникающим в результате воздействия различных инженерных сооружений, имеет большое значение для правильного расчета устойчивости оснований (несущей способности оснований), оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов.

В настоящее время нет единой точки зрения на природу сопротивления глинистых пород сдвигу. Одни исследователи считают, что сопротивление глинистых пород сдвигу обусловлено только сцеплением между частицами, показателем которого является коэффициент сцепления. Другие полагают, что сопротивление глинистых пород сдвигу зависит как от сил трения, так и от сил сцепления. Показателями сил трения, действующих в грунте, считают угол внутреннего трения и коэффициент трения.

Вследствие неясности природы сопротивления глинистых пород сдвигу и условности разделения его на внутреннее трение и сцепление, некоторые исследователи предлагают вообще отказаться от такого разделения и характеризовать сопротивление глинистых пород сдвигу так называемым углом сдвига φ соответственно тангенс этого угла называют коэффициентом сдвига tgφ.

Сопротивление сдвигу одного и того же грунта непостоянно и зависит от физического состояния грунта - степени нарушенности естественной структуры, плотности, влажности, а также от условий производства испытаний (конструкция прибора, размеры образца, скорость сдвига и т. д.). Для получения наиболее достоверных данных испытания на сдвиг должны всегда проводиться в условиях, максимально приближающихся к условиям работы грунта под сооружением или в самом сооружении.

Показатели сопротивления грунта сдвигу определяются различными способами, среди которых можно выделить три группы:

•                    способы определения сопротивления сдвигу по одной или двум заранее фиксированным плоскостям в сдвиговых приборах;

•                    способы определения сопротивления сдвигу путем раздавливания при одноосном и трехосном сжатии;

•                    способ определения сопротивления сдвигу по углу естественного откоса.

Способы первой группы могут быть в свою очередь разделены на две подгруппы:

а) способы поперечного сдвига с конечной плоскостью сдвига;

б) способы кольцевого сдвига с бесконечной (замкнутой) плоскостью

сдвига.^[9]

Лабораторные испытания грунтов для определения показателей трения и сцепления способом поперечного сдвига производят путем среза нескольких образцов исследуемого грунта. При этом в зависимости от характера предварительной подготовки образцов к опыту различают:

а) сдвиг нормально уплотненных образцов (завершенное уплотнение),

когда образцы перед опытом предварительно уплотняются под разными нагрузками до окончания процесса консолидации; срез каждого образца производится при той же вертикальной нагрузке, под которой он предварительно уплотнялся;

б) сдвиг переуплотненных образцов, когда образцы предварительно уплотняются до окончания процесса консолидации, а сдвигаются без нагрузки или при меньших нагрузках;

в) сдвиг недоуплотненных образцов (незавершенное уплотнение), когда образцы предварительно не уплотняются или уплотняются в продолжение короткого времени, за которое не наступает полная консолидация; срез производится при различных вертикальных нагрузках.

В зависимости от скорости приложения сдвигающего усилия в процессе опыта различают медленный сдвиг и быстрый сдвиг. При медленном сдвиге сдвигающую силу увеличивают только после прекращения деформации, вызванной предыдущей ступенью этой силы. При быстром сдвиге увеличение сдвигающей силы производят быстро, не дожидаясь прекращения деформаций.

Список использованных источников и литературы

1.       Земля в мировом пространстве, ее происхождение. Состав и строение Земли.URL: https://studfiles.net/preview/5900438/page:3/

2.       Земля в мировом пространстве. https://lektsia.com/4xaf82.html

3.       Диагностические свойства (отличительные признаки) минералов.URL: https://studfiles.net/preview/3067175/page:4/

4.       Геологическая     деятельность       поверхностных    вод.

URL:http://biofile.ru/geo/2276.html

5.       Виды воды в горных породах (грунтах) и их влияние на состояние и свойства горных пород. URL:https://studopedia.org/6-75852.html

6.       Понятие      о        депрессионной    воронке      и       радиусе      влияния.

URL:http://mydocx.ru/6-4719.html

7.       Сопротивление грунтов сдвигу. Прочностные характеристики грунтов. URL:https://infopedia.su/10x44dd.html