1. Каков механизм осуществления разрушительной работы при деятельности отдельных видов экзогенных сил: выветривания, работы рек, подземных вод, ледников, ветра, в прибрежных частях озерных и морских бассейнов. Используемая терминология для обозначения отдельных видов разрушительной работы.

Экзогенные геологические процессы приурочиваются к поверх­ности Земли и частично захватывают наружную, периферическую область земной коры. Они распространяются на глубину, обычно не превышающую нескольких десятков метров. Такая приурочен­ность экзогенных процессов объясняется тем, что они являются ре­зультатом активного воздействия внешних оболочек (атмосферы, гидросферы и биосферы) на земную кору. Вследствие этого экзо­генные геологические процессы обнаруживают связь с внешними, в частности, климатическими условиями и подчиняются климатической зональности.

Процессы, приводящие к обнажению горных пород путем сноса продуктов их разрушения, называются денудационными процес­сами или просто денудацией (denudo - обнажаю). К ним относятся процессы выдувания и развеивания, смыва и размыва, выпахивания, абразия и некоторые другие. Выдувание и развеи­вание продуктов разрушения горных пород производится ветра­ми, смыв и размыв - потоками поверхностных и подземных вод, выпахивание - движущимися ледниками, абразия  (сбривание бе­реговой полосы) - морским прибоем и отчасти прибрежными               течениями [6].

Рассмотрим отдельные виды экзогенных сил более подробно.

1. Выветривание горных пород.

Под выветриванием понимают процессы разрушения и химиче­ского разложения горных пород и минералов под воздействием внешних оболочек Земли - атмосферы, гидросферы и биосферы. В процессе выветривания изменяются первоначальное состояние и свойства горных пород (например, снижается их прочность) и в конечном счете образуются новые рыхлые минеральные массы - разнообразные продукты выветривания.

Различают физическое и химическое выветривание. Оба типа выветривания тесно связаны друг с другом, протекают одновре­менно, но с различной интенсивностью в зависимости от местных климатических, геологических и других условий [2; 6].

Физическое выветривание происходит под воздействием суточ­ных и сезонных колебаний температуры воздуха (температурное выветривание), замерзания и оттаивания воды, заключенной в по­рах и трещинах горной породы (морозное выветривание), и не­которых других явлений.

Физическое выветривание обычно на­чинается со вскрытия и расширения уже имеющихся в горной породе микротре­щин и других «дефектов» внутреннего строения. В дальнейшем происходит распад горной  породы на отдельные обломки, минеральные зерна (дресву) и частицы песка и пыли (дезинтеграция).

Скорость и характер физического выветривания зависят от климатических условий и ряда свойств горной породы и составля­ющих ее минералов. С повышением континентальности климата и, следовательно, с увеличением амплитуд суточных и сезонных ко­лебаний температуры и снижением влажности воздуха возрастает скорость физического выветривания горных пород. Наиболее ин­тенсивно оно протекает в сухих (аридных) климатических обла­стях, особенно в пустынях. Дневное нагревание после холодной ночи вызывает в этих условиях интенсивное шелушение обнажен­ных горных пород - десквамацию. Последующее охлаждение породы ночью приводит к ее растрескиванию.

Химическое выветривание включает процессы окисления, гидратации, растворения и гидролиза. Все эти процессы протекают при непосредственном участии или в присутствии воды.

Окисление. Дождевые капли и поверхностные воды, стекаю­щие по склонам, всегда содержат растворенные кислород и уг­лекислый газ. Кроме того, просачиваясь через почвенно-растительный покров, они обогащаются органическими кислотами - продуктами жизнедеятельности организмов и разложения органи­ческих веществ. Поэтому инфильтрационные (просачивающиеся с поверхности по породам и трещинам горных пород) воды обла­дают высокой окисляющей и растворяющей способностью.

Гидратация – явление поглощения минералами воды. При гидратации частицы воды входят в структуру минерала. Вследствие этого часто происходит перестройка кристаллической структуры и увеличение первоначального объема минерала. Поэтому при явлениях гидратации нередко возникают весьма значительные микронапряжения и деформации, сопровождающиеся развитием интенсивной трещиноватости горных пород.

Растворение. При растворении минеральное вещество переходит в раствор и может быть вновь выделено из раствора. Раство­римость минералов зависит как от свойств растворителя, так и от свойств самих минералов.

Гидролиз характерен для соединения сильных оснований и слабых кислот. К ним относятся силикаты и алюмосиликаты. При гидролизе происходит распад минерала и вынос некоторых эле­ментов в растворенном виде. Гидролиз, как и другие процессы хи­мического выветривания, носит многостадийный характер. Так, при гидролизе полевые шпаты вначале превращаются в промежу­точные, слабоустойчивые минералы (например, в гидрослюды), которые дальше распадаются на каолинит, опал и растворимые в воде карбонаты и бикарбонаты [6].

2. Геологическая работа вод поверхностного стока.

Выпадающие на поверхность суши атмосферные осадки частью испаряются обратно в атмосферу, частью стекают по поверхности в виде дождевых и талых снеговых вод и частью просачиваются в   почву.  

Размыв русел и рост оврагов идут от точки, находящейся в их устье, вверх, т.е. в направлении, обратном течению водостока. Такое направление развития эрозионной деятельности характерно не только для ручьев, стекающих по днищам оврагов, но и для любых других категорий                     водотоков – речек и рек. Поэтому оно является общей закономерностью развития эрозии [4].

Наиболее активной формой эрозии на обширных пространствах безлесных, степных и лесостепных равнин являются овраги. Вместе с развитием оврагов усиливается смыв почвенного, а в дальней­шем рыхлого подпочвенного покрова. Благодаря этому степи и лесостепи, обладающие плодородными почвами, нередко превра­щаются в «дурные земли». Под ними понимают области со сложно ветвящейся сетью оврагов и разделяющих их межовражных возвышенностей, полностью или частично лишенных почвенно-растительного покрова. Увядание и гибель растительного покрова в этих областях связаны не только со смывом и размывом почвен­ного покрова,  но также с иссушением ее  густой сетью оврагов.

Росту оврагов и появлению «дурных земель» способствует сведение леса,  распашка крутых склонов,  раскопки и т.д. [6].

3. Геологическая работа вод подземного стока.

Геологическая работа подземных вод в основном заключается в выщелачивании горных пород и минералов, выносе и отложении растворенных в них веществ в трещинах, порах горных пород, в местах выходов подземных вод на поверхность и на дне водоемов (озер, морских заливов и т.д.). Немаловажная роль принадлежит подземным водам в разрушении береговых склонов, а именно: в явлениях оплывания горных пород, оползневых и в некоторых других.

С наиболь­шей легкостью выщелачиваются такие горные породы, как камен­ная соль, гипс, известняк и доломит. Поэтому в районах развития этих пород возникают различного рода пустоты - пещеры, гроты (короткие пещеры), естественные колодцы и шахты с отвесными и крутыми стенками и т.д. При провале сводов такого рода пустот на поверхности появляются провальные воронки, некоторые из них заполняются водой и таким образом возникают карстовые озера. По системе подземных пустот нередко текут подземные реки, соединяющие между собой подземные озера.

Подземные воды, омывающие горные породы, выщелачивают в них в первую очередь наиболее растворимые минералы. Иными словами, данное явление носит избирательный характер. Но рас­творяющая способность самих подземных вод не остается постоянной. Она, в частности возрастает с повышением температуры и давления, а также с увеличением содержания некоторых кислот и щелочей. Вследствие этого пещеры, хотя и в несравненно мень­ших масштабах, возникают не только в известняках, но и в дру­гих породах, даже в гранитах.

Растворенные в подземных водах вещества осаждаются в тол­щах горных пород или же в местах выходов подземных вод на поверхность. Отложение осадков в толщах пород происходит по различным причинам, в частности вследствие понижения темпе­ратуры самой воды, изменения ее газового состава и концентра­ции отдельных растворенных компонентов, уменьшения скорости фильтрации и некоторых других причин, когда содержание неко­торых из растворенных веществ в данных условиях становится предельным [2].

4. Геологическая работа ледников.

Вода производит огромную геологическую работу не только в жидком, но и в твердом состоянии - в виде льда ледников. Об­щая площадь, занятая ледниками, составляет около 16 млн. км², или 11% всей суши.

Общий объем льда на Земле равен .примерно 30 млн. км³, из этого количества около 28 млн. км³ льда приходится на одну Ан­тарктиду. Для сравнения следует отметить, что объем всех прес­ных вод суши (озер, рек, водохранилищ и т.д.) составляет не более 4 млн. км³.

Ледники образуются в полярных странах (Антарктический и Гренландский ледники) и в высокогорных районах независимо от географической широты местности. Ледники полярных стран за­нимают 99,5%. а горные ледники 0,5% ледяной поверхности суши [6].

Ледники являются мощной силой, производящей снос, перемещение и отложение продуктов разрушения горных пород, а также выпахивание и шлифование ложа, по которому они движутся.

В условиях горных ледников продукты разрушения горных вершин и утесов падают на фирн или же ледник в виде глыб и мелкообломочного песчано-глинистого материала. Весь этот мате­риал вместе с материалом, содранным ледником с ложа, уносится вниз, где он откладыва­ется в виде морены. Грубообломочный мате­риал при этом округляет­ся, шлифуется и покры­вается царапинками и, таким образом, превра­щается в валуны.            Валу­ны - обязательные со­ставные части морен.

Движущийся ледник выпахивает поверхность Земли и образует весьма характерные формы рельефа: троговые доли­ны, ниши (кары), ледни­ковые озерки и некото­рые другие. Троговые до­лины   имеют   в   поперечном сечении форму корыта с крутыми склонами и вогнутым дном. Нитеобразные и циркообразные углубления образуются на склонах горных гребней [3].

Ледник покровного типа образует в своем ложе котловины и шлифует поверхность скал. После отступления ледника эти котло­вины заполняются водой и образуются ледниковые озера.

5. Геологическая работа моря.

Геологическая работа моря выражается в разрушении берего­вой полосы, в транспортировке продуктов разрушения и в накоп­лении морских осадков, т.е. в явлениях денудации и аккумуляции (седиментации).

Береговая полоса разрушается в основном морским прибоем, т.е. постоянными ударами набегающих на берег волн. Меньшее значение в разрушении берега имеет химическое воздействие мор­ской воды на горные породы (коррозия). В некоторых случаях действует особый, пневматический механизм разрушения скали­стого берега. Набегающая с большой силой волна на скалистый берег загоняет по трещинам морскую воду и сжимает воздух, за­полняющий эти трещины. При отходе волны сжатый воздух с силой выбрасывает столб воды и захваченные им со стенок трещин обломки горных пород.

Разрушительная работа прибоя проявляется вдоль всей бере­говой линии материков и островов на протяжении 260 тыс. км. Однако скорость разрушения берега неодинакова. Она зависит от высоты набегающей волны, глубины побережья, направления уда­ра волн и прочности горных пород.

Разрушительная сила морского прибоя значительно возрастает при наличии в воде обломочного материала, приводимого в дви­жение волнением. Взвешенный и влекомый материал является об­тачивающим и истирающим орудием морского прибоя. Во время штормов волны вместе с течениями катят глыбы горных пород весом до 30-40 т. Под ударами таких глыб уничтожаются бере­говые (портовые) сооружения, если они не защищены волнореза­ми, бунами и другими берегоукрепительными устройствами [3].

 

2. Горные породы, склонные к просадке. Природа просадочных свойств. Опасность размещения сооружений и механизмов на просадочных грунтах без предварительной мелиорации.

Горные породы – это природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Термин «горные породы» впервые в современном смысле употребил (1798) русский минералог и химик В.М. Севергин.

Горные  породы представляют собой механические сочетания разных по составу минералов, в том числе и жидких. Процентное содержание минералов в горных породах определяет ее минеральный состав. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зерен или частиц горных пород обусловливают ее структуру и текстуру [1].

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90% объема земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75% площади земной поверхности.

Осадочные горные породы образуются путем накопления (осаж­дения) продуктов разрушения магматических, метаморфических и более древних осадочных пород. Порода, за счет разрушения кото­рой образуется осадочная порода, называется материнской. Образование осадочных пород - сложный и многофазный процесс. Оно начинается еще с выветривания материнской породы, про­ходит стадию переноса (транспортировки) и завершается осаждением (седиментацией) и последующей стадией превращения рыхлого осадка в осадочную горную породу  (диагенезом) [5].

Основным механизмом транспортировки продуктов выветрива­ния горных пород до места их осаждения является вода в виде: 1) временно и постоянно действующих водных потоков, прибреж­ных морских и океанических течений; 2) ледников. В условиях сухого (пустынного) климата ведущее место в транспортировке продуктов разрушения горных пород занимает ветер.

Осаждение транспортируемых продуктов выветривания горных пород происходит путем оседания их из взвешенного или влекомого состояния, когда скорость перемещения транспортирующей среды {воды, воздуха) уменьшается. Таким образом, выпадают меха­нические осадки, состоящие из обломков различных раз­меров. Важным способом осадконакопления является также выпадение растворенных в воде минеральных веществ. Такой способ осаждения возможен, когда концентра­ция солей в транспортирующей среде доходит до предела насы­щения. Выпадение минерального вещества возможно и из кол­лоидных растворов, и оно происходит в условиях, когда в транспортирующей среде изменяется, например, реакция водной среды или характер растворенных в ней электролитов (солей). Так выпадают коллоидные осадки.

Широко распространенным способом осаждения минеральных веществ  является   органогенное   осаждение.   Организмы при своей жизни способны усваивать (ассимилировать) минераль­ные вещества из недосыщенных (сильно разбавленных) растворов для построения твердых защитных, скелетных частей. После ги­бели организмов эти вещества накапливаются в виде органоген­ного ила, обломков скелетных частей и т.д. Таким образом, совер­шается органогенное накопление минеральных и органических веществ.

Так или иначе, выпавший осадок в дальнейшем претерпевает уплотнение (самоуплотнение или же под действием веса вышеле­жащих наслоений), а иногда цементацию и окаменение (литификацию). В результате осадок превращается (перерождается) в осадочную горную породу. Эти процессы превращения осадка в горные породы известны под названием диагенеза. Но как бы ни были уплотнены осадочные породы, они, как правило, харак­теризуются меньшей плотностью и большей пористостью, чем, например, породы магматического происхождения.

Состав осадочных пород отличается рядом особенностей. Прежде всего, в числе минералов осадочных пород следует раз­личать две группы:

1)   минералы реликтовые, унаследованные от исходной, материнской породы. Чаще других в их числе встречаются кварц, полевые шпаты и слюды, но могут быть встречены и любые другие минералы  исходных  пород.  Именно  эта  группа   минералов  дает возможность судить о материнских породах, из которых образо­вались те или иные осадочные породы;

2)   минералы     собственно     осадочные,    образовав­шиеся путем химического или  биохимического осаждения.  К их числу относятся: халцедон, опал, каолинит, гидроокислы железа, марганца  и  алюминия;   минералы  группы  карбонатов   (кальцит, доломит, сидерит, малахит, азурит), галоидные соединения (сильвин, галит и карналлит)   и сульфаты   (гипс,  ангидрит и барит); эти минералы часто являются главными породообразующими ми­нералами,   составляя   основную,   существенную   часть   осадочной породы,  как  это  имеет  место  в  известняках,   мергелях,  глинах, солях. В породах, состоящих в значительной мере из обломочного материала, минералы-новообразования  нередко представляют со­бой   цемент,   заполняющий   промежутки   между  обломками   и скрепляющий их. Минералы этой группы иногда образуют свое­образные минеральные выделения - конкреции, желваки, стяжения и т.д. [6].

В осадочных породах обычно присутствуют остатки расте­ний и животных, обитавших на месте образования осадка или принесенных извне. В некоторых типах осадочных пород органогенный материал составляет основную массу породы, как например в органогенных известняках, диатомитах, углях.

Текстура (сложение) осадочной породы обычно слоистая; реже наблюдается беспорядочное сложение, когда составляющие минеральные зерна распределены в породе хаотично.

Под слоистостью понимают сложение осадочной породы, выра­женное в многократной смене прослойков, отличающихся друг от друга по зерновому и минеральному составу, распределению ми­неральных составляющих, по окраске или по некоторым другим признакам. Слоистость может быть параллельной, косой, диагональной и т.д. Иногда слоистость носит ритмичный характер, когда отдельные прослои ритмично повторяются в определенной последовательности. Такова, например, различная слоистость лен­точных ледниковых глин, обусловленная сезонными изменениями условий осадконакопления минеральных частиц, приносимых та­лыми водами ледника.

Осадочные породы зале­гают чаще всего в виде пластов - плитообразных минеральных тел большого протяжения, ограниченных приблизительно парал­лельными поверхностями - плоскостями напластований. Последние отделяют пласт от подстилающего и покрывающего пласта. Нижняя граничащая поверхность пласта называется поч­вой,   а   верхняя - кровлей пласта.   Расстояние по нормали между кровлей (висячим боком)  и почвой (лежачим боком) пла­ста определяет истинную (нормальную) мощность пласта. Пласт также называют часто слоем. Однако не следует понятие пласта отождествлять с его слоистостью. Слоистость - это деталь внутреннего строения осадочной горной породы. Поэтому эту слоистость иногда называют внутренней слоистостью пласта, в отличие от слоистости толщ осадочных пород [3; 6].

Мощность  пластов   может  быть  более  или  менее  постоянной (выдержанной) или же, наоборот, изменчивой, непостоянной. В последнем случае наблюдаются явления раздува - резкого местного увеличе­ния мощности и пережима - резкого местного уменьшения мощности пласта. Постепенное уменьшение мощности пла­ста вплоть до полного исчезновения на­зывается  выклиниванием.

Выдержанное на больших простран­ствах залегание пластов наиболее ха­рактерно для толщ морских осадочных пород. Континентальные отложения большей частью отличаются менее вы­держанной мощностью пластов, часты­ми  пережимами  и   раздувами.   Для   последних характерны также линзовидные и гнездообразные формы залегания.

Линзой и линзовидной залежью называют такие пласты, которые быстро выклиниваются во всех направлениях, образуя тела ограниченного (по площади) распространения. Они особенно характерны для озерных, речных и лагунных фаций.

Гнездом или карманом называют такие неправильные формы залегания осадочных пород, которые отличаются быстрым выклиниванием на коротких расстояниях. Они характерны для ледниковых отложений, а также для образований коры выветри­вания.

Весьма своеобразными являются куполообразные и штокообразные формы залегания осадочных пород; первые характерны, например, для известняков, сформировавшихся из коралловых ри­фов и сохранивших некоторые очертания последних. В виде штоков часто залегают соли, гипс и некоторые другие пластически деформирующиеся горные породы, возникающие при явлениях диапиризма.

Понятие о строении толщ осадочных горных пород. Как из­вестно, осадочные породы образуются путем последовательного (слой за слоем) накопления минеральных масс. Смена одного слоя другим в вертикальном геологическом разрезе происходит последовательно от более древних (у почвы) к более молодым (у кровли). При этом органические остатки (окаменелости, отпе­чатки), содержащиеся в слоях, в более или менее непрерывной последовательности сменяются от подстилающего слоя к покры­вающему слою в соответствии с эволюцией органического мира: слои с остатками более высоко развитых растений и животных находятся стратиграфически выше отложений с формами менее высокоорганизованных организмов. В результате образуются серии   согласно   залегающих   напластований.

В действительности часто наблюдается другое явление, когда после образования подстилающей толщи напластований был зна­чительный перерыв в осадконакоплении. Во время этого перерыва более древняя толща была в той или иной мере размыта до того, как другая, более молодая толща отложилась уже на ее размытой поверхности. В данном случае, очевидно, нарушается не только непрерывность в осадконакоплении, но и непрерывность смены органических остатков - отпечатков и окаменелостей растений и животных. Иными словами, в данном случае имеем дело со стратиграфическим   несогласием   напластований.

В период прекращения осадконакопления, когда происходил не только размыв подстилающей толщи, но также имели место нару­шения первоначального залегания слоев, возникли несогласия другого типа, обусловленные тектоническими (колебательными и дислокационными) движениями земной коры. В этой связи размещение сооружений и механизмов на просадочных грунтах является опасным. Поэтому необходимо проводить предварительную мелиорацию [2].

Мелиорация представляет собой систему организационно-хозяйственных и технических мероприятий, направленных на коренное улучшение земель путем их осушения или орошения (гидромелиорация), изменения структуры почвы промывкой, гипсованием, известкованием и т.д. (химическая мелиорация) [3].

Среди осадочных пород наиболее распространены глинистые, песчаные и карбонатные. Считают, что эти три группы пород со­ставляют не менее 95-99% всей массы осадочных пород. По подсчетам некоторых ученых соотношение объемов глинистых, песчаных и карбонатных пород                     равно 5:3:2.

В ходе геологической истории суммарная масса осадочных пород возрастает. В настоящее время она составляет примерно 4% объема земной коры.

3. Коэффициент фильтрации горных пород. Его физический смысл, направление использования.

Как физическое тело горные породы характеризуются группой базисных свойств, в которую входят плотностные, упругие, прочностные, тепловые, электрические и магнитные свойства, их водопроницаемость.

Под водопроницаемостью горных пород понимают способность горных пород пропускать воду. Степень водопроницаемости зависит от размера и количества сообщающихся между собой пор и трещин, а также от отсортированности зерен горных пород. К хорошо проницаемым горным породам относятся галечники, гравий, крупнозернистые пески, интенсивно закарстованные и трещиноватые породы. Практически непроницаемыми (водоупорными) породами являются глины, плотные суглинки, нетрещиноватые кристаллические, метаморфические и плотные осадочные породы [3].

  Водопроницаемость горных пород может определяться по скорости фильтрации, равной количеству воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения фильтрующей породы. Эта зависимость выражается формулой Дарси:

v = kI,

где v - скорость фильтрации, k - коэффициент фильтрации,                              I - напорный градиент, равный отношению падения напора h к длине пути фильтрации:

 

          h

L I = ---

          L

Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости (см/сек, м/сут). Таким образом, скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице, тождественна коэффициенту фильтрации [2].

В связи с тем, что вода в породах может передвигаться под влиянием различных причин (гидравлического напора, силы тяжести, капиллярных, адсорбционных, капиллярно-осмотических сил, температурного градиента и др.), количественная характеристика Водопроницаемость горных пород может выражаться, помимо коэффициента фильтрации, также коэффициентами водопроводимости и пьезопроводности. При гидрогеологических исследованиях и расчетах коэффициента водопроводимости (произведение коэффициента фильтрации на мощность водоносного горизонта) является показателем фильтрационной способности горной породы.

  В зависимости от геологического строения водоносные породы в фильтрационном отношении могут быть изотропными, когда водопроводимость одинакова в любом направлении, и анизотропными, характеризующимися закономерным изменением водопроницаемости в разных направлениях.

Изучение водопроницаемость горных пород необходимо при поисках и разведке подземных вод для целей водоснабжения, при устройстве гидротехнических сооружений, эксплуатации различных типов подземных вод, при расчетах допустимых понижений уровня вод и радиусов влияния водозаборных скважин, при проектировании и осуществлении осушительных и оросительных мероприятий.

Список литературы

1. Большая Советская Энциклопедия / Под ред. А.М. Прохорова. Т.2. – М., 1974. – С.156.

2. Гальперин А.М., Зайцев В.С., Норватов Ю.А. Гидрогеология и инженерная геология. – М.: Недра, 1989. – 322с.

3. Ершов В.В., Новиков А.А., Попова Г.Б. Основы геологии. – М.: Недра, 1986. – 344с.

4. Красулин В.С. Справочник техника-геолога. – М.: Недра, 1988. – 348с.

5. Миронов К.В. Справочник геолога-угольщика. – М.: Недра, 1982. – 311с.

6. Панюков П.Н., Перфильева З.Г. Основы геологии. – М.: Издательство «Недра», 1968. – 352с.