1.1. Общие сведения.

 

 

Земля – это космическое тело в составе Солнечной системы, состоящей из планет, спутников планет, астероидов и комет.

 

Планет в солнечной системе девять. К планетам земного типа относятся Меркурий, Венера, Земля и Марс, к внешним планетам – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Радиус Солнечной системы 5,917 млрд.км. (от Земли до Солнца 149,509 км). Планеты земного типа относительно плотные, но обладают сравнительно небольшими размерами и массой. Меркурий лишен атмосферы, на остальных планетах этого типа она имеется, причём на Марсе атмосфера близка земной. Внешние планеты имеют большие размеры и массу, но отличаются сравнительно небольшой плотностью. Атмосфера этих планет состоит, главным образом, из метана и аммиака.

Главные особенности Земли, как планеты, заключаются в наличии жизни, обилии воды (более 71%), небольших размерах (радиус всего 6370-6380 км), большой плотности (5,5 г/см³), большом возрасте (4600 млн. лет). Суша на поверхности Земли составляет всего 29%.

 

О происхождении Земли

Этот вопрос является важным положением естествознания. Земля родилась 4 миллиарда 600 миллионов лет назад. Во всяком случае, так думают учёные. Было немало споров (да и сейчас они идут) по поводу того, как это произошло. Большинство учёных сегодня склонны думать, что Земля создавалась из пыли – точнее, из некого газопылевого облака. Это облако за счёт близкой вспышки сверхновой звезды приобрело достаточную плотность и продолжало сжиматься под действием сил гравитации. В результате появилось тело, состоящее из газов и взвеси твердых частиц, в нем началось перераспределение вещества, легкие элементы – водород, гелий – ушли на периферию тела, а тяжелые, например, железо, внутрь.

В середине ХХ в этом направлении работал российский академик О.Ю. Шмидт, который выдвинул гипотезу происхождения планет Солнечной системы, в том числе и Земли. Согласно этой гипотезе, Солнце на своём пути пересекло и захватило одно из пылевых скоплений Галактики, поэтому планеты образовались не из раскалённых газов, а из пылевидных частиц, вращающихся вокруг Солнца. В этом скоплении со временем возникли уплотнённые сгустки материи, давшие начало планетам.

Заслуживает внимания гипотеза В.Г. Фесенкова, который считал, что в недрах звёзд, в том числе и Солнца, протекают ядерные процессы. В один из периодов времени это привело к быстрому сжатию и увеличению скорости вращения Солнца. При этом образовался длинный выступ, который потом оторвался и распался на отдельные планеты.

Гипотез о происхождении Земли, как и всей Солнечной системы, существует достаточно много.

В заключение следует отметить, что на сегодня обоснованной теории происхождения Земли ещё нет, отдельные гипотезы рассматривают только часть вопросов этой сложнейшей проблемы современного естествознания. Решение этой проблемы лежит в будущем.

 

Форма Земли обычно именуется земным шаром. Установлено, что масса Земли равна 5,98х1027г, объём 1,083х1027см3. Средний радиус равен 6371 км, средняя плотность 5,52 г/см3, среднее ускорение силы тяжести 981 Гал. Форма Земли близка к трёхосному эллипсоиду вращения с полярным сжатием. У современной Земли полярный радиус 6356,78 км, а экваториальный 6378,16 км. Длина земного меридиана составляет 40008,548 км, длина экватора 40075,704 км. «Сплюснутость» Земли обусловлена её вращением. Иногда форму нашей планеты именуют сфероидом, но для Земли чаще используют термин геоид.

 

Строение Земного шара

Большая часть знаний о том, что же находится в недрах Земли, пока не выходит из области научных предположений.

 

Внутреннее строение изучается путём: 1) прямых непосредственных наблюдений и 2) геофизических методов. К числу прямых наблюдений по изучению глубин Земли относятся изучение глубин Земли с помощью буровых скважин, шахт, тоннелей. Глубина скважин редко превышает 5 км. Исключение составляют только несколько сверх глубоких скважин, но и их глубина не превышает 15 км, что объясняется пределом современных технических возможностей. Такая глубина позволяет судить только о геологии земной коры, но не всей Земли. В России такую сверхглубокую скважину пробурили на Кольском полуострове (достигнутая в 1990 году глубина 12262 м, в данный момент проект остановлен), США это сделали через дно океана, но на значительно меньшую глубину, в Германии такая скважина превысила 9 км.

Сверхглубокие буровые скважины открыли много нового в строении и составе земной коры. Так, например, Кольская скважина на глубине 1600-1800 метров вскрыла рудное тело с промышленным содержанием меди и никеля, в то время как раньше полагали, что никель глубже 700 м встречаться не должен.

 

Определённые сведения о том, что находится внутри Земли, получают по лаве, которая извергается из вулканов, но и в этом случае сведения ограничены, т.к. очаги вулканов не превышают 100 км глубины.

 

Геофизические методы исследования глубин Земли являются косвенными, но они всё же приносят определенные сведения о том, что происходит внутри Земли. Наиболее интересные результаты даёт раздел геофизики, который посвящен волнам – это сейсмология. Важнейшим научным открытием начала ХХ века стал основанный на данных сейсмологии вывод о наличии в Земле концентрических оболочек различной плотности – земной коры, мантии и ядра. Такие оболочки получили название геосфер. Это внутренние геосферы, а к внешним оболочкам относятся гидросфера, атмосфера и биосфера, которая занимает гидросферу и пограничный слой земли с атмосферой. Геосферы показаны на рис.1.

 

Рис. 1. Геосферы

 

Фазовое состояние геосфер различно: атмосфера – газ, гидросфера – жидкость, земная кора – твёрдая, верхняя мантия – сложена веществом с относительно малой вязкостью. Вообще же, мантия состоит из аморфного вещества, в той или иной степени насыщенного газами и достаточно подвижного. Ядро, по всей видимости, состоит из двух частей: внешнее возможно жидкое, внутреннее – твёрдое. По веществу предполагают, что ядро железоникелевое, имеется мнение, что оно находится не в кристаллическом, а в аморфном состоянии, и похоже на загустевший мёд или стекло.

 

Внешние геосферы

 

Атмосфера располагается от поверхности Земли на высоте 1300 км, но уже выше 100 км её следы ничтожны.

 

Главными составляющими являются азот, кислород, углекислота и пары воды; другие газы присутствуют постоянно, но в малых количествах, хотя некоторые из них имеют большое значение для биосферы. Озон концентрируется на высоте 10-15 км и образует слой, который защищает всё живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Атмосфера состоит из трёх слоёв: тропосферы до высоты 8 км стратосферы – до 55 км и выше – ионосферы. Тропосфера определяет климат, который бывает континентальным, с большой разницей ночных и дневных температур, и морским, с незначительной разницей температур. С удалением от поверхности Земли температура атмосферы резко понижается и на высоте 10-12 км она уже составляет около -50^оС. В тропосфере происходит образование облаков и сосредотачиваются тепловые движения воздуха. У поверхности Земли наиболее высокая температура была отмечена в Ливии (+58^оС в тени). Наиболее низкая температура зафиксирована в Антарктиде (-89^оС), а на территории России в Якутии (-71^оС).

 

Гидросфера, или водная оболочка Земли, включает воду морей и океанов, рек, озер и болот, льды, подземные воды.

 

Средняя мощность гидросферы около 3,8 км, наибольшая – 11521 м (Марианская впадина в Тихом океане), по отношению к объёму земного шара объём гидросферы не превышает 0,13%, температура воды самая высокая в Персидском заливе (+35,6^оС), а наиболее низкая в Северном Ледовитом океане (-2,8^оС). Более 98% всех водных запасов Земли составляют солёные и минерализованные воды, а пресных всего 2%. В России достаточно большие запасы пресной воды.

Гидросфера играет важную роль в проявлении многих геологических процессов, как созидательного, так и разрушительного плана. Изучение гидросферы, в частности, мирового океана продолжается. Установлено: поверхность океана не идеально гладкая и поэтому понятие «уровень моря» на сегодня не совсем точное. Поверхность океанов имеет пять гигантских впадин и выпуклостей. Так, например, к югу от острова Цейлон поверхность океана опущена на 112 м, а в районе островов Новая Гвинея поднята на 78 м.

 

Биосфера – это область распространения живого вещества, которая находится в постоянном взаимодействии с земной корой, гидросферой и атмосферой.

 

Значительная часть геологической истории Земли связана с деятельностью животных и растительных организмов, особенно в поверхностной части земной коры, так например, образовывались известняки-ракушечники, торфы и др. Биосфера в атмосфере распространяется до озонового слоя, в океане на всю толщу воды, в земной коре, видимо, тоже на большую глубину, как показали сверхглубокие буровые скважины.

 

Внутренние геосферы

 

О ядре и мантии Земли было сказано выше. Поэтому остановимся на более подробной характеристике земной коры, которая является не только источником минерального сырья, природных ресурсов, но и сферой жизни человечества и его строительной деятельности.

 

Земная кора представляет собой самый верхний слой Земли, это каменная оболочка, залегающая на верхней мантии.

 

Она формировалась, да и сейчас продолжает непрерывно видоизменяться, под действием трёх основных процессов:

1)  эндогенных, 2)  экзогенных и 3)  седиментационных.

 

Эндогенные процессы включают в себя тектонические и магматические проявления, которые ведут к вертикальным перемещениям масс вещества в земной коре – поднятиям и опусканиям, что создает основные формы рельефа Земли (горы, равнины, океанические впадины).

 

Экзогенные процессы – это выветривание, эрозия, абразия, и др.

 

Седиментационные процессы (осадконакопление) заполняют осадками все созданные при эндогенезе неровности рельефа Земли.

 

В настоящее время кора по вертикальному строению разделяется на два типа: А - континентальную и В - океаническую (рис. 2).

 

Рис. 2. Строение земной коры

 

Континентальная (материковая) земная кора состоит из осадочного покрова, гранитного и базальтового слоёв. Средняя мощность коры 35-45 км, максимальная – до 75 км. Осадочный покров сложен глинистыми и карбонатными породами, песками и имеет различную мощность от 0 (на древних кристаллических породах) до 15 км и более. Под осадочным покровом залегают докембрийские граниты, нередко преобразованные процессами метаморфизма. Под гранитами залегают базальтовые образования совместно с метаморфическими и амфиболитами.

 

Океаническая земная кора отличается от континентальной отсутствием гранитного слоя и значительно меньшей мощностью (5-10 км).

 

Из 87 известных, встречающихся в естественном состоянии, на Земле химических элементов лишь 8 составляют основную массу земной коры (~ 99%). Химические элементы присутствуют в виде соединений и реже в свободном виде.

 

Химический состав земной коры в целом выглядит следующим образом (в %): кислород (46,8), кремний (27,3), алюминий (8,7), железо (5,1), кальций (3,6), натрий (2,6), калий (2,6), магний (2,1) и другие (1,2).

В земной коре довольно много содержится радиоактивных элементов – урана U²³², тория Th²³⁷, калия К⁴⁰ и других. Основная их масса тяготеет к слою гранита континентальной коры.

 

Понятие о литосфере

В современном понимании это земная кора совместно с самой верхней частью мантии. Всё это представляется, как «каменная» единая оболочка. Мощность литосферы неопределённа и колеблется, вероятно, от 50 до 200 км.

1.2. Тепловое состояние земной коры.

 

 

Тепло в земную кору поступает за счёт солнечной радиации (99,5%), которая обогревает Землю с поверхности, и тепла, поступающего из недр Земли (0,5%). Внутреннее тепло связано с радиоактивными процессами и проявляется, в основном, разогревании внутренних геосфер Земли.

 

Эти два основных источника тепла в земной коре создают три температурных зоны: 1)  переменных, 2)  постоянных  и 3)  нарастания температур (рис. 3).

 

Рис. 3. Температурные зоны в земной коре

 

Зона переменных температур. Солнце в течение 1 мин отдаёт на 1 см² земной поверхности, ориентированной перпендикулярно солнечным лучам, примерно, 8,1 Дж тепла. Эта величина называется солнечной постоянной.

 

Под влиянием солнечной радиации происходят геологические процессы на поверхности Земли и в земной коре – круговорот воды, разрушение и созидание минеральных тел при выветривании. Это тепло играет основную роль в жизни органического мира на Земле. Амплитуды колебаний температур на земной поверхности изменяются в широких пределах: от -90оС (Антарктида) до +65оС (Африка).

 

Температуры на различных участках одной и той же широты Земли не одинаковы и зависят от рельефа местности, растительного покрова.

 

В зоне переменных температур различают колебания температур:

1) вековые, 2) годовые, 3) сезонные, 4) месячные и 5) суточные.

Для строительных целей наибольшее значение имеют сезонные колебания температур.

Из рис. 3 видно, что влияние солнечного тепла в зоне 1 сказывается лишь до определенной глубины и проникает в земную кору примерно до глубины 25 м. Температура в этой зоне определяется среднегодовой температурой воздуха данной местности, например, для Москвы она равна +4,2^оС и зафиксирована на глубине 20 м.

 

Суточные колебания температур практически не сказываются глубже 1,5 м. На территориях, где не бывает морозной зимы, температуры в зоне 1 всегда положительные (рис. 3, кривая «а»), а в районах с морозными зимами в зоне 1 появляется подзона 1а, где грунты в зимнее время замерзают. Это сезонная мерзлота. В ней дисперсные и техногенные грунты замерзают за счёт перехода в их порах воды в твёрдое состояние (лёд). В скальных грунтах вода замерзает в трещинах и активно их разрушает за счёт расклинивающего действия образующегося льда (увеличение объёма льда достигает 9,1%).

 

В процессе сезонного промерзания дисперсные связные и несвязные грунты за счёт ледяного цемента приобретают повышенную прочность, несколько увеличивают свой объём и становятся водонепроницаемыми. Предел прочности при сжатии мёрзлых суглинков и глин достигает 6 МПа и более, что создает большие трудности при их механической разработке. При небольшой влажности (например, в песках) свойства грунтов при переходе от положительной к отрицательной температуре меняются незначительно.

 

В весеннее время лёд в грунтах растаивает. Грунты теряют прочность, становятся водонасыщенными. Особенно сильно это проявляется на глинистых, органоминеральных и органических грунтах. Илы и глинистые грунты могут переходить в разжиженное состояние с весьма малой несущей способностью. Такие грунты могут выдавливаться из-под дорожных одежд и фундаментов зданий.

 

В строительстве сезонное промерзание грунтов всегда учитывается, определяется глубина промерзания (df). Величина df колеблется от нескольких сантиметров до 2-3 м. Её определяют: 1) по карте СНиПа, где показывается среднее значение по каждой местности, 2) по расчётным формулам и 3) по итогам многолетних наблюдений (более 10 лет) за глубиной промерзания в данной местности. Искомое значение используют при проектировании сооружений.  Для градостроительных и промышленных площадок, которые значительны по размерам, величина dfдля различных участков может иметь неодинаковые значения.

 

Зона постоянных температур располагается под зоной 1. Она ориентировочно лежит в умеренных широтах на глубине от 15 до 40 м. В этой зоне температуры круглый год одни и те же и соответствуют среднегодовой температуре данной местности. Под Москвой зона 2 начинается с глубины 20 м, а в Санкт-Петербурге с 19,6 м. Постоянство тепла в зоне 2 объясняется равномерным его притоком из глубин земной коры. Приток тепла за счёт солнечной радиации отсутствует.

Зона нарастания температур по глубине располагается под зоной 2. В этой зоне 3 под влиянием внутреннего тепла Земли температура с глубиной непрерывно повышается. Для характеристик этого повышения введено два понятия – геотермический градиент и геотермическая ступень.

 

Геотермический градиент – это величина, на которую повышается температура горных пород с увеличением глубины на каждые 100 м. В среднем этот градиент равен +3оС. Геотермическая ступень – это интервал глубины земной коры в метрах, на котором температура повышается на +1оС.

 

Геотермическая ступень колеблется в широких пределах, что связано с различным составом и различным залеганием горных пород, движением подземных вод, близостью вулканических очагов и т.д. В среднем для толщ осадочных пород она принимается равной 33 м, а в действительности колеблется от 5 до 160 м (на территории России чаще от 20 до 100 м).

Строгая закономерность в нарастании температур отсутствует, поэтому истинные значения температур чаще всего определяются с помощью буровых скважин. Так в Ставрополе, на глубине 1000 м, температура равна +70^оС, в Невинномыске – на глубине 1500 м около 109^оС, в Гурьеве – на 3000 м почти 108^оС, а в Москве на 1600 м - 41^оС.

Постоянство температуры в зоне 2 и увеличение температуры с глубиной представляет практический интерес при проходке дорожных тоннелей, особенно, в горных районах, а также при строительстве метрополитенов. При строительстве объектов величины возможных температур определяются в процессе бурения скважин и по расчётным формулам.