Метаморфические горные породы

Метаморфизм – процесс преобразования любых исходных пород под воздействием изменившихся физико-химических условий среды путем перекристаллизации породы без существенного расплавления. Факторами метаморфизма или причинами преобразования пород являются давление, температура, а также растворы и газы (флюиды), проникающие в толщи исходных пород.

По особенностям пространственного размещения и размаху процессов различают локальный и региональный типы метаморфизма. Локальный метаморфизм контролируется конкретными структурными элементами земной коры, а региональный, охватывая значительные объемы горных пород.

Локальные метаморфические изменения горных пород обычно возникают при взаимодействии внедряющейся магмы с вмещающими горными породами (контактовый метаморфизм) либо при перемещениях крупных блоков геологической среды по зонам разрывных тектонических нарушений (дислокационный или динамометаморфизм).

Приконтактовом метаморфизме основным фактором изменений пород служит тепловое воздействие магматических расплавов на относительно холодные вмещающие породы, данный тип метаморфизма иногда называют термальным. Зона образования метаморфических пород вдоль контакта с магматическим телом называется контактовым ореолом. Ширина его колеблется от нескольких сантиметров до первых километров и определяется глубиной формирования, формой и объемом магматического тела, составом внедряющейся магмы.

Метасоматозом(от греческого «замещение», «вытеснение») называется контактово-метаморфическое преобразование вмещающих пород, когда кроме температурного воздействия магмы, на них влияют химически агрессивные, отделяющиеся от магмы во флюидном состоянии летучие компоненты. Изменение искомых горных пород становится более сложным и глубоким. Обменные реакции между вмещающей породой и проникающими в нее газами приводят к возникновению пород, совершенно новых по химическому и минералогическому составу.

Динамометаморфические изменения горных пород протекают одновременно с образованием тектонических разрывов, когда величина ориентированного давления превышает предел прочности геологических тел. Смещения блоков по разрывным нарушениям часто сопровождаются механическим дроблением (катаклазом) и перетиранием пород.

Региональный метаморфизм. Движения в земной коре, захватывающие большие пространства, как это происходит при горообразовательных процессах, совместно с давлением вышележащих толщ пород и возрастающей с увеличением глубины погружения температурой обуславливают регионально-метаморфические преобразования пород. В зависимости от давления и температуры наблюдаются изменения более слабой или более сильной степени, которые отличаются характерными минеральными новообразованиями и называются метаморфическими фациями.

Подробное описание минералов, горных пород, их структурных и текстурных признаков дано в [1].

Вопросы для самопроверки.

1. Что называется минералом и горной породой? Какая разница между минералами и горными породами?

2. Дайте схематическую классификацию минералов по их химическому составу.

3. Физические свойства минералов. Форма минеральных агрегатов.

4. Как классифицируются горные породы по условиям образования?

5. Как подразделяются магматические породы по условиям образования? Каковы формы залегания магматических пород?

6. Как образуются осадочные породы? Каковы формы залегания осадочных пород?

7. Как образуются метаморфические горные породы? Назовите основные факторы и типы метаморфизма.

Геохронология

Историю и общие закономерности развития и образования земной коры изучает историческая геология. Установление возраста горных пород необходимо для оценки их свойств и определения положения среди других пород.

Различают относительный и абсолютный возраст горных пород.

Методы определения относительного возраста:

– стратиграфический,

– палеонтологический,

– петрографический.

Стратиграфический метод основан на том, что если породы не испытали сложных деформаций, то вышележащий слой всегда моложе нижележащего. «При ненарушенном залегании каждый нижележащий слой древнее покрывающего слоя» – этот принцип последовательности накопления осадков слой за слоем был сформулирован в 1669 г. Н. Стено (Н. Стенсен). При контакте интрузии с осадочными горными породами − интрузия моложе тех пород, которые она пересекает. Жилы, секущие магматическое тело моложе его.

Палеонтологический метод позволяет определить возраст осадочных пород независимо от характера залегания слоев, основан на изучении осадочных толщ, содержащих окаменелые остатки животных и растений. Животный и растительный мир развиваются последовательно и необратимо. Каждой геологической эпохе соответствует свой комплекс животных и растений. В пластах одного возраста присутствуют одинаковые формы.

Петрографический метод основан на определении скорости накопления осадков в дельтах рек и на дне океанов. В дельтах рек слой мощностью 1 мм образуется за 3–10 лет. На дне океана – 0,1–0,01 мм в год.

Итогом изучения относительного возраста горных пород явилась международная стратиграфическая (геохронологическая) шкала. Она была принята на второй сессии Международного геологического конгресса в 1881 г. Названия стратиграфических подразделений соответствуют географическим названиям тех местностей, где они были впервые выделены (кембрийская, девонская, юрская, пермская), от названий древних племен (силурийская, ордовикская), от преобладающего состава пород (каменноугольная, меловая) или отражают характер строения отложений (триасовая).

В приложении 1 в сокращенном виде без ярусов (веков), приводится международная (общая) стратиграфическая (геохронологическая) шкала. Исключение составляет стратиграфическая шкала докембрия. Общепринятой международной схемы расчленения докембрийских отложений пока не создано, поэтому в России пользуются своей стратиграфической шкалой докембрия, утвержденной в 1991 г. Международная шкала включает основные стратиграфические и соответствующие им геохронологические подразделения соподчиненных рангов.

Эонотема – это отложения, образовавшиеся в течение зона (греч. – длительный промежуток времени) – самой крупной геохронологической единицы. Выделяют три эонотемы – архейскую (от греч. «археос» – древний), протерозойскую (от греч. «протерос» – первый) и фанерозойскую (от греч. «фанерос» – явный). Отрезок геологического времени (более 3,5 млрд. лет) и комплексы пород, соответствующие архею и протерозою, часто объединяют под общим названием докембрий, или криптозой (от греч. «криптос» – скрытый, тайный). Термины «криптозой» – время скрытой жизни – были введены для разделения докембрия, в котором отсутствуют скелетные организмы, и «фанерозой» – время явной жизни, где они появляются в большом количестве.

Эратема или группа систем составляет часть эонотемы и объединяет отложения, образовавшиеся в течение эры. В фанерозое выделяют три эратемы: палеозойскую (от греч. «палеос» – древний), мезозойскую (от греч. «мезос» – средний) и кайнозойскую (от греч. «кайнос» – новый). Протерозой в международной шкале разделен на нижний, средний и верхний. Для архея общепринятого разделения пока нет.

Система составляет часть эратемы и объединяет отложения, образовавшиеся в течение периода. В настоящее время выделяют 12 систем: кембрийскую, ордовикскую, силурийскую, девонскую, каменноугольную, пермскую, триасовую, юрскую, меловую, палеогеновую, неогеновую и четвертичную (антропогеновую). Практически все они имеют планетарное распространение.

Отдел составляет часть системы и характеризует отложения, образовавшиеся в течение одной эпохи. Обычно система включает 2–3 отдела, которые в зависимости от их положения в разрезе системы называются нижний и верхний, или нижний, средний и верхний. Некоторые отделы имеют собственные названия. Так, в палеогеновой системе выделяются палеоцен, эоцен и олигоцен, в неогеновой – миоцен и плиоцен. Эпохи как временные подразделения, соответствующие нижнему и верхнему или нижнему, среднему и верхнему отделам, необходимо называть ранняя и поздняя или ранняя, средняя и поздняя с прибавлением назва­ния периода.

Для обозначения возраста пород на геологической графике существует общепризнанная цветовая шкала, где каждой системе присвоен определенный цвет (прил. 1). Например, отложения триасовой системы на геологических картах красят в фиолетовый цвет, юрской – в синий и т. д. Более дробные стратиграфические подразделения каждой системы (например, отделы) закрашивают оттенками основного цвета системы, при этом более древние подразделения – темными, а более молодые – светлыми тонами соответствующего цвета. Дополнительными условными обозначениями возраста служат индексы – буквенные и цифровые обозначения возрастной принадлежности тех или иных горных пород. Они представляют собой начальные латинские буквы названия эратемы или системы. Для обозначения отдела к буквенному индексу внизу справа прибавляется арабская цифра. Так, индекс триасовой системы – Т, индекс ее нижнего отдела – Т₁, среднего – Т₂, верхнего – Т₃.

Абсолютный возраст горной породы – продолжительность существования породы (в годах). В основе изотопно-геохронологических методов определения абсолютного возраста горных пород лежит закон радиоактивного распада. Сущность метода – при образовании кристаллических решеток минералов, содержащих радиоактивные элементы, образуется закрытая система, в которой в течение геологического времени накапливаются дочерние продукты радиоактивного распада материнских радиоактивных изотопов (U, K, Rb).

Период полураспада ²³⁸U=4,5 млрд. лет, ¹⁴С=5568 лет.

Уран-торий-свинцовый метод – превращение изотопа ²³⁵U в стабильные изотопы свинца Рb. Зная, какое количество Pb образуется из 1 г U в течение года, определяется их содержание в минерале (точность определения – сотни миллионов лет).

К–Аr–изотоп ⁴⁰K превращается в ходе распада в изотоп ⁴⁰Ar (точность – до 1 млн. лет). Поскольку калий является весьма распространенным элементом, К-Ar метод получил широкое применение для датирования почти всех типов горных пород. Особенно большая роль этому методу (в отличие от других) отводится при датировании осадочных пород позднего докембрия по калийсодержащему минералу – глаукониту.

Радиоуглеродный метод применяется для датирования молодых объектов, содержащих углерод, возрастом не более 70 тыс. лет. Изотоп углерода ¹⁴C непрерывно образуется в атмосфере из ¹⁴N под действием космической радиации. Свободные атомы ¹⁴C входят в молекулы ¹⁴CО₂ и усваивается живыми организмами. Умершие организмы не получают СО₂ и концентрация ¹⁴C убывает в костном органическом веществе по определенному закону.

Вопросы для самопроверки.

1. Относительные геохронологические методы и их сущность.

2. На чем основан палеонтологический метод?

3. На каком физическом явлении основаны методы определения абсолютного возраста пород? Назовите основные методы.

4. Как на геологических картах и разрезах обозначается возраст горных пород?

1.1.4. Глобальная геотектоника

В настоящее время в верхней оболочке Земли выделяют восемь крупных, десятки средних и множество мелких плит, которые перемещаются друг относительно друга, границы плит – зоны повышенной сейсмичности.

Существуют следующие типы тектонических структур:

– платформа (Русская, Сибирская) – кристаллический фундамент перекрытый чехлом горизонтально залегающих осадочных пород – устойчивая малоподвижная структура.Для платформ характерныколебательныедвижения– медленные поднятия (Скандинавия) и опускания (Голландия) отдельных участков земной коры без нарушения первоначального залегания слоев, изменение береговой линии и базиса эрозии (до 6 см/год). Замеряется изменение высот геодезическими приборами высокой точности;

– щит – кристаллический фундамент, вышедший на поверхность (Балтийский, Скандинавский);

– геосинклиналь – подвижный участок земной коры между платформами.

Согласным называется такое залегание, где каждый вышележащий слой повторяет залегание слоев, лежащих ниже, и образует с ним разрез, в котором относительный возраст пород плавно изменяется снизу вверх в соответствии с подразделениями геохронологической шкалы. Все отклонения от такого залегания называют несогласиями.

Стратиграфическим несогласием называют залегание пород, при котором из стратиграфического разреза выпадают слои пород того или иного возрастного интервала, свидетельствующие об отсутствии в этот период осадконакопления.

Параллельное стратиграфическое несогласие проявляется в случае перерыва в осадконакоплении пород. При параллельном несогласии слои разновозрастных пород контактируют по неровной поверхности.

Угловым несогласием называются непараллельные между собой ниже- и вышележащие слои. Слои, отложившиеся до перерыва в осадконакоплении, находятся в нарушенном залегании, а залегание пород, сформировавшихся после перерыва, является ненарушенным (горизонтальным).

В результате движений и деформаций земной коры первичное горизонтальное залегание слоев горных пород часто бывает нарушено. Вторичные формы залегания пород, образующиеся под действием тектонических сил, также называют тектоническими нарушениями. Наиболее распространенными являются три типа таких нарушений: наклонное залегание слоев, складчатое залегание слоев и залегание слоев, нарушенное тектоническими разрывами.

В геологии наклонное залегание слоев горных пород называют моноклинальным,а структурные формы, образованные такими слоями, – моноклиналями. Ступенчатый изгиб слоев называется флексурой.

Складчатые (пликативные) нарушения – смятие горизонтальных пластов в складки без разрыва сплошности пород.

Антиклиналь – складка, обращенная вершиной (выпуклостью) вверх.

Синклиналь – складка, обращенная вершиной (выпуклостью) вниз.

Существуют следующие элементы складок:

– крылья – наклоненные в разные стороны поверхности слоев, образующих складку.

– замок складки – область резкого перегиба слоев, соединяющая крылья.

– угол складки – это угол, образованный плоскостями крыльев, мысленно продолженными до их пересечения.

– шарнир складки – линия, проходящая через точки максимального перегиба какого-либо одного слоя в замке складки.

– ось поверхности складки – поверхность, проходящая через шарниры складки, проведенные по разным составляющим ее слоям.

– ось складки – это проекция шарнира на горизонтальную плоскость.

– ядро складки – внутренняя часть складки, выделяющаяся условно относительно какого-либо слоя.

Ядра синклиналей сложены самыми молодыми породами, а по направлению к крыльям возраст слагающих складку слоев становится более древним. В антиклиналях соотношение возрастов пород в ядрах и на крыльях прямо противоположное.

Разрывные (дизъюнктивные)нарушения представляют собой поверхности, или зоны, по которым произошли значительные смещения горных пород. Различают следующие структурные элементы разрывных нарушений:

– сместитель – поверхность, или зона, по которой произошло относительное перемещение блоков горных пород;

– крылья разрыва – относительно перемещенные блоки пород, располагающиеся по обе стороны от сместителя;

– амплитуда смещения – расстояние, на которое смещены крылья одно относительно другого.

– сброс и взброс – разрывные нарушения, характеризующиеся вертикальным перемещением крыльев. Если сместитель располагается вертикально, тогда к разрыву можно применять оба эти названия, но гораздо чаще сместитель бывает наклонным.

При вертикальном перемещении пород по разрыву одно из крыльев оказывается приподнятым, а второе – опущенным. В случае, когда сместитель отклоняется от вертикали, крыло, лежащее над ним, называется висячим, а под ним – лежачим, вне зависимости от положения блоков, поднятые они или опущенные.

Сброс – разрывная деформация, возникающая в результате опускание одного блока толщи относительно другой в результате сил растяженияс линией наклона разрыва (сместителя) в сторону опущенных пород.

Взброс – разрывная деформация, возникающая в результате поднятия одной части толщи относительно другой в результате сжимающих сил с линией крутого наклона разрыва (сместителя) в сторону поднятых пород.

Надвигами называют взбросы при пологом положении сместителя (угол менее 60°).

Сдвиг – тектоническое нарушение со смещением блоков пород в горизонтальном направлении по вертикальному, или круто наклоненному, сместителю.

Более сложные разрывные структуры возникают в случае, когда сместители субпараллельных сбросов или взбросов оказываются наклоненными в разные стороны.

Грабенами называются структуры, когда центральный блок опущен между двумя боковыми блоками. Горсты – структуры, в которых центральный блок приподнят между двумя боковыми блоками.

Наличие деформаций усложняет проектирование и строительство:

– нарушается однородность грунтов основания сооружения;

– образуются зоны дробления, снижается прочность грунтов;

– по трещинам разрывов происходят смещения, циркулируют подземные воды.

Вопросы для самопроверки.

1. Как называется относительно устойчивая, жесткая, малоподвижная струк-тура земной коры?

2. Различия в характере тектонических движений и магматизме в различных структурах земной коры (платформах и геосинклиналях).

3. К каким типам тектонических движений относятся сброс, взброс, горст, грабен?

4. К каким типам тектонических движений относятся моноклиналь, флексура, синклиналь и антиклиналь?

5. Чем опасно наличие дислокаций в геологическом строении строительных площадок?

1.1.5. Вулканизм и сейсмические явления

Землетрясения происходят только в районах геосинклиналей, где литосферные плиты либо сталкиваются друг с другом, либо расходятся, наращивая образование новой океанической коры. Ежегодно регистрируются сотни тысяч землетрясений, но только около 100 из них можно отнести к разрушительным. Причины: извержение вулканов, обрушение пород над горными выработками, в результате искусственных взрывов и тектонические.

Тектонические землетрясения – это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород. Деформация пород происходит скачкообразно с образованием упругих волн. Объем горных пород, подвергшийся разрыву, определяет силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию.

Цунами – возникновение пологих волн (L = 150 км, Н = 20–40 м) в результате подводного землетрясения.

Гипоцентр – очаг зарождения землетрясения, различают (поверхностные – гипоцентр находится от 1–10 км от поверхности земли, коровые от 30 до 50 км и плутонические – более 100 км).

Эпицентр – проекция гипоцентра на поверхность Земли.

В зависимости от глубины гипоцентра различают землетрясения:

– мелкофокусные – до 70 км (встречаются чаще всего на глубине 10–30 км, т. е. в нижней части литосферы);

– среднефокусные – 70–300 км,

– глубокофокусные – 300–700 км.

Упругие колебания в виде продольных и поперечных волн распространяются во всех направлениях от гипоцентра землетрясения. Продольные волны называются Р-волнами (primary – первые, т. к. они первыми достигают поверхности земли). Продольные волны вызывают сжатие и растяжение среды в направлении их движения и распространяются в любой среде. Скорость зависит от свойств веществ (в песках – 0,7–1,6 км/сек, в гранитах – 1,5–5,6 км/сек, в воде – 1,5 км/сек).

Поперечные волны сдвигают частицы перпендикулярно к направлению своего движения. Они распространяются только в твердой среде и вызывают в породах деформацию сдвига и не распространяются в жидкостях и газах, т. к. их модуль сдвига равен 0. Скорость поперечных волн (V_s) в 1,7 раза меньше скорости продольных (V_р). Период распространения волн варьирует от долей сек до 5 сек.

Поверхностные сейсмические волны (L) наблюдаются на поверхности земли, скорость их в 2 раза ниже поперечных волн (V_s). Они быстрее затухают на расстоянии, но не менее опасны.

Оценка силы землетрясения производится при помощи сейсмографов.

В сейсмических районах выполняются дополнительные работы, согласно СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11-02-96. и СП 11.105–97 «Инженерные изыскания для строительства».

Территории с силой землетрясений меньше 7 баллов – проектируют без учета сейсмичности, с расчетной сейсмичностью 7,8,9 баллов – проектирование по СП 14.13330-2011 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81.

Корректировка баллов по сейсмическим картам производится следующим образом. Исходный балл увеличивается на 1 – для участков, сложенными дисперсными (рыхлыми) грунтами, при высоком уроне залегания грунтовых вод (3–4 м). Балл не изменяют – для участков сложенных твердыми и полутвердыми пластичными и обломочными грунтами, при УГВ более 8 м. Исходный балл уменьшаем на 1 для участков сложенных скальными и полускальными породами при глубине залегания УГВ более 15 м.

Вулканы образуются, в случае прорыва магматического расплава, образовавшегося во внутренней части Земли (астеносфере) на поверхность. Магма образуется в результате частичного плавления горных пород, либо в верхней части мантии, либо в нижней части земной коры. Плотность магматического расплава меньше плотности горных пород, поэтому сформировавшаяся магма поднимается на поверхность.

Лава – излившаяся на поверхность магма. Вязкость магматического расплава – мера сопротивления течению, зависит от химического состава расплава; температуры (чем меньше температура, тем больше вязкость); от содержания газов (при большом количестве газов – вязкость ниже). Низкой вязкостью обладает магма базальтового (основного) состава, скорость течения которой от 30 км/час до 50 км/час. Высокой вязкостью обладает магма кислого состава (комковатая лава) – взрывные извержения, эксплозивный вулканизм.

Продукты извержения вулканов – расплав и твердый материал. В случае, когда магма (расплав) кристаллизуется на поверхности, образуется риолит или базальт, под водой – обсидиан. Твердый материал извержения: пирокластический материал, тонкий пепел в результате консолидации преобразуется в вулканический туф, крупный материал – в вулканические брекчии.

Вопросы для самопроверки.

1. Как называется очаг зарождения землетрясения? Как различаются землетрясения в зависимости от глубины зарождения очага?

2. Какие виды сейсмических (упругих) волн различают?

3. Где располагается эпицентр землетрясения?

4. Влияние рельефа местности, состава пород, условий залегания пород и грунтовых вод на силу землетрясения.

5. Как определяют сейсмическое ускорение, балл землетрясения и коэффициент сейсмичности?

6. Как будет происходить извержение вулканов при основном и при кислом составе магмы?