Основы геологии

Фосфатные породы. Фосфатные конкреции образуются на разбросанных по всему Мировому океану участках современного дна, на глубинах 30 - 300 м. Их генезис химический, биохимический либо биогенный. Фосфатные породы могут также образоваться на дне озер или в глубоководных зонах морей. Фосфоритами называются породы, более чем наполовину сложенные фосфатами кальция. Содержащие фосфор отложения - ценное сырье для изготовления минеральных удобрений.

Марганцовистые осадки. Оксиды марганца накапливаются в виде конкреций на дне озер и в море. Согласно расчетам, на 1 км2 дна Тихого океана приходится 7300 т марганцевых конкреций. В них содержится 24 % марганца и 14 % железа; одновременно в них присутствуют такие весьма ценные элементы, как никель, медь, кобальт. Стоимость запасов конкреций из расчета на 1 км2 дна оценивается цифрой более 2,35 млн. долларов.

Кремнистые породы встречаются как в форме конкреций в известняках и доломитах, так и в виде отдельных слоев. Кремень представляет собой агрегаты кварца, микрокристаллического халцедона и аморфного (опал) кремнезема. В современных осадках накопление опала SiO2 . nH2O зачастую происходит биогенным путем. Экстрагируя кремнезем из вод бассейна седиментации, организмы (диатомеи, радиолярии, кремневые губки, силикофлагелляты) строят из опала скелетные элементы, которые оседают на дне. Глубоководные участки Мирового океана часто покрыты кремнистыми осадками. Трепел - слабо сцементированная, очень легкая, тонкопористая опаловая порода, содержащая мало или почти лишенная органических остатков. Опал может осаждаться из вод гейзеров в районах развития вулканической деятельности. Кремнистые породы, окрашенные преимущественно оксидами железа и марганца в красные, желтые, коричневые, иногда зеленые цвета, носят название яшмы. Это хороший материал для ценных поделок и ювелирных украшений.

Бокситы образуются в условиях жаркого и влажного климата при химическом разложении полевошпатовых горных пород. Цвет светло-серый, красный, бурый. Переотложенные бокситы бывают озерного или морского происхождения. По сложению это рыхлые пористые или плотные с оолитовой структурой породы. Применяются для производства алюминия. Эвапориты. Морская вода содержит около 3,5 % растворенного твердого вещества. В случае ее испарения в замкнутом бассейне образуются пересыщенные растворы и происходит последовательное выпадение ряда осадков:



CaCO3 CaMg(CO3)2 CaSO4 . 2Н2О NaCl KCl

кальцит доломит гипс каменная соль калийные соли

Калийные соли встречаются редко, потому что для их образования требуются экстремальные условия испарения, а они достигаются нечасто. В истории Земли известны периоды жаркого климата, когда возникали благоприятные условия для образования соленосных толщ мощностью более 500 м на территории несколько сотен кв. км. Это девонский, пермский и неогеновый периоды.

В некоторых пустынных озерах соли растворены в другой пропорции по сравнению с морской водой, и в них образуются соли бора, осадки с высоким содержанием нитрата натрия, калийной селитры и других соединений.

Хемогенные осадочные породы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Из известняков путем обжига готовят известь, их используют как флюс в металлургической промышленности, в качестве наполнителя в строительстве. Из железистых и марганцовистых осадков извлекают Fe и Mn, из бокситов - алюминий. Кремнистые породы используют как поделочный материал; каменные соли используют в пищевой промышленности, а калийные - как удобрение и химическое сырье.

5.4 Органогенные породы

Органогенные породы образуются в результате жизнедеятельности организмов.

Известняки органогенного происхождения состоят из остатков известковых раковин водных животных и водорослей, которые жили в морях и озерах. Ракушечники состоят из раковин различных моллюсков (обычно двустворок и гастропод); мел - из известковых скелетиков мельчайших одноклеточных водорослей и простейших.

Опоки - кремнистые породы, состоящие из зернышек опала SiO2* nН2О с примесью кремневых скелетиков мелких организмов.

Диатомит похож на трепел, но в нем лучше сохранились кремневые скорлупки диатомовых водорослей.

Ископаемые угли образуются за счет разложения растительных остатков без доступа воздуха. В зависимости от содержания углерода ископаемые угли подразделяются на бурые, каменные и антрациты.

Горючие сланцы - глинистые, известковистые или кремнистые осадочные породы с содержанием органического вещества (керогена) в количестве 10 - 80 %.

Нефть - продукт преобразования органики в условиях высоких давлений и температур. Поскольку нефть легче воды, она перемещается в вышележащие слои и скапливается в породах-коллекторах. На вид это маслянистая жидкость бурого, темно-коричневого, красновато-коричневого, иногда слегка желтоватого цвета.

Янтарь - затвердевшая смола хвойных деревьев, преимущественно палеогенового возраста (25 - 30 млн. лет). Обычно это смола древних елей, которая хорошо сохраняется в прибрежных песчаных осадках.

Ракушечники - красивый отделочный материал в строительстве. Мел применяется в цементной, стекольной, резиновой, бумажной промышленности. Опоки используют для очистки сахара, растительных и минеральных масел, в абразивной, химической и других отраслях промышленности. Диатомит применяется для фильтрования кислот, термоизоляции, полировки металлических изделий, в цементной промышленности. Каустобиолиты (ископаемые угли, торф, горючие сланцы), нефть и газ - топливо и основные источники энергии для человечества. Из нефти получают бензин, керосин, различные смазочные масла; нефть - незаменимое сырье для химической промышленности. Янтарь употребляется в качестве разнообразных поделок в ювелирном деле, а также идет на изготовление янтарной кислоты, лака, некоторых медицинских препаратов и реактивов; в электроприборах употребляется как изолятор.

5.5 Значение осадочных пород

Земная кора состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Поверхность Земли почти сплошь, исключая районы распространения кристаллических щитов и молодых складчатых горных сооружений, покрыта осадочным чехлом.

Наука палеогеография изучает древние климаты. Только осадочные породы могут дать информацию о климатических условиях и обстановках осадконакопления, существовавших в древние времена. Тип косой слоистости (прибрежно-морская, речная, бурных потоков, эоловая) указывает на фациальные обстановки формирования пород. Размер и окатанность обломочного материала могут свидетельствовать о близости источников сноса. Состав хемогенных осадков указывает на температуру вод, из которых происходило выпадение вещества, и степень связи бассейна с открытым морем. Наличие мощных угольных пластов дает основание заключить, что данный участок земной поверхности испытывал умеренное опускание в течение длительного времени и находился на границе с достаточно мощным водным бассейном. Бокситы образуются в условиях жаркого засушливого климата.

Слои ракушечников свидетельствуют о мелководных условиях осадконакопления, рифогенные постройки - об устойчивом прогибании морского дна. С использованием метода актуализма, видовой и количественный состав морской ископаемой фауны может дать информацию о химическом составе и чистоте вод, глубине и температуре бассейна и т.д.



ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Назовите источники осадочного материала.

2. Как классифицируются осадочные породы?

3. На чем построена классификация обломочных пород?

4. В чем разница между осадком и обломочной горной породой?

5. Назовите области применения осадочных пород в народном хозяйстве.

6. Как образуются хемогенные породы?

7. В каких условиях образуются известняки?

8. Что такое эвапориты?

9. Назовите органогенные осадочные породы.

10. Значение осадочных пород для палеогеографических реконструкций.

6. МЕТАМОРФИЗМ И МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПОРОДЫ

Метаморфизм - это физическая и химическая переработка горных пород в глубинах Земли в условиях высоких температур, давлений и циркуляции флюидов (вода, углекислый газ, горячие растворы с Na, Ca, F, B, S). Особенность метаморфических процессов состоит в том, что они происходят без расплавления пород. Если порода переплавляется, то образуется магма, из которой образуются уже магматические породы. Там, где метаморфизм осуществляется до конца, минеральные ассоциации обычно становятся очень простыми, и химические элементы в породах реорганизуются в небольшое количество минералов (чаще всего от двух до шести). Метаморфическими горными породами называют породы, подвергшиеся изменению под действием высоких давлений, температуры, а также химических веществ, входящих в состав магмы, раскаленных газов и горячих водных растворов.

6.1 Типы метаморфизма

Существует множество типов метаморфизма, но основные типы - это термальный, региональный, контактовый и гидротермальный. Породы могут подвергнуться одновременно или последовательно нескольким типам преобразований. В некоторых случаях переработка бывает настолько глубокой, что невозможно с уверенностью установить характер первичных пород.

Термальный и региональный типы метаморфизма приводят к образованию сланцеватых пород.

Термальный метаморфизм. Общее нагревание пород, погруженных на большие глубины, вызывает перекристаллизацию. При геотермическом градиенте, равном 3 оС на 100 м по вертикали, температура на глубине 10 км достигает примерно 300 оС, т.е. она достаточна, чтобы начались изменения. На глубине 20 км температура, вероятно, достигает уже 600 оС, что вполне достаточно для протекания метаморфических реакций.

При увеличении температуры за счет прежних минералов образуются новые, например, из глинистых минералов образуется хлорит. Уголь теряет воду и летучие газы, образуется антрацит. В ряде пород некоторые кристаллы увеличиваются в размерах за счет более мелких кристаллов такого же состава, как это происходит при формировании крупнокристаллического мрамора из тонкозернистого известняка. При умеренном нагревании перекристаллизация особенно легко происходит в глинах, углях, вулканическом стекле, известняках и солях.

Региональный метаморфизм (или динамометаморфизм). Это понятие включает в себя изменения, вызванные очень высокими давлениями и температурами на обширных площадях земной коры, а также тектоническими движениями, причиной которых является сильное ориентированное давление. Во времени и пространстве оно связано с интенсивной складчатостью мощных толщ осадочных пород. Формируются новые листоватые и чешуйчатые минералы, плоскости которых располагаются перпендикулярно давлению; возникают различные сланцы и гнейсы. В других случаях возникают игольчатые и удлиненные кристаллы с ориентировкой параллельно существующему давлению.

Контактовый и гидротермальный типы метаморфизма приводят к образованию несланцеватых пород.

Контактовый метаморфизм происходит вблизи магматических интрузий, и главными его факторами являются высокая температура и давление выделяющихся горячих флюидов. Этот вид метаморфизма отчетливо зональный, вблизи контакта изменения наиболее полные, а по мере удаления от контакта - очаговые. Образуются различные роговики. Ширина ореолов измененных зон зависит от объема внедрившейся магмы и может быть от нескольких метров до сотен метров.

Если процесс происходит с участием газов, то возникают различные скарны, и этот тип метаморфизма называют контактово-метасоматическим. Гидротермальные изменения. Причиной метаморфизма этого типа являются горячие магматические воды или подземные воды, нагретые и ставшие активными благодаря интрузии магмы. Полевой шпат переходит в мягкую мелоподобную массу слюдистого минерала серицита или каолиновой глины; роговая обманка преобразуется в хлорит, оливин - в серпентин. Гидротермальный метаморфизм обычно сопровождается привносом и выносом вещества. Образуются грейзены. Обычным является замещение, которому сопутствует накопление руд металлов (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Зональность оруденения относительно магматического очага

В непосредственной близости к магматическому массиву образуются высокотемпературные руды вольфрама, урана, тантала, ниобия и редкоземельных элементов. По мере удаления от магматического очага температура растворов уменьшается, и на удалении от него образуются самые легкоплавкие соединения ртути, сурьмы, мышьяка. Контактово-метасоматические и гидротермальные изменения часто проходят совместно и дополняют друг друга.

6.2 Классификация метаморфических пород

геологический минерал порода осадочный

Метаморфические породы делятся на сланцеватые и несланцеватые (табл. 6.1), т.е. в основу классификации положен генетический принцип - тип метаморфизма. Сланцеватые имеют слоистую, полосчатую, сланцеватую, плойчатую, очковую текстуру, несланцеватые - массивную и иногда пятнистую текстуру. Структура у метаморфических пород полнокристаллическая.

В составе метаморфических пород присутствуют многие минералы, обычные для магматических и осадочных пород (кварц, слюды, роговая обманка, микроклин, альбит и др.). Одновременно с этим в них большую роль играют минералы, которые присущи только этим породам. Типичными минералами метаморфических пород являются силикаты алюминия - андалузит, дистен и силлиманит. Все эти минералы имеют одинаковый химический состав Al2SiO2, но различную упаковку ионов в кристаллической решетке. Появление одного из них в породах указывает на термодинамические условия метаморфизма. Характерны для метаморфических пород также богатые железом водные силикаты - хлоритоид и ставролит, минералы из группы гранатов, слюдоподобные минералы - тальк, хлориты, а также такие минералы, как хризотил-асбест, волластонит, везувиан и др.



Таблица 6.1

Метаморфические породы

Метаморфическая порода	Материнская порода
Сланцеватые
Глинистый сланец Филлит Кристаллические сланцы (множество разновидностей) Гнейс	Глинистая порода, туф Глинистая порода, туф Глинистая порода, глинистый песчаник, туф, риолит, андезит, базальт Гранит, гранодиорит, диорит, габбро, конгломерат, аркозовый песчаник
Несланцеватые
Мрамор Кварцит Роговик Серпентинит Скарн Грейзен Жировик (тальковая порода) Антрацит, графит	Известняк, доломит (иногда с примесями) Кварцевый песчаник Глинистая порода Породы, богатые оливином (дунит, перидотит) Карбонатные породы Глинистые и кварц-полевошпатовые породы Серпентинит Битуминозный уголь

Ниже кратко описываются наиболее распространенные метаморфические горные породы.

Глинистые сланцы образуются в начальной стадии метаморфизма глинистых пород. Степень метаморфизма глинистых сланцев настолько незначительна, что иногда их относят к осадочным породам. По внешнему виду глинистые сланцы часто похожи на обычные аргиллиты.

Филлиты являются переходными породами от глинистых сланцев к кристаллическим. Образуются за счет дальнейшего метаморфизма глинистых сланцев и кварц-полевошпатовых пород.

Кристаллические сланцы -- породы со сланцеватой текстурой. Среди них различают слюдяные, тальковые, роговообманковые и др. Название кристаллических сланцев указывает на то, какой минерал играет преобладающую роль в их составе.

Гнейсы по составу близки к гранитам и имеют полосчатую, сланцеватую или очковую текстуру. Между гранитами и гнейсами нередко наблюдается постепенный переход. Образуются гнейсы за счет метаморфизма осадочных (парагнейсы) и магматических (ортогнейсы) пород.

Мраморы образуются за счет термального метаморфизма известняков.

Кварциты образуются за счет метаморфизма кварцевых песков и песчаников. Они очень крепкие, относятся к самой высшей категории пород по буримости (12-я категория). За одни сутки проходка скважины по кварцитам может составить всего десятки сантиметров, в то время как в обычных неметаморфизованных породах можно пробурить за сутки многие сотни метров.

Скарны, грейзены, роговики, серпентиниты возникают при участии интрузий в присутствии водных и газовых флюидов.

Изучение метаморфических пород и процессов их образования имеет большой практический интерес, так как с ними связаны месторождения различных полезных ископаемых. Наибольшее значение среди них имеют месторождения железных руд, олова, слюд, графита, золота, флюорита, вольфрама, молибдена, меди, цинка, мышьяка, сурьмы, ртути, радиоактивных элементов, асбеста, талька, редких и рассеянных элементов.



ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое метаморфизм и как он происходит?

2. Назовите типы метаморфизма.

3. Какие минеральные ассоциации возникают при метаморфизме?

4. На чем основана классификация метаморфических пород?

5. Назовите сланцеватые породы.

6. Как возникают несланцеватые метаморфические породы?

7. Существуют ли специфические метаморфические минералы?

7. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КАРТЫ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ РАЗРЕЗЫ

7.1 Геологическая съемка

Месторождение каждого полезного ископаемого образуется в определенной геологической обстановке. Чтобы сделать заключение о возможном нахождении на данной территории каких-либо полезных ископаемых, нужно выяснить, какие здесь в различные периоды геологической истории существовали физико-географические условия, какие геологические явления происходили, какими геохимическими процессами они сопровождались и образованию каких полезных ископаемых они могли благоприятствовать.

Таким образом, предпосылкой для научного обоснования поисковых работ в пределах той или иной территории является знание геологического строения и геологической истории этой территории. Только тогда работа будет целенаправленной, в противном же случае она будет вестись вслепую. Общее представление о геологическом строении и геологической истории данной территории получают в результате проведения геологической съемки, конечным результатом которой является геологическая карта. Геологическую карту мы получим, если мысленно удалим с поверхности коренных пород наносы и в определенном масштабе спроектируем на бумагу границы распространения пород различного возраста.

Для того чтобы представить себе, как залегают коренные породы под наносами и как проходят границы между различными породами, на топографической карте намечают маршруты, идя по которым можно встретить наибольшее количество естественных обнажений коренных пород. Следуя по маршруту, каждое встреченное обнажение тщательно изучают и отмечают на топографической карте под определенным номером. Под этим же номером описывают обнажение в полевой книжке. При этом обязательно указывают, какими породами сложено обнажение, последовательность их залегания, мощность, элементы залегания. В районах, где естественных обнажений недостаточно, для вскрытия коренных пород проходят горные выработки (канавы, шурфы) и буровые скважины.

В результате полевых работ на топографическую карту наносят сотни точек, в которых известно, какие породы залегают под наносами и каковы элементы их залегания. Зная элементы залегания коренных пород в каждой отмеченной точке, можно, пользуясь определенными методами графических построений, провести границы распространения различных пород под наносами, т. е. построить геологическую карту.

В процессе геологической съемки ведется разностороннее изучение пород, слагающих район, и условий их залегания. На основании этого судят о той геологической обстановке, в которой образовались эти породы. Выводы о геологическом строении и геологической истории района обобщаются в геологическом отчете.

После составления геологической карты делают выводы о геологической и геохимической обстановке формирования различных пород в пределах данного района и намечают на геологической карте участки, в которых возможно наличие месторождений того или иного полезного ископаемого. На этих участках и организуют поиски месторождений. Таким образом, геологическая съемка предшествует поискам или проводится одновременно с ними. Геологическая съемка продолжается и на всех последующих этапах геологического изучения открытых месторождений полезных ископаемых, в результате чего геологическая карта детализируется и уточняется.

7.2 Геологические карты, индексы и условные обозначения

Геологическая карта представляет собой графическое изображение на топографической карте геологического строения какого-либо участка земной коры.

На геологической карте четвертичные отложения обычно не показывают, изображают лишь коренные породы. Однако для придания карте рельефности четвертичные отложения отображаются по долинам рек; кроме того, этим подчеркивается, что здесь преобладают процессы интенсивного осадконакопления. Сохраняются четвертичные отложения и в районах, геологическое строение которых недостаточно изучено для того, чтобы можно было судить о коренных породах, залегающих под покровными образованиями. На геологической карте условными знаками (раскраской, штриховкой, буквенными индексами и т. п.) показывают распространение различных коренных пород и разрывных тектонических нарушений. По форме границ на карте судят о геологических структурах, условиях залегания и соотношениях пород, о поведении пластов на глубине и других особенностях геологического строения территории.

Существует множество разновидностей геологических карт.

1) Геолого-стратиграфические (или геологические в собственном смысле слова), на которых толщи коренных пород выделены по стратиграфическому, т. е. по возрастному признаку.

2) Литолого-стратиграфические, отображающие как вещественный состав, так и возраст пород.

3) Структурно-тектонические, отображающие тектоническое строение данной территории.

4) Гидрогеологические карты, показывающие распределение подземных вод в горных породах.

5) Карты полезных ископаемых, отображающие распределение полезных ископаемых в пределах данной территории.

В зависимости от масштаба геологические карты подразделяются на мелкомасштабные (мельче 1 : 500 000), среднемасштабные (1 : 200 000, 1 : 100 000) и крупномасштабные (крупнее 1 : 50 000). Мелкомасштабные карты схематичны. Чем крупнее масштаб геологической карты, тем детальнее разделены породы по возрасту и составу, точнее оконтурены границы между ними. В тех случаях, когда из-за малой мощности пласты полезного ископаемого нельзя отобразить на карте в масштабе, их изображают в виде тонких линий.

Индексы -- это буквенные и цифровые обозначения толщ различного возраста. Индексы облегчают чтение геологической карты. В качестве индекса для системы берется первая прописная буква латинского названия системы. Отдел обозначают подстрочной цифрой 1, 2, 3. Обычно в системах выделяют по три отдела, но некоторые системы имеют только два отдела. Для обозначения яруса или свиты к отделу дописывают две строчные буквы латинского названия данного подразделения. Например: силурийская система S, верхний отдел S2, лудловский ярус S2ld.

Выделение пород различного возраста на картах производится раскраской. Приняты следующие стандартные цвета и индексы для обозначений пород различного возраста.

Четвертичная система (Q) -- бледные тона желтоватого цвета.

Неогеновая система (N)--светло-желтый (лимонный) цвет.

Палеогеновая система (P) -- бледно-оранжевый цвет.

Меловая система (К) -- яркий травянисто-зеленый цвет.

Юрская система (J) -- голубой цвет.

Триасовая система (Т) -- фиолетовый цвет.

Пермская система (Р) -- темный оранжевый цвет.

Каменноугольная система (С) -- серый цвет.

Девонская система (D) -- коричневый цвет.

Силурийская система (S) -- светлый серо-зеленый цвет.

Ордовикская система (О) --серо-зеленый цвет.

Кембрийская система (C) -- темный серо-зеленыйцвет.

Протерозойская группа (Pt) -- розовый цвет.

Архейская группа (Аr) -- темно-розовый цвет.

Эффузивные породы обычно датируют как возрастное подразделение.

Состав интрузивных магматических пород показывают цветом и обозначают греческими буквами. Кислые и средние интрузивные породы ( ) раскрашивают красным, основные ( ) темно-зеленым, ультраосновные ( ) густо-фиолетовым цветом.

Выделение отделов и ярусов одной и той же геологической системы достигается на геологической карте различной густотой окраски. Более древние подразделения закрашиваются темными тонами.

Для обозначения различных пород приняты специальные условные знаки (известняки, доломиты, соли, песчаники, аргиллиты, граниты и т.д.).

7.3 Основные правила чтения геологических карт

Для правильного понимания геологического строения местности, изображенной на геологической карте, всегда следует помнить, что карта представляет собой горизонтальную проекцию границ распространения различных пород и разрывных нарушений. Поэтому линии, проведенные на карте, и площади распространения различных пород не являются совершенно тождественными уменьшенными изображениями этих же линий и площадей на местности.

7.3.1 Горизонтально залегающий пласт

В случае, если пласт залегает горизонтально и рельеф местности равнинный, нерасчлененный, на геологической карте будет изображен самый верхний пласт толщи в виде площади, закрашенной одним цветом, соответствующим возрасту пласта (рис. 7.1).



Рис. 7.1. Изображение на геологической карте горизонтально залегающих пластов в условиях горизонтального рельефа

АБВГ -- горизонтальная поверхность местности; А1Б1В1Г1 -- проекция поверхности АБВГ на горизонтальную плоскость (геологическая карта); 1, 2, 3 -- горизонтально залегающие пласты разного состава

Если рельеф расчленен долинами или оврагами, пересекающими горизонтально залегающие пласты, на дневной поверхности обнажаются все пласты, пересеченные этими формами рельефа. На геологической карте выходы пластов изобразятся в виде полос, границы которых параллельны горизонталям (рис. 7.2). Каждая полоса будет окрашена в цвет, соответствующий возрасту пласта, который она изображает. Чем меньше крутизна склонов поверхностного рельефа, тем больше ширина выхода пласта на карте.



Рис. 7.2. Изображение на геологической карте горизонтально залегающих пластов в условиях пересеченного рельефа

АБВГ -- пересеченная поверхность местности; A1Б1B1Г1 --проекция поверхности АБВГ на горизонтальную плоскость; 1--1 и 2--2 -- сечения поверхности АБВГ горизонтальными плоскостями; 1'--1', 2'--2'-- соответствующие этим сечениям горизонтали; 3--3, 4--4 и 3'--3', 4'--4' -- граничные линии и их проекции на карте

7.3.2 Наклонно залегающий пласт

Очертания границ выхода наклонно залегающего пласта зависят от соотношения угла падения пласта и наклона поверхности склона, направлений падения пласта и склона, формы поверхностного рельефа. Если пласт падает в сторону, обратную направлению уклона местности, то изгибы граничных линий выхода пласта на карте будут направлены в ту же сторону, что и изгибы горизонталей. То же будет наблюдаться, если пласт и склон падают в одну сторону, но наклон пласта положе, чем поверхность склона.

Если пласт падает в ту же сторону, что и склон рельефа, но наклон его больше, чем наклон поверхности склона, граничные линии пласта на карте будут изгибаться в сторону, обратную изгибам горизонталей (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Изображение на геологической карте наклонно залегающего пласта с крутым падением

АБВГ - пересеченная поверхность местности; А1Б1В1Г1 - проекция поверхности АБВГ на горизонтальную плоскость (изображение на карте) 1, 2, 3, 4 и 1', 2', 3', 4' - горизонтальные сечения поверхности АБВГ и соответствующие им горизонтали; абвгдеж и иклз - выходы наклонных плоскостей напластования пласта на дневную поверхность; а1б1в1г1д1е1ж1 и и1к1л1з1 - проекции выходов плоскостей напластования абвгдеж и иклз на горизонтальную плоскость; I, II, III и Iа, IIа - линии простирания почвы и кровли пласта; I', II', III' и Iа', IIа' - проекции линий простирания пласта на карте; - угол падения пласта

Для того, чтобы по геологической карте определить направление простирания, падения и величину угла падения пласта, поступают следующим образом.

Находят направление простирания пласта, для чего отыскивают точки пересечения одной из граничных линий (кровли или почвы) с какойнибудь горизонталью, например, с горизонталью 700 м (рис.7.4). Линия кровли пласта пересечет эту горизонталь в точках А и А1. Эти точки располагаются на одном и том же уровне, следовательно, линия, проведенная через эти точки на поверхности пласта, будет являться горизонтальной линией, т.е. линией простирания. Измерив по карте угол между линией простирания и направлением на север, получим азимут простирания пласта. В нашем примере он равен СВ 40°.

Рис. 7.4. Определение элементов залегания пласта по геологической карте АА1, ВВ1 - линии простирания пласта; угол СОА1 - азимут простирания пласта; OD - линия падения пласта; угол СD1ОAD - азимут падения пласта; угол D1DO - угол падения пласта

1) Определяют направление падения пласта, для чего находят еще какую-нибудь линию простирания, например проходящую через высотную отметку 500 м. На поверхности пласта можно провести сколько угодно горизонтальных линий, т.е. линий простирания, расположенных на разных высотных отметках. Другая линия пройдет через точки В и В1. Линия простирания АА1 имеет большую высотную отметку, чем линия ВВ1, следовательно, пласт падает по направлению от линии АА1 к линии ВВ1. Линия падения перпендикулярна линии простирания, поэтому построив перпендикуляр к линии

АА1 в сторону линии ВВ1, получим направление падения (OD). Азимут падения пласта для нашего примера равен СЗ 310°, он отсчитывается в градусах от северного направления по ходу часовой стрелки до заданного направления.

2) Для определения угла падения пласта на карте строят прямоугольный треугольник, одним катетом которого является расстояние между линиями простирания АА1 и ВВ1, т. е. прямая OD, другим катетом -- разность высотных отметок этих линий (700 - 500 = 200 м), отложенная в масштабе карты (OD1). Соединив точки D и D1, получим треугольник. Измерив острый угол, прилежащий к катету, являющемуся расстоянием между линиями простирания АА1 и ВВ1, получим угол падения пласта ODD1, равный 55о. Элементы залегания пластов обозначаются значком, приведенным в верхней части карты.

7.3.3 Вертикально залегающие пласты

Очертания границ выхода на поверхность вертикально залегающих пластов при любом рельефе изобразятся на геологической карте в виде прямых линий (рис. 7.5). Если плоскости напластования имеют вид не плоских, а криволинейных поверхностей, то их выход будет изображаться в виде кривых линий. Ширина выхода вертикально залегающего пласта на геологической карте соответствует его истинной мощности в масштабе карты.



Рис. 7.5. Изображение на геологической карте вертикально залегающего пласта

Условные обозначения те же, что и на рисунках 7.1 - 7.3.

Рис. 7.6. Блок--диаграмма, поясняющая изображение антиклинальных и синклинальных складок на геологической карте

7.3.4 Складки

В условиях горизонтального рельефа антиклинальные и синклинальные складки на геологической карте имеют вид замкнутых концентрических полос, соответствующих выходам пластов различного возраста (рис. 7.6). Антиклинальные и синклинальные складки, таким образом, изображаются аналогично. Разница заключается лишь в том, что у антиклинальной складки в центральной части располагаются более древние породы, а на периферии более молодые; у синклинальных складок в центральной части находятся более молодые, а на периферии - древние породы. Кроме того, падение пластов у антиклинальной складки направлено от оси в противоположные стороны, у синклинальной же наоборот -- к оси.

В условиях расчлененного рельефа изображение антиклинальных и синклинальных складок на геологической карте в принципе не отличается от описанного. При расчлененном рельефе будет лишь более сложное очертание граничных линий пластов, которые приобретают вид зигзагообразных или волнообразных линий.

7.3.5 Разрывные нарушения

Линия разрыва пластов на геологической карте изображается так же, как и граничная линия пластов, т. е. в зависимости от угла наклона плоскости сместителя и характера рельефа.

Сброс или взброс при горизонтально залегающих пластах на геологической карте можно установить по тому признаку, что вдоль линии нарушения в непосредственном контакте будут находиться породы различного возраста (рис. 7.7). В поднятом крыле при этом будут обнажаться более древние породы вследствие того, что верхние пласты поднятого крыла подвергаются размыву в большей степени, чем породы опущенного крыла.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7.7. Блок-диаграмма, поясняющая изображение сброса в горизонтально залегающих пластах

1 - положение до сброса; 2 - положение после сброса и размыва поднятого крыла

При наклонном залегании пластов наличие сброса или взброса устанавливается на геологической карте по следующим признакам: 1) по смещению выходов пластов вдоль линии разрыва; 2) удвоению или повторению выходов пластов; 3) по исчезновению выхода пласта, 4) по изменению простирания выходов пластов на карте (рис. 7.8).



Рис. 7.8. Блок-диаграммы, поясняющие изображение сброса в наклонно залегающих пластах на геологической карте

I -- положение до сброса; II -- положение после сброса и размыва поднятого крыла

Разрывные нарушения в условиях складчатого залегания пород устанавливаются на геологической карте по таким же признакам, как и при наклонно залегающих пластах, поскольку любую складку можно разложить на несколько участков с наклонно залегающими пластами. Однако разрывные нарушения в условиях складчатого залегания пород имеют и свои особенности, отражающиеся на геологической карте. Особенности эти видны на рис. 7.9: вдоль линии простирания внезапно меняется ширина выхода пласта на карте.



Рис. 7.9. Блок - диаграммы, поясняющие изображение на карте разрывных нарушений в условиях складчатого залегания пород Ia и Iб - положение до сброса; IIа и IIб - положение после сброса и размыва поднятого крыла

Горсты и грабены распознаются на геологической карте по тем же признакам, что и сбросы, так как представляют собой их комбинации. При наличии грабена на геологической карте будет изображена площадь вытянутой формы, сложенная в центре более молодыми породами, чем окружающие. В случае горста в средней части будут древние породы.

Надвиг, как и взброс, изображается на геологической карте линией, соответствующей пересечению плоскости сместителя с земной поверхностью. В отличие от взброса, надвиг на геологической карте имеет более сложные очертания линий разрыва. Это объясняется тем, что плоскость сместителя надвига имеет небольшой угол наклона, поэтому на очертаниях линии надвига сильно сказывается влияние рельефа местности и, кроме того, сама плоскость сместителя надвига нередко представляет собой криволинейную поверхность.



7.4 Геологический разрез и стратиграфическая колонка

Геологическая карта дает наглядное представление о геологическом строении земной поверхности. Чтобы понять условия залегания пород на глубине, требуется тщательный анализ карты. Для облегчения чтения геологических карт они всегда в обязательном порядке снабжаются геологическими разрезами и стратиграфическими колонками.

Геологический разрез представляет собой проекцию на вертикальную плоскость граничных линий пород и разрывных нарушений, выполненную в определенном масштабе (рис. 7.10). Он дает наглядное представление об условиях залегания пород на глубине. При помощи разрезов можно изобразить форму залегания пород на глубине, углы падения пластов и их изменение с глубиной, истинные мощности пластов, типы тектонических нарушений, показать породы, которые в пределах изображенного участка не выходят на поверхность и поэтому не получили отражения на карте. При построении разреза используют также данные по скважинам, пробуренным на участке.

Линия геологического разреза обозначается на карте. Затем вдоль намеченной линии разреза вычерчивают топографический профиль по высотным отметкам, определенным на карте. На концах разреза указывается графический вертикальный масштаб и буквенные обозначения положения разреза относительно сторон света. Разрез ориентируется таким образом, чтобы с левой стороны располагалась его юго-западная, западная или северозападная части, а справа соответственно - северо-восточная, восточная, юговосточная. Если разрез проходит точно по меридиану, то справа располагается северный конец разреза, а южный - слева.

Точки пересечения геологических границ пластов с линией разреза переносят на профиль и отмечают геологические границы. В пределах каждого слоя указывают соответствующие индексы. Геологический разрез обязательно подписывают с указанием численных масштабов - горизонтального и вертикального.

Геологический разрез по линии I - I Масштабы: горизонтальный 1 : 200000 вертикальный 1 : 50000

Рис. 7.10. Принцип построения геологического разреза по геологической карте: Р1 -- нижний отдел пермской системы; С3 -- верхний отдел каменноугольной системы; С2 -- средний отдел каменноугольной системы; С1 -- нижний отдел каменноугольной системы

Если мощности пластов малы или углы падения пластов небольшие, всего несколько градусов, то геологическая структура на разрезе не будет выглядеть представительно. Поэтому вертикальный масштаб часто выбирают в несколько раз крупнее, чем горизонтальный (в 5 - 10 раз и более). Углы падения и мощности пластов на разрезах при этом увеличиваются, и структура становится нагляднее, но истинная картина залегания пород искажается. В нефтяной геологии всегда пользуются таким приемом при изображении нефте- и газонасыщенных пластов, так как их мощности могут быть всего лишь несколько метров, углы падения 1 - 2о, а площадь распространения десятки и сотни квадратных километров.

Разрезы с увеличенным вертикальным масштабом для изображения истинных структур не применяют.

Для того чтобы геологический разрез давал наглядное представление об условиях залегания пород на глубине, необходимо строить его вкрест простирания, т. е. в направлении, перпендикулярном линии простирания пород. Только в этом случае разрез отразит действительные углы падения и истинные мощности пластов. Разрез, построенный по любому другому направлению, покажет не истинный угол падения, а лишь наклон пластов в данном сечении. Если простирание пластов изменяется, то линию разреза делают не прямой, а ломаной, состоящей из отрезков, направленных вкрест простирания пород.

Когда разрез строят с целью показать особенности разрывных нарушений, его проводят вкрест простирания сместителя. Такой разрез может быть и не перпендикулярен простиранию пород.

При сложном геологическом строении участка, изображенного на геологической карте, нередко карта снабжается не одним, а несколькими разрезами.

Стратиграфическая колонка представляет собой графическое изображение последовательности залегания пород в нормальном, не нарушенном разрезе. В стратиграфической колонке условными знаками изображаются породы различного возраста и состава в той последовательности, в которой они залегают в пределах данного участка, независимо от того, имеют они сплошное распространение на данной территории или нет. Общая длина колонки не должна превышать 40 - 50 см. Интрузивные породы в колонке не указывают.

Стратиграфическая колонка, как и геологический разрез, облегчает чтение геологической карты, так как позволяет судить о породах различного возраста, залегающих на глубине, последовательности их залегания, мощности различных толщ и пластов, их составе, фаунистической характеристике, характерных особенностях (например, включения конкреций или пирита в осадочных породах) и т. д.



ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Как проводят геологическую съемку?

2. Назовите разновидности геологических карт.

3. Назовите индексы, принятые для обозначения геологических систем.

4. Как выглядят на топографической карте границы горизонтально и вертикально залегающего пласта?

5. Что такое угол падения, азимут падения и простирание пласта?

6. Как определить элементы залегания пласта не геологической карте?

7. Как изображаются на карте антиклинальные и синклинальные складки?

8. Как изображаются на карте разрывные нарушения?

9. Как составляют геологический разрез?

10. Что такое стратиграфическая колонка?

геологический минерал порода осадочный



8. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Подземными водами называют все воды, заполняющие поры, трещины и пустоты в рыхлых и плотных горных породах. По происхождению подземные воды подразделяют на вадозные, (инфильтрационные), возникающие в результате просачивания с земной поверхности атмосферных осадков и конденсации паров атмосферного воздуха в порах и трещинах горных пород в местах их выхода на поверхность; седиментогенные (возрожденные) - образовавшиеся при отжиме воды из осадка в процессе его превращения в уплотненную породу; ювенильные - за счет паров воды, выделившихся из подземных очагов расплавленной магмы. Главная роль в формировании подземных вод принадлежит вадозным водам.

В горных породах вода (кроме льда) может присутствовать в трех физических состояниях: в форме водяного пара, собственно жидкой и поверхностно-связанной воды.

Пары воды всегда содержатся в воздухе, заполняющем не занятые водой поры или трещины горных пород. В зависимости от конкретных условий пары воды то конденсируются в жидкую воду, то вновь образуются при ее испарении. Иногда в пустынях конденсация водяных паров из воздуха приводит к формированию приповерхностных подземных вод, в вулканических областях - к образованию подземных резервуаров перегретого воздуха.

Собственно жидкая вода заполняет сравнительно большие поры, пустоты и трещины в горных породах и играет основную роль в формировании подземных вод. В своем движении она подчиняется силе тяжести, поэтому ее еще называют свободная, или гравитационная вода. Поверхностносвязанная, или сорбированная, вода удерживается на поверхности горных пород силами молекулярного притяжения.

Водопроницаемость, т. е. способность горной породы пропускать воду по порам и трещинам, имеет большое значение в формировании подземных вод. Все горные породы подразделяются на водопроницаемые, или водоносные (рыхлые, пористые, трещиноватые), и водоупорные (массивные скальные породы, глины). Водопроницаемость определяется не суммарным объемом пор в породе, а их формой и размерами, которые должны обеспечить свободное передвижение воды. Например, пористость глин 50-60%, однако они не водопроницаемы, так как поры их чрезвычайно тонки и вода не может перемещаться в них под влиянием силы тяжести. Галечники и крупнозернистые пески с пористостью 20% обладают наибольшей водопроницаемостью. Для оценки последней, кроме характера пористости, имеет значение и напор, при котором фильтруется вода. Поэтому для сравнительной характеристики водопроницаемости горных пород введено понятие коэффициента водопроницаемости, или коэффициента фильтрации (измеряется в метрах в сутки), который характеризует скорость фильтрации воды через данную породу при определенном напоре. Коэффициент фильтрации глин составляет 0,001 м/сут, песков мелкозернистых 1-5 м/сут, среднезернистых 5-15 м/сут, крупнозернистых 15-50 м/сут, галечников 100-200 м/сут.

Влагоемкость - это способность горных пород поглощать и удерживать в себе то или иное количество воды. Большинство глин имеют очень большую влагоемкость (1м3 поглощает до 525 л) и ничтожную водоотдачу. При намокании водоупорные свойства глин усиливаются. Максимальной водоотдачей обладают крупнообломочные осадки, сильно пористые и сильно трещиноватые породы.

8.1 ТИПЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Воды атмосферных осадков, попадая в горные породы, движутся сверху вниз, постепенно заполняя поры в водопроницаемых породах. Накапливаясь над водоупорными породами, они образуют постоянные скопления, изолированные друг от друга и называемые водоносными горизонтами.

По условиям залегания различают несколько типов подземных вод:

почвенные, верховодка, грунтовые, карстовые, трещинные, межпластовые (безнапорные и артезианские).

Почвенные воды приурочены к почвенному слою на поверхности земли. Вода заполняет волосяные или капиллярные поры, трещинки и удерживается от просачивания на глубину силами поверхностного натяжения.

Верховодка - периодически существующие (во время обильных осадков или таяния снегов) подземные воды, залегающие вблизи поверхности в виде линз над относительно водоупорными прослоями.

Грунтовые воды - воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта, залегающего на первом водонепроницаемом слое, называемом водоупором. Сверху грунтовые воды не перекрыты сплошь водоупорными породами и питаются непосредственно атмосферными осадками. Их верхним ограничением служит собственная поверхность, называемая зеркалом грунтовых вод.

Грунтовые воды используют для питьевых целей и хозяйственных нужд. На рисунке 8.1 показана скважина, из которой производят откачку воды. При этом уровень понижается, и в прискважинной зоне развивается депрессионная воронка. Если откачка осуществляется водозабором из многих скважин, радиусы депрессионных воронок перекрывают друг друга, дебиты скважин уменьшаются, и водоносный пласт истощается. Для наблюдения за положением зеркала грунтовых вод бурят специальные наблюдательные скважины. Не допустить истощения горизонтов подземных вод - важная задача.



Рис. 8.1. Схема депрессионной воронки в зеркале грунтовых вод

Карстовые воды приурочены к пустотам и трещинам известняковых массивов. Их часто называют трещинно-карстовыми водами, и они могут вымывать в известняках громадные полости длиной сотни метров и высотой до 90 м (Мамонтова пещера в США). Известны карстовые поля, протяженность ходов в которых составляет десятки километров, а глубина пещер достигает 1,5 км.

Трещинные воды, циркулируя по сложной сети трещин в массивах магматических и метаморфических пород, как правило, не образуют обособленных водоносных горизонтов. В зонах тектонического дробления они могут проникать на большую глубину.

Подземные воды, поступающие в трещины горных пород с больших глубин, очень часто несут с собой в растворенном состоянии соли различных металлов. С уменьшением глубины и температуры вод происходит осаждение солей и возникновение гидротермальных месторождений серебра, золота, свинца, меди, цинка и др.

Межпластовые (пластовые) воды залегают ниже горизонта грунтовых вод, между водоупорными пластами. Различают безнапорные и напорные (артезианские) пластовые воды. Область распространения одного или нескольких напорных горизонтов называется артезианским бассейном (рис. 8.2). В зависимости от напора вод любая точка артезианского бассейна характеризуется гидростатическим давлением и пьезометрическим уровнем. Пьезометрическим уровнем называется уровень воды, который устанавливается в скважине после вскрытия водоносного горизонта. Гидростатическим давлением называется давление столба жидкости между пьезометрическим уровнем и кровлей водоносного горизонта.

В районах развития многолетней мерзлоты на глубине встречаются мощные непроницаемые прослои мерзлых пород, являющиеся водоупорами. Между ними располагаются переохлажденные межмерзлотные воды, которые могут приобретать местный напор, хотя по сути эти воды - грунтовые.

Рис. 8.2. Схема строения артезианского бассейна

1 - водонепроницаемые породы; 2 - водопроницаемые пласты с напорной водой; 3 - фонтанирующие скважины; 4 - направление стока подземных вод



8.2 МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Подземные воды, циркулируя по трещинам и порам горных пород, обогащаются различными минеральными соединениями. В зависимости от количества растворенных солей в 1 л воды они разделяются на:

1) пресные - растворено до 1 г солей;

2) слабо минерализованные (солоноватые) - от 1 до 3 г;

3) среднеминерализованные (соленые) - от 3 до 10 г;

4) сильно минерализованные (повышенной солености) - от 10 до 50 г; 5) рассолы - более 50 г.

В зависимости от содержания карбонатов воды разделяются на мягкие (с малым содержанием карбонатов) и жесткие (с повышенным их содержанием).

Воды, используемые в лечебных целях, благодаря повышенному содержанию каких-либо химических компонентов, газов или повышенной радиоактивности, называются минеральными. Степень их минерализации весьма различна, иногда составляет всего 0,5 г/л. На месте выходов минеральных вод, содержащих в своем составе лечебные вещества, построены многочисленные санатории.

Минеральные воды разделяются также на холодные - температура до 20° С; теплые - от 20 до 37° С; собственно термальные - от 37 до 42° С; горячие - температура более 42° С.

Естественный выход подземных вод на поверхность называется источником (ключ, родник). Они могут быть восходящими (выходят наружу с напором) и нисходящими. Источники с высокой температурой воды называются горячими, или термальными (см. рис. 8.2). Температура воды в них достигает 100° С.



8.3 ВОДЫ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Подземные воды играют большую роль в формировании и сохранении месторождений нефти и газа. Нефть всплывает на воде, потому что ее удельный вес меньше воды. Если на пути движения нефти встречается водоупор, образуется нефтяная залежь. Подземные воды, подстилающие нефтяную залежь, запечатывают ее и не дают возможности мигрировать дальше.

В нефтях большинства залежей растворены газы: метан и его производные - этан, пропан, бутан и т. д., азот, углекислый газ, сероводород и некоторые другие, т. е. те же газы, которые растворены и в подземных водах. Обычно в нефтях преобладают углеводородные газы, но не всегда. Бывают случаи, когда большую часть растворенных газов составляет, например, азот.

Выделившийся из нефти газ может скапливаться верхней части ловушки, образуя газовую шапку. Подчас газовая шапка представляет собой самостоятельную залежь, настолько она велика, а нефть образует лишь небольшой слой. Обычно в верхней части ловушки располагается газ, а ниже нефть, которая подпирается пластовой водой (рис. 8.3).

Поверхность, разделяющая нефть и воду, называется поверхностью водонефтяного контакта (ВНК). Она может иметь различную форму. В залежах, приуроченных к структурным ловушкам, при их полном зanoлнении она может иметь кольцеобразную форму в плане. При этом линия пересечения поверхности водонефтяного контакта с кровлей пласта называется внешним контуром нефтеносности, а линия пересечения поверхности водонефтяного контакта с подошвой пласта - внутренним контуром нефтеносности.



Рис. 8.3. Условия залегания газа, нефти и воды в ловушке а - залежь нефти с газовой шапкой; б - залежь газа с нефтяной оторочкой; 1 - вода; 2 - нефть; 3 - газ

Контакт нефти и воды в большинстве залежей приближается к горизонтальной поверхности. Но нередки случаи, когда поверхность водонефтяного контакта имеет наклонное положение. На положение поверхности водонефтяного контакта влияет целый ряд факторов, и основным является движение воды. Ведь залежь нефти в ловушке омывается пластовой водой. Поток движущейся воды может быть настолько интенсивным, что приведет к смещению залежей. Оно может достигать десятков метров. Случается, что смещение залежей настолько значительно, что они как бы повисают на крыльях складки. Их так и называют висячими. Пример висячей залежи приведен на рис. 8.4. Такие залежи известны в Скалистых горах в США, на Апшеронском полуострове в Азербайджане.