Три лика земной коры: как рождаются горные породы
В основе всего, что находится под нашими ногами, лежат горные породы, которые геологи делят на три фундаментальных класса. Магматические породы рождаются из огня — это застывшая магма или лава. Примерами служат гранит, риолит, диабаз и вулканический туф. Метаморфические породы — это результат трансформации. Когда уже существующие породы, называемые протолитом, подвергаются воздействию колоссального давления и высоких температур глубоко в недрах Земли, они изменяются, превращаясь, например, из известняка в мрамор. Третий класс — осадочные породы, которые представляют собой спрессованные и сцементированные отложения.
Процесс формирования обломочных осадочных пород — это многоступенчатая история. Всё начинается с выветривания, когда материнская порода разрушается под действием воды, ветра и льда. Затем эрозия и транспортировка переносят обломки, или класты, на новые места. Чем выше скорость потока воды или ветра, тем более крупные частицы он способен перемещать. В конце концов, происходит осаждение: частицы оседают, формируя горизонтальные слои, известные как пласты. Последний этап — литификация, превращение рыхлого осадка в твёрдый камень. Этот процесс включает два ключевых механизма: уплотнение, когда вес вышележащих слоёв выдавливает воду, и цементацию, при которой минералы, такие как кальцит или кремнезём, выпадают из раствора в поровом пространстве и склеивают зёрна воедино.
Разнообразие осадочных пород
Осадочные породы классифицируются по своему происхождению. Обломочные состоят из фрагментов других пород и различаются по размеру зёрен: от самых крупных в конгломератах (округлые обломки) и брекчиях (угловатые обломки) до более мелких в песчаниках, алевролитах и, наконец, самых тонких в сланцах и аргиллитах. Биохимические породы созданы из останков живых организмов. Известняк-ракушечник, например, состоит из сцементированных раковин морских обитателей, таких как криноидеи. Биохимический кремень образуется из скоплений кремнистых панцирей микроскопического планктона. Органические породы, такие как уголь и горючий сланец, формируются из спрессованного органического материала, например, болотных растений. Наконец, химические[/i] породы возникают при выпадении минералов из водного раствора. К ним относятся эвапориты (соли, образовавшиеся при испарении воды), травертин (форма известняка в пещерах и у горячих источников), доломит и замещённый кремень, который образуется, когда кремнезём замещает другие минералы в породе.
Движение и деформация: как породы реагируют на стресс
Горные породы редко остаются в своём первоначальном, недеформированном состоянии. Под действием тектонических сил они изгибаются, ломаются или текут. Хрупкая деформация происходит при относительно низких температурах и давлениях, приводя к образованию трещин и разломов. В условиях высоких температур и давлений, характерных для больших глубин, породы ведут себя иначе — они подвергаются пластической (или вязкой) деформации, меняя форму без разрушения, подобно пластилину.
Результатом этих процессов становятся различные геологические структуры. Трещины — это естественные разрывы в породе, вдоль которых не происходит смещения. Если же по обе стороны разрыва блоки породы смещаются друг относительно друга, образуется разлом. У разлома выделяют висячий бок (блок над плоскостью разлома) и лежачий бок (блок под ней). Существуют сбросы, взбросы и сдвиги, в зависимости от направления смещения. Когда слоистые породы изгибаются, формируются складки. Выпуклая, аркообразная складка называется антиклиналью, а вогнутая, корытообразная — синклиналью. Крупные, пологие круговые структуры представляют собой купола и мульды (бассейны).
Для понимания истории осадочных пород ключевыми являются несколько принципов. Принцип изначальной горизонтальности гласит, что осадочные слои первоначально откладываются горизонтально. Принцип суперпозиции утверждает, что в ненарушенной последовательности слоёв самый нижний является самым древним, а самый верхний — самым молодым. Поверхность, представляющая собой разрыв в геологической летописи из-за эрозии или отсутствия осадконакопления, называется несогласием.
Подземные толчки и сейсмические волны
Землетрясения — это результат внезапного высвобождения энергии в земной коре, чаще всего связанного с движением по разломам. Теория упругой отдачи объясняет этот механизм: напряжение накапливается вдоль разлома, упруго деформируя породу, пока предел прочности не будет превышен. Происходит разрыв, и порода резко возвращается в исходное состояние, высвобождая энергию. Точка в недрах Земли, где начинается разрыв, называется гипоцентром (или очагом), а точка на поверхности прямо над ним — эпицентром.
Энергия землетрясения распространяется в виде сейсмических волн. Объёмные волны проходят сквозь толщу Земли. Это быстрые P-волны (первичные), представляющие собой волны сжатия, и более медленные S-волны (вторичные), являющиеся волнами сдвига. Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности и наносят наибольший ущерб. Для оценки землетрясений используют разные шкалы. Шкала интенсивности Меркалли (MMI) описывает последствия толчков (ощущения людей, повреждения зданий). Шкала магнитуды (Mw) измеряет количество высвобожденной энергии. Важно понимать, что это логарифмическая шкала: землетрясение с магнитудой 8 вызывает колебания грунта примерно в 1000 раз сильнее и высвобождает в миллион раз больше энергии, чем землетрясение с магнитудой 4.
Опасности, связанные с землетрясениями, многообразны. Разжижение грунтов — это процесс, при котором водонасыщенный осадок теряет прочность при тряске, что приводит к провалам зданий. Землетрясения под дном океана могут порождать цунами — гигантские волны, не имеющие ничего общего со штормовыми. Для смягчения последствий разрабатываются системы раннего предупреждения и строятся сейсмостойкие здания с использованием крестовых балок, распорок и усиления несущих колонн.
Невидимые реки: мир грунтовых вод
Под поверхностью земли скрывается огромный резервуар воды — грунтовые воды. Они заполняют все поры и трещины в породе в так называемой зоне насыщения. Верхняя граница этой зоны называется уровнем грунтовых вод. Выше него находится ненасыщенная зона, где поры содержат как воздух, так и воду. Водоносный слой породы, который способен легко пропускать воду и отдавать её в колодцы или родники, называется водоносным горизонтом или аквифером. Его ключевые свойства — это пористость (объём пустот в породе) и проницаемость (способность породы пропускать воду, зависящая от размера и связанности пор).
Типы водоносных горизонтов и движение воды
Безнапорный (грунтовый) водоносный горизонт сверху ограничен непосредственно уровнем грунтовых вод и пополняется за счёт просачивания осадков. Напорный (межпластовый) водоносный горизонт зажат между двумя водоупорными слоями, такими как глина или сланец. Вода в нём находится под давлением. Если такое давление достаточно велико, то скважина, вскрывшая этот горизонт, будет артезианской — вода из неё будет подниматься сама, иногда даже фонтанируя на поверхности. Движение грунтовых вод происходит очень медленно — от нескольких метров в сутки в проницаемых породах до сантиметров в столетие в водоупорных. Обычно вода течёт под действием силы тяжести в сторону более низких отметок, разгружаясь в ручьи, реки или озёра.
Откачка воды из скважины приводит к формированию конуса депрессии — локального понижения уровня грунтовых вод вокруг скважины. Чрезмерная откачка, когда вода забирается быстрее, чем успевает пополняться, может привести к значительному падению уровня, осушению колодцев и серьёзным экологическим проблемам. Следует отметить, что прямой связи между глубиной залегания и водообильностью породы нет, хотя в среднем пористость и проницаемость уменьшаются с глубиной из-за веса вышележащих пород.
Геология и строительство: скрытые угрозы под фундаментом
При планировании строительства крайне важно учитывать геологические особенности участка, так как они могут представлять серьёзную угрозу. Одной из таких опасностей являются набухающие грунты. Некоторые глинистые почвы способны значительно увеличиваться в объёме при намокании, создавая давление в несколько тонн на квадратный метр. Это давление способно деформировать и разрушать фундаменты, вызывая перекос конструкций и растрескивание кладки. Решение проблемы — в первую очередь, правильная организация дренажа и отвод воды от дома.
Другая скрытая угроза — просачивание (фильтрация) воды. Оно часто возникает на границе проницаемых и непроницаемых слоёв пород, например, известняка, подстилаемого сланцем. В сухую погоду эта проблема может быть незаметной, но после дождей вода начинает выходить на поверхность, что приводит к подтоплению подвалов, смещению грунта и нарушению работы септических систем.
Борьба с сыростью в подвале
Сырость в подвале — распространённая проблема с несколькими источниками. Это может быть жидкая вода от дождя или высокого уровня грунтовых вод (дождь интенсивностью 25 мм на крышу площадью 200 кв. м. даёт почти 5000 литров воды). Источником влаги могут быть и внутренние процессы: увлажнители, сушилки, приготовление пищи. Летом влага поступает с тёплым наружным воздухом, который, попадая в прохладный подвал, конденсируется на стенах.
Влага проникает в подвал несколькими путями: через трещины, путём капиллярного всасывания через пористый бетон, в виде пара через процесс диффузии или вместе с воздухом из-за «эффекта тяги», создающего разрежение в подвале. Чаще всего причинами являются неправильная планировка участка (уклон должен быть от дома), дефектные водостоки, трещины в фундаменте или отсутствие дренажной системы.
Лучший подход к решению проблемы — устранение источника влаги. Первый шаг — контроль влажности внутри помещения и отказ от проветривания в сырую погоду. Второй шаг — исправление уклона грунта и системы водостоков. Если это не помогает, необходим третий шаг — установка дренажной системы. Внешняя система наиболее эффективна, но и самая дорогая: она требует раскопки фундамента, нанесения гидроизоляции и укладки дренажных труб. Более распространена внутренняя система, когда дренажная труба укладывается под плитой пола по периметру фундамента, собирая воду и отводя её в специальный приямок с насосом. Использование осушителей и внутренних покрытий — это лишь временная мера, которая может усугубить проблему, вытягивая ещё больше влаги сквозь бетон и вызывая его разрушение.
Опасности карстовых территорий
В районах, сложенных растворимыми породами, такими как известняк или доломит, возникают специфические риски, объединённые понятием карст. Главная опасность — просадки и провалы грунта. Они могут быть вызваны обрушением свода подземной пещеры, постепенным уплотнением рыхлых глин над скальным основанием под весом здания или вымыванием грунта в трещины и пустоты в известняке. Предотвратить это можно только тщательной геологической разведкой участка перед строительством.
Карстовые воронки и котловины также подвержены риску наводнений. Во время сильных ливней подземные каналы не справляются с потоком воды, и низины быстро затапливаются. Застройка лишь усугубляет проблему, увеличивая площадь непроницаемых поверхностей. Ещё одна угроза — радон, радиоактивный газ, продукт распада урана, который может накапливаться в почвах и проникать в дома, представляя угрозу для здоровья. В таких районах необходимо проводить тестирование жилых помещений и при необходимости устанавливать дополнительную вентиляцию.
