скачать книгу бесплатно
Почвоведение и инженерная геология
Николай Александрович Фомин
Евгений Николаевич Кузин
Николай Петрович Чекаев
В учебном пособии установлена последовательность выполнения работ, позволяющая при рациональном использовании учебного времени приобрести теоретические знания и практические навыки по изучаемой дисциплине. Для закрепления пройденного материала разработана система вопросов и задач к самоконтролю, список основной литературы. В учебном пособии описывается почвенный покров Пензенской области и современное состояние земельных угодий. Приводится методика составления почвенных карт и картограмм.
Кузин Е. Н., Фомин Н. А., Чекаев Н. П.
Почвоведение и инженерная геология
ВВЕДЕНИЕ
Почвоведение – наука о почвах, их образовании (генезисе), строении, составе и свойствах; о закономерностях их географического распространения; о процессах взаимосвязи с внешней средой, определяющих формирование и развитие главнейшего свойства почв – плодородия; о путях рационального использования почв в сельском хозяйстве и об изменении почвенного покрова в агрикультурных условиях.
Почвоведение как научная дисциплина оформилась в нашей стране в конце XIX столетия благодаря трудам выдающихся русских ученых В.В. Докучаева, П.А. Костычева, Н. М. Сибирцева.
Первое научное определение почвы дал В.В. Докучаев: «Почвой следует называть «дневные» или наружные горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным воздействием воды, воздуха и различного рода организмов, живых и мертвых». Он установил, что все почвы на земной поверхности образуются путем «чрезвычайно сложного взаимодействия местного климата, растительности и животных организмов, состава и строения материнских горных пород, рельефа местности и, наконец, возраста страны». Эти идеи В.В. Докучаева получили дальнейшее развитие в представлениях о почве как о биоминеральной («биокосной») динамической системе, находящейся в постоянном материальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой и частично замкнутой через биологический круговорот.
Основным свойством почвы является плодородие – способность удовлетворять потребность растений в элементах питания, воде, обеспечивать их корневые системы достаточным количеством воздуха, тепла для нормальной деятельности и создания урожая. Именно это важнейшее качество почвы, отличающее ее от горной породы, подчеркивал В.Р. Вильямс, определяя почву как «поверхностный горизонт суши земного шара, способный производить урожай растений».
Разнообразие климатических условий, растительности, горных пород, рельефа, различный возраст отдельных территорий обусловливают и разнообразие почв в природе. Географические закономерности их распространения определяются сочетанием факторов почвообразования. Для земного шара и отдельных его материков эти закономерности связаны с зональными изменениями климата и растительности и выражаются в развитии горизонтальной и вертикальной зональностей почв. Особенности почвенного покрова небольших территорий связаны, прежде всего, с влиянием рельефа, состава и свойств пород на климат почвы, растительность и почвообразование.
Вместе с тем, обладая свойством плодородия, почва выступает как основное средство производства в сельском хозяйстве. Используя почву как средство производства, человек существенно изменяет почвообразование, влияя как непосредственно на свойства почвы, ее режимы и плодородие, так и на природные факторы, определяющие почвообразование. Посадка и вырубка лесов, возделывание сельскохозяйственных культур изменяют облик естественной растительности; осушение и орошение меняют режим увлажнения и т. п. Не менее резкие воздействия на почву вызывают приемы ее обработки, применение удобрений и средств химической мелиорации (известкование, гипсование).
Как основное средство производства в сельском хозяйстве почва характеризуется следующими важными особенностями: незаменимостью, ограниченностью, неперемещаемостью и плодородием. Эти особенности подчеркивают необходимость исключительно бережного отношения к почвенным ресурсам и постоянной заботы о повышении плодородия почв.
Почвоведение является широкой естественнонаучной дисциплиной. Среди наук, с которыми соприкасается почвоведение, с одной стороны, необходимо назвать науки фундаментальные (физика, химия, математика), методами которых почвоведение широко пользуется, с другой, – естественные, сельскохозяйственные и экономические науки, с которыми почвоведение находится в состоянии постоянного теоретического обмена. К последним относятся: науки геолого-географического цикла (геология вместе с минералогией и петрографией, гидрогеология, физическая география, геоботаника, биогеоценология); науки агробиологического цикла (биология, микробиология, биохимия, агрохимия, физиология растений, растениеводство, земледелие, луговодство, лесоводство) и, наконец, науки аграрно-экономического цикла (политэкономия, сельскохозяйственная экономика, землеустройство и др.).
При составлении учебного пособия авторы использовали материалы, изложенные в учебниках, учебных пособиях и практикумах следующих авторов: Ганжара Н.Ф. (2001, 2002); Гаркуша И.Ф., Яцюк М.М. (1975); Добровольский В.В. (2001); Муха В.Д. (2003); Кузнецов К.А. (1976); Кауричев И.С. и др. (1986, 1989); Толстой М.П. (1975, 1991).
1 ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ
1.1 Качественный состав земной коры.
Химические и физические свойства минералов. Состав и свойства горных пород
Размеры, строение и свойства Земли. Земля – одна из планет Солнечной системы. Она, как и другие планеты, имеет шарообразную форму. Однако Земля не точный шар, а несколько сплюснута в направлении полюсов. Такую форму называют сфероидом. Поскольку при изучении Земли учитывается не только ее сплющенность, но и все крупные неровности рельефа (глубочайшие океанические впадины, высокие горные хребты), то эту истинную неправильную геометрическую форму Земли называют геоидом.
Наиболее глубокие впадины океанического дна лежат на глубине более 11 000 м ниже уровня моря (Марианская впадина); наиболее высокие горные вершины поднимаются над уровнем моря до 8882 м (Джомолунгма).
Рисунок 1 – Строение Земли: А – земная кора; Б – верхняя мантия; В – мантия; Г – внешнее ядро; Д – внутреннее ядро
Геофизическими данными установлено, что Земля состоит из трех неоднородных по составу внутренних сфер неодинаковой толщины (рисунок 1): 1) земная кора – до глубины 50–70 км; 2) промежуточная оболочка, или мантия Земли, – до глубины 2900 км;
3) земное ядро, подразделяемое на внутреннее и внешнее, – от 2900 до 6380 км (рисунок 2).
Земная кора покрыта прерывистой водной оболочкой, называемой гидросферой. Над ней залегает воздушная оболочка – атмосфера. Ниже приводятся основные данные о Земле.
Состав и строение сфер Земли. Атмосфера – газообразная сфера Земли. В приземных слоях атмосферы содержится 78,08 % азота, 20,95 % кислорода, 0,9 % аргона, 0,03 % углекислого газа; остальную часть составляют неон, гелий, водяной пар и пыль и др. Верхняя граница атмосферы не определена. Атмосфера переходит в межпланетное пространство постепенно.
В атмосфере выделяют три концентрические оболочки: тропосферу – до высоты 8–15 км, стратосферу (слоистую оболочку) – от 8–15 до 100 км и ионосферу.
Атмосферные агенты: солнечные лучи, атмосферное электричество, температурные колебания, ветер, содержащийся в атмосфере водяной пар – проводят огромную геологическую работу. Она проявляется в процессах разрушения горных пород, транспортировке продуктов разрушения и их накоплении.
Гидросфера – прерывистая водная оболочка Земли, включающая океаны, моря, озера, реки и ледяные покровы.
Основную массу гидросферы составляют соленые воды океанов и морей; на пресные воды континентов приходится лишь 0,3 % всей гидросферы. Из всех вод Земли пресной воды всего 3 %, да и то,2/3 ее пока недоступно человеку – это ледники.
Верхняя граница гидросферы намечается ясно: это поверхность океанов и морей. Нижняя граница более сложна и примерно совпадает с дном океанов и морей. Солей в гидросфере 5•10
т. Средняя соленость Мирового океана принимается равной 3,5 %.
Море – чрезвычайно важный геологический агент в жизни Земли. Морская среда представляет мощный биохимический фактор, гигантское соляное месторождение. В море образовались многие горные осадочные породы и минералы (известняк, мел, нефть, фосфорит, глауконит, калийные соли). Морская вода – энергичный растворитель многочисленных горных пород и мощный фактор денудации.
Биосфера. Академик В.И. Вернадский назвал биосферу зоной жизни. В той или иной степени она представлена в атмосфере, гидросфере и земной коре.
Нижняя граница существования живых организмов определяется температурой и давлением. Жизнь на суше проникает на меньшую глубину, чем в океане, примерно на 2–3 км. В Тихом океане обнаружена разнообразная фауна даже на глубине около 11000 м. Это позволяет считать все глубины океана обитаемыми.
В состав организмов входит более 60 элементов. Академик А.П. Виноградов вычислил средний состав живого вещества суши. Оказалось, что организмы в основном состоят из О, Н, С, N. Са, Мg, К и т. д. – элементов, которые образуют твердые и газообразные соединения.
Роль организмов как концентраторов некоторых химических элементов весьма значительна: достаточно вспомнить концентрацию углерода в залежах торфа, угля, нефти; кальция и углерода – в известняках, меле; фосфора – в фосфоритах.
Велика также роль животных и растений в образовании почв, горных пород и различных полезных ископаемых.
Породообразующее значение таких животных организмов, как кораллы, фораминиферы, плеченогие, головоногие моллюски и другие, огромно.
Земная кора. При прохождении сейсмических (продольных и поперечных) волн в горных породах коры отчетливо выделяются два слоя, где резко изменяется скорость их распространения, – под материками на глубине 50–70 км и под океанами на глубине 3– 10 км. Этот раздел, где скорость продольных упругих колебаний резко возрастает от 6,9–7,4, до 8,0–8,2 км/с, получил наименование поверхности Мохоровичича (или Мохо) – по фамилии югославского ученого, впервые установившего это явление. Резкое изменение скорости прохождения волн на определенных глубинах указывает на границы перехода между какими-то (ученые еще не установили какими именно) уплотненными породами, подтверждая их слоистое строение.
Рисунок 2 – Геосферы Земли, выделяемые по скоростям распространения продольных сейсмических волн: 1 – земная кора; 2 – мантия; 3 – ядро
По геофизическим данным, в земной коре выделяют три основных слоя (рисунок 3):
1) осадочный чехол, состоящий из мягких слоистых пород со средней скоростью прохождения продольных сейсмических волн V – 1,0–4,0 км/с; 2) гранитный слой с V = 5,5–6,9 км/с; 3) «базальтовый» слой с V = 6,1–7,4 км/с.
Рисунок 3 – Строение наружной сферы Земли: 1 – гидросфера; 2 – осадочные породы; 3 – гранитный слой; 4 – базальтовый слой; 5 – магматические очаги; 6 – верхняя мантия (подкоровый субстрат); d – плотность, г/см
; V – скорость продольных волн, км/с
Осадочный слой, а иногда и гранитный, снаружи покрыт слоем почвы. Почвенный покров имеет ничтожную мощность: от 30 (зона тундры) до 160 см (зона черноземов). Образуется он в течение нескольких лет.
Первые два слоя имеют прерывистое залегание. Осадочный слой изучен неплохо, гранитный – слабее; «базальтовый» слой еще не исследован совсем. Гранитный слой образован плотными породами – гнейсами, габбро, различными сланцами; «базальтовый» – очень плотными породами магматического и метаморфического происхождения. Граница между осадочным чехлом и гранитным слоем четкая, между гранитным и «базальтовым» – нечеткая.
Выделяют два типа земной коры: океанический и материковый. Кора материкового типа состоит из гранитного слоя мощностью до 35 км, прикрытого в отдельных участках (прогибах) осадочным чехлом мощностью до 15–20 км и более. В океанической коре гранитный слой отсутствует, земная кора состоит только из одного базальтового слоя, прикрытого тонким слоем (менее 1 км) донных осадков.
Мантия и ядро. Под материками на глубине 50–70 км залегает верхняя мантия (V = 8,0–8,6 км/с), предположительно состоящая из пород, близких по составу к дунитам, перидотитам с плотностью 3,0–3,3 г/см
.
Сплошной расплавленной оболочки внутри Земли нет. Предполагается, что в верхней части мантии в различных районах на неодинаковой глубине имеется слой максимальных температур, так называемая астеносфера – волновод, где происходит частичное расплавление вещества.
Химический состав ядра неясен. Одни считают (В.А. Магницкий), что внешнее ядро по составу силикатное, внутреннее – железное, другие – что материал ядра по химическому составу идентичен составу мантии, но что это вещество находится в особом, как бы «металлизированном» состоянии. Сверхвысокое давление (порядка 303•10
кПа) внутри ядра задерживает плавление, придавая веществам свойства тяжелых металлов. Вещество внешнего земного ядра по чувствительности к сотрясениям обладает свойствами жидкости и ведет себя по отношению к сейсмическим колебаниям как жидкое тело, т. е. не передает их, однако по твердости ядро близко к стали и по многим механическим свойствам соответствует кристаллическому состоянию материи. Внутреннее ядро находится в твердом состоянии.
Практическому изучению доступна лишь ничтожная часть Земли. Самые глубокие буровые скважины достигают глубины 9159 м, а рудники – только 3800 м. До этих глубин возможно непосредственное изучение минералов, горных пород, а также температуры и давления. Из 89 известных на Земле химических элементов лишь 9 составляют основную часть земной коры (примерно 99 %). Эти же элементы преобладают в составе лунной коры и метеоритов (таблица 1).
Таблица 1 – Химический состав земной и лунной коры и метеоритов (массовые %)
(по Г. В. Войткевичу, 1971)
При общих чертах сходства земной и лунной коры имеются большие принципиальные отличия; на Луне мало алюминия и калия, но много железа, титана и кальция.
По главным химическим элементам, содержащимся в коре, – кремнию и алюминию верхнюю оболочку называют сиаль. Граница между гранитным слоем и сплошным базальтовым получила название раздела Конрада.
В зависимости от химических и физических свойств в коре выделяют ряд поясов. В верхнем поясе земной коры происходят процессы выветривания, в том числе окисления, гидратации и почвообразования. Химический состав почв зависит от химического состава земной коры.
Ниже расположен пояс цементации, в котором температура и давление выше и вещество коры цементируется и уплотняется. Полагают, что отдельные участки этого пояса находятся в расплавленном состоянии.
Вопросы для выполнения задания и самостоятельной подготовки
1. Что такое геология? 2. С какими науками геология тесно связана? 3. Назовите разделы геологии и покажите их значение для изучения почвоведения, основ земледелия, агрохимии. 4. Методы исследования в геологии. Что вы знаете об использовании искусственных спутников Земли и космических кораблей для получения новых данных о Земле? 5. Назовите оболочки геосферы, из которых состоит Земля. 6. Схематично зарисуйте расположение геосфер. 7. Что представляет собой Земля (по форме)? 8. Что такое геоид? 9. Какие элементы имеют особо важное значение в составе литосферы? 10. Как распределены суша и море на поверхности Земли? 11. Чем отличается материковая кора от океанической?
Физические и химические свойства и формы нахождения минералов в природе. Минералогия (от лат. minera – руда) изучает свойства слагающих земную кору минералов и разнообразные процессы, приводящие к их образованию.
Минералами называют природные химические соединения или самородные элементы, возникающие в результате разнообразных физико-химических процессов, происходящих в коре и на ее поверхности.
Большинство минералов – вещества твердые (кварц, полевой шпат и др.), но есть жидкие минералы (ртуть, вода, нефть) и газообразные (углекислота, сероводород и др.). В этой работе описываются лишь твердые минералы.
По И. Костову (1971), из 2000 известных минералов сравнительно немногие имеют широкое распространение в природе. Эти минералы, а их всего около 50, входят в состав многочисленных горных пород, многие из них содержатся в почве, оказывают влияние на ее физико-химические свойства, в том числе и на плодородие. Эти минералы называют минералами почвенного скелета.
Строение и особенности кристаллов. Все минералы отличаются друг от друга по физическим свойствам и химическому составу. Твердые минералы встречаются в природе в большинстве случаев в виде кристаллов, т. е. веществ, обладающих кристаллической структурой, в которой элементарные частицы (атомы, ионы или молекулы) расположены закономерно в узлах кристаллической решетки.
Кристаллы и кристаллические вещества изучает наука кристаллография.
Кристаллы часто имеют форму различных многогранников: кубов, призм, пирамид, тетраэдров, октаэдров и т. д.
Некоторые вещества характеризуются беспорядочным расположением частиц (молекул, атомов и ионов), т. е. отсутствием кристаллического строения. Такие вещества называют аморфными (стекло и др.). Аморфное состояние неустойчиво и с течением времени переходит в кристаллическое. Аморфный кремнезем – опал – имеет тенденцию к кристаллизации (переходит в кварц).
Дисперсные системы, состоящие из мельчайших тонкораспыленных частиц диаметром от 10
до 10
мм, получили название коллоидов. Таковы некоторые твердые природные гели, в которых дисперсионная среда (вода) занимает пространство между коллоидными частицами, например опал.
Физические свойства (твердость, теплопроводность, силы сцепления) аморфных веществ подобны свойствам жидкостей; они во всех направлениях одинаковы – аморфные вещества не обладают анизотропностью физических свойств.
Минералы, кристаллическое строение которых обнаруживается под микроскопом, называют скрытокристаллическими, их типичный представитель – халцедон. Кристаллические вещества обладают однородностью химического состава во всех частях кристалла или кристаллического индивидуума (например, зерна), а также способностью самоограняться, т. е. образовывать многогранники.
Каждый минерал обладает определенным химическим составом и имеет характерное для него внутреннее строение, от которого зависят его внешняя форма и свойства. Методы изучения и определения минералов весьма обширны: визуально или макроскопически минералы определяют в полевой обстановке по цвету, блеску, твердости, форме и т. п. Нередко в полевой обстановке используют и наиболее простые качественные реакции, частично с применением паяльной трубки.
При камеральной обработке собранных в поле образцов минералов и горных пород в лабораториях применяются точные методы: определяются оптические константы минералов, изучаются их кристаллографические свойства, радиоактивность, люминесценция, пьезоэлектрические и магнитные свойства, детально исследуется химический состав минералов при помощи химического и физического анализа, а также используются рентгеновский и различные термические методы.
Изоморфизм. Под изоморфизмом понимают способность элементов заменять друг друга в химических соединениях родственного состава. В этом случае кристаллическая решетка данного вещества допускает замену одних компонентов (например, Мg
) другими (например, Fе
). Два вещества могут заменять друг друга в том случае, если они обладают аналогичной химической формулой и соответственные ионы обоих веществ имеют одинаковые по знаку заряды, а размер ионов и степень поляризации их близки. Так, ионный радиус Мg
– 0,75•10
м, Fе
– 0,79•10
м, Fе
– 0,67•10
м, А1
– 0,57•10
м.
Изоморфные смеси широко распространены в природе, например Мg
SiO
– форстерит и Fе
SiO
– фаялит. Их изоморфная смесь представляет собой минерал оливин, широко встречающийся в природе: т Мg
SiO
n Fе
SiO
. Все три минерала (форстерит, фаялит и оливин) кристаллизуются в ромбической сингонии.
Изоморфные замещения играют большую роль в образовании минералов и важны для формирования почв, в частности их минерального состава и плодородия.
Полиморфизм. Под этим явлением понимается способность одинаковых по химическому составу веществ образовывать различные структуры. Примерами полиморфных веществ могут быть алмаз (С – кубическая сингония) и графит (С – гексагональная сингония), пирит (FеS
– кубическая) и марказит (FеS
