книги / Общая геология

где в горных породах имеется значительное количество подземной воды, протекает описанная химическая реакция. В ходе этой реакции выделяется теплота, которая обогревает горные породы. Геотермическая ступень от этого должна уменьшаться, а геотерми­ ческий градиент увеличиваться. Описанный процесс широко распространен в верхних слоях земной оболочки, в пределах распространения нефтяных месторождений. Здесь обычно широко развиты глины и песчаники, обогащенные пиритом и марка­ зитом.

Врайонах распространения нефтяных месторождений гео­ термическая ступень часто имеет пониженное значение. Например,

врайонах Грозненских нефтяных месторождений геотермическая ступень достигает 20—25 м, в районах Бакинских месторождений 23—32 м. Такое же явление свойственно районам каменноуголь­ ных месторождений. В пределах их развития глины и песчаники очень часто бывают обогащены сульфидами железа.

Втех районах, где в горных породах протекают преимуще­ ственно эндотермические реакции (с поглощением тепла), геотер­ мическая ступень больше.

шенная. Это прекрасно подтверждается в районах вулканиче­ ской деятельности (Камчатка и др.).

земных вод, имеет повышенную и даже очень высокую темпера­ туру. Примерами могут служить Горячеводск и Серноводск в Чечено-Ингушской АССР, Горячий ключ в Краснодарском крае и др. Здесь вода, встречающаяся на небольшой глубине и

ступени. Допустим, какой-либо участок земной коры сложен одинаково теплопроводными горными породами, но в одном

При прочих равных условиях (одинаковые породы, одинако­ вое залегание и т. д.) под океаном или морем геотермическая ступень будет меньше, а на континенте, вдали от океана, больше. Здесь сказывается охлаждающее влияние воды морей и океанов.

Первой от поверхности геотермой будет пояс постоянных тем­ ператур. Температура в нем, как было сказано выше, равна средней годовой температуре на поверхности. Расстояние между геотермами по вертикали является геотермической ступенью.

Из сказанного следует, что геотермы под океанами и морями должны быть расположены гуще, чем в пределах континентов, т. е. геотермические ступени на континентах должны быть больше, чем непосредственно под дном моря или океана.

7. Концентрация радиоактивных элементов в горных поро­ дах.

При местной повышенной концентрации радиоактивных эле­ ментов теплота, выделяющаяся при их распаде, способствует уменьшению геотермической ступени, или увеличению геотерми­ ческого градиента в области сосредоточения радиоактивных элементов.

Для определения геотермической ступени на том или другом участке земной коры замеряют температуру в скважинах на различных глубинах. Разность глубин делят на разность заме­ ренных температур. Таким образом получают геотермическую ступень в указанном интервале глубин.

Операция замера температур в скважинах довольно тру­ доемка и длительна. Из скважины удаляют жидкость (воду или глинистый раствор). Если скважина находится в состоянии бурения, то, прежде чем замерять температуру на забое, необхо­ димо выждать некоторое время, пока забой не примет свою есте­ ственную температуру, так как забой скважины при бурении нагревается.

Для температурных замеров употребляют максимальные термо­ метры, устроенные по принципу медицинских. Их помещают

вспециальные металлические водонепроницаемые футляры.

Вскважину опускают на тросе несколько (не менее двух) термометров и держат их на забое несколько часов. Если все

поднятые на поверхность Земли термометры покажут одну тем­ пературу, замер считается удачным и законченным. Если термо­ метры покажут разную температуру, то нет уверенности, какой термометр показывает действительную температуру забоя сква­ жины. Операцию повторяют до тех пор, пока не получат одинако­ вых показаний на всех опущенных термометрах. Перед спуском в скважину термометры выверяют.

Из сказанного следует, что при замерах температуры сква­ жина остается без жидкости много часов. Оставлять екважйны без жидкости, особенно глубокие, с какими имеют дело нефтя­

134 Физиографическая геология

ряется сотнями тысяч и даже миллионами рублей. Поэтому тем­ пературу в глубоких скважинах замеряют редко. Каждый геолог, особенно геолог-нефтяник, обязан использовать любую возмож­ ность для замеров температур в скважинах.

В последнее время в скважинах производят так называемый температурный каротаж. Температура по стволу скважины авто­ матически фиксируется особым самопишущим аппаратом. Диа­ граммы таких записей не отражают вполне точных температур на различных глубинах, но они наглядно характеризуют тенден­ цию температурных изменений в скважине с глубиной.

Нам часто необходимо знать, какая температура может быть на той или другой глубине. Это особенно важно при проектирова­ нии тампонажа в скважинах, выборе сорта цемента для проведе­ ния тоннелей и т. д. В случаях, когда в районе заложения сква­ жины неизвестна геотермическая ступень, считают ее равной 33 м.

Разберем следующий пример. В скважине на глубине 2050 м (забой) надо закрыть воду, т. е. произвести тампонаж. Чтобы выбрать для тампонажа соответствующий сорт цемента, необхо­ димо знать температуру на этой глубине. Геотермическую ступень принимаем равной 33 м. Узнаем среднюю годовую температуру

Если считать, что геотермическая ступень сохраняется в пре­ делах сиалической оболочки равной примерно 33 л*, то температура 100° С, т. е. температура кипения воды при нормальном атмосфер­

вые пшаты плавятся или размягчаются при температуре 1500° С; оливиновый диабаз начинает плавиться при температуре 1150° С и легко течет при температуре 1225° С; базальт легко течет при температуре 1160—1170° С.

Таким образом, мы видим, что в нижней части сиалической оболочки, на глубинах около 40—50 км, температура равна приблизительно 1200—1500° С.

В условиях нормального давления горные породы при этих температурах должны плавиться. Однако на глубинах 40—50 км

давление равно 10800—13500 от. При этих давлениях горные породы остаются в твердо-пластичном состоянии. О существова­ нии температур 1200—1500° С в пределах сиалической оболочки свидетельствуют жидкие раскаленные лавы ныне действующих вулканов. Лавы Везувия, например, расплавляли медные сосуды, попадавшиеся на пути их течения. Значит, температура лавы выше температуры плавления меди, т. е. выше 1083° С. Как из­ меняется температура ниже сиалической оболочки, какова там геотермическая ступень, мы не знаем. Если бы величина геотер­ мической ступени сохранялась такой же, как принято считать ее для сиалической оболочки, т. е. 33 м, то в низах симатической оболочки, на глубине 900 км, она была бы около 27 200° С, на глубине 2900 км 88 000° С. Соответственно в центре Земли она была бы равной примерно 193 000° С.

Если бы в недрах Земли ниже сиалической оболочки были температуры такого порядка, вещество этих недр должно было бы находиться в жидком, расплавленном состоянии. Сравнительно тонкая сиалическая оболочка не могла бы сохраниться и тоже расплавилась бы.

Следовательно, температура недр значительно ниже.

то геотермическая ступень ниже сиалической оболочки резко увеличивается и повышения температуры к центру Земли, начи­ ная с кровли симатической оболочки, почти нет.

Источником теплоты, обусловливающим сравнительно силь­ ный нагрев сиалической оболочки, является теплота, полу­ чающаяся в результате распада радиоактивных элементов, ко­ торые сосредоточены главным образом в сиалической оболочке.

В природе известно много радиоактивных элементов. Многие из них возникли в результате распада урана U или тория ТЬ. Конеч­ ным продуктом их распада является урановый свинец РЬ с атомным весом 206 или ториевый свинец РЬ с атомным весом 208. Скорость распада не зависит от изменений температуры t и давления р, по крайней мере до t = 1500° С и р = 2000 am.

Наиболее богаты радиоактивными элементами (в основном ураном и торием) горные породы магматического происхождения, на втором месте стоят метаморфические и на последнем — оса­ дочные породы.

Из магматических пород наиболее богаты радиоактивными элементами кислые породы, особенно граниты. Значительно меньше содержат этих элементов основные породы, например базальты, габбро и др.

В 1 г гранита содержится в среднем 3 X 10~12 г Ra, получив­ шегося от распада U, и 2 X 10—5г ТЬ. В 1 г базальта 1,19 X X 10~12 г Ra и 0,77 X 10 5г ТЬ. 1 г Ra выделяет при распаде

от распада Th. Таким образом, от распада радиоактивных эле­

гранит выделяет тепла в единицу времени в 2,6 раза больше, чем то же количество базальта.

В строении сиалической оболочки участвует главным образом гранит. Исходя из этого, можно считать, что максимальное коли­ чество тепла, выделяемого граммом вещества сиалической обо­

лочки, равно 30 X 10~14 кал/сек. Это тепло вследствие тепло­ проводности горных пород сиалической оболочки в значительной части уходит в атмосферу, а оттуда в мировое пространство. Этой теплотой в значительной степени обусловливаются геоло­ гические процессы, происходящие в сиалической оболочке и отчасти в верхней части симатической оболочки.

Вечная мерзлота

В поясе постоянных температур тех участков земной коры, где средняя годовая температура на поверхности равна нулю или ниже нуля, температура ниже поверхности тоже равна со­ ответственно нулю или ниже нуля. В этих местах горизонт по­ стоянных температур залегает сравнительно неглубоко. [Как известно, при нулевой и отрицательных температурах вода на­ ходится в твердом состоянии. •

Наименование, конечно, неточное. Ничего вечного нет. Лед, со­ держащийся в пустотах породы, при потеплении климата час­ тично или полностью растаивает. Однако в течение длительного времени, измеряемого сотнями и тысячами лет, средняя годовая температура может оставаться нулевой или ниже нуля.

Вечной мерзлотой охвачена громадная территория нашей страны. На рис. 56 приведена карта СССР, на которой показана южная граница распространения вечной мерзлоты. Из карты видно, что эта граница протягивается через следующие пункты: устья рек Мезени и Усы (правый приток Печоры), затем резко поворачивает на юг — юго-восток, до верховьев р. Сев. Сосьвы (левый приток Оби), затем протягивается по правобережью Оби до г. Сургута, а оттуда — на восток до Енисея. Здесь граница

и л м е З а т о л п е Т

138 Физиографическая геология

резко поворачивает на юго-восток и проходит восточнее Красно­ ярска. Далее граница распространения вечной мерзлоты, изви­ ваясь, выходит к пограничному пункту между СССР, Китаем и Монгольской Народной Республикой. Здесь эта граница уходит в пределы МНР, откуда входит в пределы Китая и вновь протя­ гивается по территории СССР в области Приморья, а затем всту­ пает на Камчатку.

Вечной мерзлотой захвачено 45% всей территории СССР

{9658 тыс. км2). Площадь вечной мерзлоты в СССР немногим меньше площади Европы (9987 тыс. км2). Эта площадь больше территории США (7840 тыс. км2) и больше площади всего Австра­ лийского материка (7704 тыс. км2).

Известны значительные площади вечной мерзлоты в Северной Америке. В общей сложности вечной мерзлотой на земном шаре

От циркуляции подземных вод повышенной температуры вечномерзлые породы становятся прерывистыми; внутри них появляются участки без льда, с водой (талики).

Вечная мерзлота встречается линзами, гнездами, островками, •а иногда слоями (слоистая). В ней встречаются остатки древних животных (мамонтов, носорогов, пещерных медведей и др.).

Вечная мерзлота водонепроницаема. Вода, находящаяся в по­ рах, трещинах, кавернах горных пород выше вечной мерзлоты, зимой замерзает до поверхности Земли, летом она оттаивает, и области вечной мерзлоты в это время года обычно представляют собой болота. К зиме вода опять замерзает; при этом объем ее увеличивается, в результате чего почва вспучивается, нередко прорывается льдом, образуются наледи.

В областях вечной мерзлоты растительность очень бедная, чахлая, низкорослая. Корни растений не уходят далеко вглубь, а разрастаются в горизонтальном направлении. Часто поэтому целые лесные массивы низкорослых деревьев на участках вечной мерзлоты бывают повалены ветром (ветровалы).

Чрезвычайно широко в пределах вечной мерзлоты развиты оползни. О них сказано в главе XIII.

Мерзлые породы являются нефтенеп^оницаемыми. Вследствие этого выходы нефти на поверхности Земли в пределах распро­ странения вечной мерзлоты редки.

До Великой Октябрьской социалистической революции и в первые годы Советской власти считали, что нефть надо искать только в тех районах, где имеются естественные выходы ее на поверхность. Отсюда делали вывод, что нечего искать нефть . в Сибири. Такое неправильное заключение делали потому, что не учитывали характерного свойства вечной мерзлоты—ее нефтенепроницаемости.

В настоящее время в пределах вечной мерзлоты Сибири обна­ ружен ряд нефтяных и газовых месторождений.

Чрезвычайно большой научный интерес представляют пласты ископаемого льда, встречающиеся в пределах вечной мерзлоты. Они известны по берегам нижнего течения Лены, Индигирки, Колымы. Мощность пластов ископаемого льда достигает 7 м. Лед залегает между пластами глин и песчаников и играет роль настоящей горной породы.

Многие предполагают, что это нерастаявшие остатки ледни­ ков, некогда покрывавших места их нахождения. Такое явление может также явиться результатом вертикальных (эпейрогенических) колебательных движений земной коры.

Г л а в а VIII

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМЛИ

Для суждения о химическом составе Земли были произведены многочисленные химические анализы горных пород.

Особенно много в этой области сделали В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, А. Н. Заварицкий, Ф. Кларк, Г. Вашингтон и др. Ими было учтено, насколько часто в земной коре встре­ чаются те или другие породы, и выяснена тенденция в изменении химического состава пород с глубиной их залегания и многие другие вопросы. Все это помогло более или менее основательно разобраться в вопросе химического состава сиалической и отчасти верхней части симатической оболочки Земли. Хуже обстоит дело с более глубокими оболочками и центральным ядром Земли. Однако здесь оказывают неоценимую услугу метеориты — при­ шельцы из Вселенной, падающие на поверхность Земли и являю­ щиеся, возможно, обломками других мировых тел.

Исследования показали, что метеориты состоят из тех же химических элементов, которые известны на Земле. Никаких новых элементов, которые не были бы открыты на Земле, в ме­ теоритах не обнаружено.

Это означает, что все вещество во Вселенной, все мировые тела — Земля, другие планеты, их спутники, Солнце и звезды— состоят из одних и тех же химических элементов. Этот факт под­ тверждает материалистическое представление о единстве материи во Вселенной.

По химическому составу различаются метеориты железные (сидеролиты), железо-каменные и каменные (хондриты или аэро­ литы).

Средний химический состав этих метеоритов приведен в табл. 7.

Таблица 7

Средний химический состав метеоритов (в % вес.)

(по Е. Л. Кринову)

Мы видим, что каменные и железо-каменные метеориты содер­ жат кислород и кремний, причем у первых того и другого эле­ мента больше, чем у вторых. В железных метеоритах этих элемен­ тов нет. Кроме того, в каменных метеоритах содержится кальций и ряд других элементов, например натрий, алюминий, калий, марганец, хром, отсутствующих у железо-каменных и железных метеоритов. Магний же встречен в каменных и железо-каменных метеоритах примерно в одинаковых количествах.

Надо полагать, что каменные метеориты представляют собой обломки мировых тел из верхних их оболочек, железо-каменные— из более нижних оболочек, а железные — из центральных частей других небесных тел.

Метеориты, полностью совпадающие по своему химическому составу с горными породами верхней сиалической оболочки Земли, неизвестны.

Плотность метеоритов колеблется от 3,5 до 8: каменные ме­ теориты имеют плотность около 3,5; железо-каменные 5—6; железны' около 8.

До г.^/бины около 16—20 км земная кора состоит на 88,4% вес. из магматических пород, на 7% из метаморфических пород и на 4,6% из осадочных. Среди осадочных пород больше всего сланцев и глин, на долю которых приходится около 3,7%, затем

следуют песчаники, которые составляют 0,7%, и карбонатные породы (известняки, доломиты), количество которых равно 0,2%.

Средний химический состав указанных пород земной оболочки до глубины 16—20 км приведен в табл. 8.

Рассматривая табл. 8, мы видим, что средний химический состав земной коры до глубины 16—20 км очень близок к составу магматических пород. Да оно и понятно, так как земная кора состоит на 88,4% из этих пород и только на 4,6% из осадочных.

Обращает на себя внимание и средний химический состав сланцев и глин. Он очень схож с составом магматических пород. Это объясняется тем, что сланцы и глины являются продуктом разрушения главным образом магматических и метаморфических пород.

Особое положение занимают песчаники и карбонатные породы. Песчаники значительно богаче SiOa и СаО и беднее А120 3, FeO + + Fe20 3, MgO, К20, Н20 , ТЮ2, Р20 5. Особенно много в песча­ никах Si02. Песчаники сравнительно мало распространены в зем­ ной коре. Они составляют всего 0,7% и состоят из наиболее устойчивых минералов, каким в первую очередь является кварц.