Материал: геолог и я

1.Инженерная геология, этапы развития, задачи. Инженерная геология, как наука о рациональном использовании окружающей среды

Инженерная геология сформировалась как наука геологического цикла в 20 – 30 годах ХХ века в связи с запросами различных видов строительства – транспортного, промышленного, энергетического и др. Были созданы специализированные изыскательские организации, инженерно-геологические исследования стали необходимой стадией проектирования и строительства. ИГ, включающая на этом этапе грунтоведение и инженерную геодинамику, стала изучаться в вузах. В последующие 1940…70-е гг. она интенсивно развивалась применительно к решению проблем строительства в сложных геологических условиях транспортных сооружений, крупных ГЭС и ТЭС, атомных электростанций и др. Содержание ИГ расширилось за счет обобщения закономерностей инженерно-геологических условий обширных территорий (регионов); региональная ИГ стала третьей составной частью инженерной геологии.

В настоящее время (с 1980-х гг.) инженерная геология рассматривается как наука о геологической среде (ГС), т.е. верхней толще земной коры, ее охране и рациональном использовании. Это обусловлено резким ростом нагрузки на природную среду по многим причинам: рост численности населения в целом, городского в особенности; энерговооруженности и производительных сил общества; масштабов возводимых сооружений и т.д. Соответственно возрастает нагрузка на геологическую среду и растет опасность ее реакций на критические техногенные воздействия. Примерами таких реакций являются «наведенные» землетрясения при заполнении больших водохранилищ и закачке воды в глубокие скважины; выбросы пород, газа в глубоких шахтах и рудниках, приводящие иногда к авариям с человеческими жертвами; подтопление грунтовыми водами и наоборот, истощение глубоких водоносных горизонтов и др. Особенно велик уровень техногенных воздействий в больших городах.

Для России с ее огромной территорией (17,08 млн км2 ) и разнообразием природных условий значение ИГ особенно велико для всех видов строительства, разработки месторождений полезных ископаемых, надежной эксплуатации сооружений.

2. Общие сведения о Земле. Форма и строение Земли, внешние и внутренние геосферы и их взаимодействие, химический состав земной коры. Физические поля земли. Изменение температуры горных пород с глубиной. Геотермический режим.

Приняв приближенно форму земли в виде шара ( геоид ) со средним радиусом 6371,1 км, строение ее можно характеризовать совокупностью геосфер. К внешним геосферам относятся атмосфера, гидросфера и биосфера. К внутренним – земная кора (ЗК), литосфера, мантия и ядро.

ЗК толщиной около 70 км состоит из трех слоев, названных по характеру типичных пород: осадочный, гранитный и базальтовый; в океанической ЗК гранитный слой отсутствует. Мантия подразделяется на верхнюю (до 900км) и нижнюю (глубже до 2900). Верхний слой мантии вместе с ЗК образуют литосферу (до 140 км глубины). В ядре выделяют его внешнюю оболочку (2900 – 5000 км) и само ядро. В них и нижней мантии протекают процессы движения и преобразования вещества, приводящие к выделению внутренней – эндогенной – энергии Земли. Она проявляется в образовании минералов и горных пород, структур литосферы и ЗК, рельефа, т.е. характера поверхности последней. Таким образом, имеет место взаимодействие всех перечисленных геосфер.

Наиболее распространенными в ЗК являются следующие химические элементы: кислород (46,5), кремний (25,7), алюминий (7,6), железо (6,2). В скобках приведены массовые доли элементов в %. Далее следуют Ca, Na, Mg, K, H, Ti, C. Остальные элементы в сумме составляют менее 1%.

Физические поля Земли включают гравитационное, магнитное, и тепловое поля. Физические поля Земли охватывают не менее 2 млн. км. Эти пределы определяются гравитационными и электромагнитными полями. Гравитационное поле Земли составляет две сферы:

1. Сфера Хилла, радиус этой сферы составляет около 1500000 км и определяет расстояние, на котором могут двигаться тела, оставаясь спутниками Земли.

2. Сфера, радиус которой 260000 км, в пределах которого земное притяжение превышает солнечное.

Гравитационное поле Земли определяет силу тяжести на поверхности.

Магнитное поле Земли простирается на расстояние около десяти земных радиусов (100-200 тыс. км), где его напряженность практически сравнивается с напряженностью межпланетного магнитного поля. Напряженность магнитного поля на поверхности Земли неодинакова. В полярных областях она достигает 8.103 —9.103 А/м, а на экваторе напряженность уменьшается до 5.103 А/м. По мере удаления от Земли напряженность уменьшается пропорционально кубу расстояния.

Тепловое поле Земля имеет как всякое нагретое тело. Факторы, обусловливающие нагревание Земли, делятся на внешние (солнечная энергия, приливное трение, космическое излучение) и внутренние (теплопередача из глубины Земли, термальные воды, вулканизм, землетрясения, хозяйственная деятельность человека). Основным источником теплового поля является Солнце.

Температура на поверхности Земли колеблется в достаточно больших пределах. Самая низкая температура зарегистрирована в Антарктиде на станции Восток -89о С, а самая высокая - в Триполи (Северная Африка) +58о С.

Геотермический режим ЗК определяется взаимодействием вышеуказанной эндогенной(внутренняя энергия химических реакций, протекающих в мантии) энергии и внешней (экзогенной), главным образом солнечной. В итоге в ЗК выделяют три зоны: в верхней преимущественное значение имеет влияние солнечного тепла и соответственно проявляются суточные, сезонные и другие колебания температуры; глубже следует нейтральный слой, в котором температура постоянна и близка к среднегодовой. Еще глубже наблюдается устойчивый рост температуры, интенсивность которого характеризуется указанием геотермических ступени и (или) градиента. Величина нарастания температуры на каждые 100 м глубины- геотермический градиент. Глубина, при которой температура повышается на 1 градус по Цельсию -геотермическая ступень . Очевидно соотношение ГС = 100/ГГ. В среднем ГС равна 33 м, но в общем она меняется от 5 до 100 м. Например, для Москвы ГС = 59 м, для Петербурга только 20 м; различие объясняется более близким к поверхности для последнего расположением кристаллических пород и наличием в них глубоких разломов.

3. Минералы и горные породы, эндогенный и экзогенный процессы их образования. Породообразующие минералы, классификации, состав, свойства.

Земная кора состоит из горных пород (ГП), представляющих собой агрегаты нескольких (иногда одного) минералов. Минералами называют однородные по составу и строению части горных пород и руд. Они представляют собой природные химические соединения, возникшие в результате различных геологических процессов. Минералов в природе великое множество. Для изучения и поиска их объединяют в однородные группы по химическому составу и физическим свойствам. Большинство минералов встречается в земной коре в твердом состоянии. Однако есть жидкие (самородная ртуть) и даже газообразные минералы (углекислый газ, сероводород). Поразительно разнообразны внешние признаки, по которым минералы отличаются друг от друга. Одни из них прозрачны, другие мутны, полупрозрачны или совершенно не пропускают свет.

Горные породы - природные минеральные агрегаты, возникшие в глубине земной коры или на ее поверхности в результате различных геологических процессов. По происхождению (генезису) различают породы магматические, осадочные и метаморфические.

Происхождение (генезис) минералов. Минералы образуются при сложных физико-химических процессах, протекающих в недрах земной коры или на ее поверхности. По характеру энергии, определяющей процессы минерало -, и породообразования, их делят на эндогенные и экзогенные.

К эндогенным относятся магматизм и метаморфизм.

Магматизм – внедрение магмы в ЗК или излияние ее на поверхность в виде лавы. Образующиеся при этом ГП называются магматическими (МГП). Это интрузивные (глубинные) (гранит, сиенит, диорит и др.) и эффузивные (поверхностные) (порфиры, андезит, базальт, пемза и др.).

Метаморфизмом называется преобразование ранее образовавшихся пород при изменении условий их существования, под действием высоких давления, температуры, химически активных жидкостей и газов. Образующиеся при этом породы называются метаморфическими (ММГП); это гнейс, кварцит, мрамор, различные кристаллические сланцы. МГП и ММГП составляют большую часть массы ЗК.

Эндогенные процессы:

1) Магматизм

2) Метаморфизм

3) Тектанические нарушения

4) Колебательные движения ЗК

5) Сейсмические явления

Экзогенные процессы протекают на небольших глубинах ЗК и на ее поверхности. Экзогенные минералы образуются на земной поверхности и на небольшой глубине вследствие преобразования эндогенных минералов, кристаллизации и осаждения солей из водных растворов, а также в результате жизнедеятельности животных и растительных организмов, накопления их остатков. Такой процесс минералообразования называется осадочным, а возникающие при этом горные породы называются осадочными (ОГП).

Экзогенные процессы образования:

1) Выветривание: физическое, хим., биологическое.

2) Геологическая деятельность ветра: дефляция и коррозия, перенос, аккумуляция и эоловые отложения

3) Геологическая деятельность поверхностных текучих вод

4) Геологическая деятельность подземных вод

5) Геологическая деятельность ледников

6) Геологическая деятельность океанов и морей

Всего их известно несколько тысяч, но основную массу ГП составляют несколько десятков наиболее распространенных – породообразующих – минералов.

Классификация:

1)(содержащие кремний) силикат: наиболее распространены минералы магматического происхождения - полевые шпаты ортоклазы и плагиоклазы, слюды, оливин, авгит, роговая обманка;

метаморфического – тальк, хлорит, серпентин;

осадочного – каолинит, монтмориллонит, гидрослюды

2)оксиды и гидроксиды: кварц, опал, лимонит

3)карбонаты (соли натрия, магния, меди): кальцит, доломит

4)сульфаты (соли серной кислоты): гипс, ангидрит

5) сульфиды (производные сероводорода): пирит

6) галоиды (фтористые и хлористые соединения): галит, сильвин

Физические свойства:

1)внешняя форма

2) цвет

3) прозрачность

4) блеск

5) твердость (шкала Мооса)

6) Спайность (способность раскалываться по определенным направлениям)

7)излом

8) плотность (По плотности различают минералы легкие ( ≤2,5г/см3), тяжелые ( >= 4) и средней плотности при изменении  в указанных пределах)

9) магнитность

Очень большое практическое значение имеет устойчивость минералов к выветриванию. В этом отношении они подразделяются на:

-очень устойчивые – кварц, мусковит;

устойчивые – ортоклаз, альбит, т.е. полевые шпаты с большим содержанием кремнекислоты (кислые);

-умеренно устойчивые – кислые плагиоклазы, авгит, роговая обманка, биотит и др.;

-малоустойчивые – основные плагиоклазы (с малым содержанием кремнекислоты), оливин, пирит.

4.Магматизм и магматические горные породы (мгп), условия образования, формы залегания интрузивных и эффузивных магматических пород. Названия и строительные свойства наиболее распространенных мгп.

Магматизм – внедрение магмы в ЗК или излияние ее на поверхность в виде лавы. Образующиеся при этом ГП называются магматическими (МГП). Это интрузивные (глубинные) (гранит, сиенит, диорит и др.) и эффузивные (поверхностные) (порфиры, андезит, базальт, пемза и др.). Магма - сложный силикатный сплав.

Текстура пород (пространственное расположение частей пород в ее обьеме):

1) массивная - равномерное, плотное расположение минералов;

2)полосчатая - чередование участков различного минерального состава;

3)шлаковая - порода, содержащая видимые глазом пустоты

4)порфировую ( с кристаллами в виде отдельных вкраплений в общей стекловатой массе) или стекловатую структуру;

Текстура может быть как плотной, (порфиры, порфириты, диабазы), так и пористой – липариты, трахиты, андезиты, базальты, пемза.

Структуры:

1) зернистые - типичные для глубинных пород;

2)полукриссталические;

3)стекловатые- типичные для излившихся пород

Формы залегания:

А) Глубинные ( интрузивные)

1) батолиты - массивы, площадью до несколько сотен км, залегающих глубоко от земной поверхности;

2)штоки-ответвления от батолитов;

3)лакколиты - грибообразные формы;

4) жилы - заполненные магмой трещины в земной коре.

Б) Излившиеся ( эффузивные):

1)купола- сводообразные формы

2)лаковые покровы -растекание магмы на пов-ти Земли

3)потоки- вытянутые формы

Характеристика пород:

1)Кислые породы(содержание SiO2 65-75%) гранит и его аналоги

2)средние породы(52-65%) порфириты, андезиты, порфир, трахит

3)основные(40-52%) габбро и ее аналоги-диабаз , базальт

4) ультраосновные(менее 40 %) только глубинное происхождение – пироксениты.

Все МГП широко применяются в различных областях строительства. Из интрузивных наиболее распространенная порода – гранит, а из эффузивных – андезиты и базальты.

(В общем МГП и ММГП (метаморфические ГП) обладают большой прочностью, малосжимаемы, нерастворимы в воде. При использовании их обязательно устанавливается трещиноватость, которая может существенно снизить прочность и повысить деформируемость массива породы)

5.Осадочные горные породы ОГП, условия образования, классификация, основные свойства. Особенности строительной оценки различных классов ОГП - обломочных несвязных и сцементированных, глинистых, химических и биохимических.

Составляя всего 5% от массы ЗК, осадочные породы чаще всего слагают ее верхние слои и выходят на поверхность, оказываясь в зоне хозяйственно-строительной деятельности человека. На происхождение ОГП указывает название – формирующиеся из осадка. Последний возникает при разрушении ранее существовавших пород вследствие выветривания и переносе продуктов разрушения, при кристаллизации солей в усыхающих водных бассейнах, а также при накоплении остатков животных и растительных организмов.

В соответствии с указанными условиями образования ОГП разделяются на три группы: обломочные, глинистые, химические и биохимические. Основной формой залегания ОГП является слой, в котором различают подошву, кровлю и мощность Н – расстояние между ними (рис.2.З).

Слоистость, значительная пористость, большая изменчивость прочности и сжимаемости, повышенная чувствительность многих пород к внешним воздействиям – характерные черты ОГП. В них нередко обнаруживаются остатки и отпечатки животных и растений, позволяющие устанавливать возраст пород. Охарактеризуем каждую группу ОГП.