1. Краткий обзор истории развития геологических знаний
Что изучает инженерная геология?
Геология наука о Земле, её строении, составе, и истории развития. Она является комплексной наукой, состоящей из различных многочисленных дисциплин:
кристаллография – учение о кристаллах и кристаллическом строении веществ;
минералогия – наука о минералах;
петрография – наука о горных породах;
динамическая геология – наука о процессах, протекающих на поверхности и внутри земли;
историческая геология – наука об истории развития земли;
гидрогеология – наука о подземных водах;
геоморфология – наука о развитии рельефа земной коры.
Инженерная геология – наука, изучающая геологические процессы верхних слоев земной коры и физико-механические свойства горных пород в связи с инженерно-строительной деятельностью человека. Основным объектом изучения геологии является литосфера и земная кора. Основоположником геологии является М. В. Ломоносов, В. М Севергин. Мы с вами будем изучать самый значительный для строительства раздел геологии "Инженерная геология"
Задачи инженерной геологии
Инженерная геология изучает природную, геологическую обстановку местности до начала строительства, а так же определяет и те изменения, которые произойдут в процессе эксплуатации и строительства сооружений. В настоящее время перед проектированием любого сооружения необходимо выполнить инженерно-геологические изыскания, которые определяют основные задачи проектирования:
1 Выбор места, наиболее благоприятного в геологическом, отношении для данного сооружения.
2 Выявление инженерно-геологических условий в целях выбора наиболее рациональных фундаментов, а также технологический процесс выполнения строительных работ.
3 Рекомендации необходимых мероприятий по инженерному улучшению выбранной территории (это: замачивание грунтов, крепление, мелиорация и т.д).
В настоящий период инженерная геология призвана решать самые сложные
задачи при любых условиях строительства.
Необходимость инженерно-геологического изучения нашей страны с целью
обоснования регионального размещения объектов народного хозяйства и правильного освоения новых территорий дополняется также не только требованиями изучения инженерно-геологических условий, а и необходимостью разработки прогнозов развития современных геологических процессов и явлений в целях предотвращения стихийных бедствий.
Краткий обзор истории развития геологических знаний
Первые упоминания о геологии можно найти в древних памятниках Месопотамии и Египта (второе-третье тысячелетие до нашей эры). В Китае сохранились рукописи 7-4 тысячелетия до нашей эры, где даны первые описания минералов и горных парод. В 11-13 веке до нашей эры многие восточные ученые занимались описанием минералов: таджикский философ-врачеватель Абу-Ибн-Син (Авирцека), узбек Аль-Бируни, азербайджанский ученый Мухамед Насеридин (Туси). В 1021-1023 годах в «Книге Исцеления» Алицена пытается объяснить процессы пародо образования и предложил первую классификацию минералов и горных парод. В 1048 Альберти в своей «Книге Сводок для познавания драгоценностей» описал более 100 минералов и горных парод. Польский астролог Н. Коперник доказал гелиоцентрическое строение солнечной системы.
В 18 веке появилось два направления:
- нептунизм.
- плутонизм
Нептунисты: все живое возникло из воды (Фалес)
Плутонисты: все возникло от огня (Аристотель)
Дарвин занимался изучением эволюции органического мира.
Лайель – выделил два процесса (экзогенный и эндогенный)
При Петре I был создан «Приказ Рудовых дел», который в 1719-ом был переименован в «Берг коллегию».
В 1725 году в Петербурге была основана Академия Наук.
Стали широко известны труды Ломоносова:
- «основание металлургии или рудных дел» (1741)
- «слово о рождении минералов от трясения Земли» (1757)
- «о слоях Земляных» (1763)
С конца 18 века началась геологическая съемка.
В России в 20-е, 30-е годы 19 века начали проводиться исследования по стратиграфии и поле антологии.
В 1882 году был создан «геологический комитет».
В настоящее время геологическими исследованиями занимается Академия Наук.
2. Основные сведения о земле
Форма и строение Земли
Форма Земли близка к шару, но сплюснута у полюсов. Такую форму называют сфероидом , но в связи с тем, что земная поверхность имеет впадины и горы, её назвали геоидом . Наша планета имеет концентрическое строение и состоит из ядра и оболочек. На поверхности земли находится водяная оболочка – гидросфера и атмосфера. Ядро земли (см. рисунок 1) предположительно имеет силикатный состав с большим содержанием железа. Радиус ядра примерно 3500 км , температура ядра 2000…25000 . Промежуточная оболочка – границей является глубина 2900 км (см. рисунок 2). Состоит в основном из кремния, железа, магния. За промежуточной оболочкой, залегает перидотитовая , состоящая из силикатных пород, с преобладанием кремния и магния. Её верхняя часть содержит расплавленные массы. Здесь рождаются сейсмические явления. Наружная часть земли глубиной до 50…70 км, называется литосферой , она является источником минерального сырья.
Гидросфера – водная оболочка покрывает до 70% земной поверхности. Наибольшая глубина 11521 метров (Марианская впадина). Температура воды зависит от широты и глубины местности. Самая высокая +35,60 в Персидском заливе, самая низкая -2,80 в Ледовитом океане.
Биосфера – это среда жизнедеятельности организмов и связана с литосферой, гидросферой и атмосферой.
Атмосфера – окружает землю на высоте 3000 км . Она состоит из 3-х оболочек: тропосфера, стратосфера, ионосфера.
Тропосфера – приземной слой от 6-ти км до 18-ти км (у экватора). С удалением от поверхности температура резко падает и на высоте 10 - 12 км составляет 50 градусов.
Стратосфера – следующий слой высотой 80 - 90 км .
Ионосфера – верхняя часть атмосферы, переходящая на высоте З000 км в межпланетное пространство. Она имеет малую плотность и высокую ионизацию.
Тепловой режим земли
Земля имеет 2 источника тепла: от солнечной радиации 99% и энергии, освобождаемой в недрах планеты.В верхней части земной коры выделяют три температурные зоны:
– зона сезонных колебаний;
– зона постоянной температуры;
– зона нарастания температуры.
Изменения в первой зоне определяются климатическими условиями. Общая мощность первой зоны составляет 12-15м. В зимний период возникает подзона, где температура опускается ниже нуля градуса. По мере углубления в недра влияние сезонных колебаний несущественно и на глубине 15…40 метров находится зона постоянных температур, которая примерно равна 15,5 – 13,60 . По мере возрастания глубины, определяется 3-тья зона. В этой зоне на каждые 100 метров глубины температура возрастает на три градуса, в сейсмических районах увеличение значительно. Такая закономерность просматривается лишь до определенной глубины, далее изменения изучены недостаточно.
3. Геологическая хронология
Определение возроста горных пород
результате изучения строения земной коры и истории развития жизни появилась возможность разделить всю геологическую историю на ряд отрезков времени и составить по данным абсолютного и относительного возраста шкалу геологического времени – геохронологическую шкалу. Геологическая история развития Земли началась с архейской эры. Общий возраст Земли определяется в 5…5.5 млрд. лет.
Геологическое летоисчисление. Понятие об абсолютном и относительном возрасте горных пород и методы его определения.
Архейская эра , или архей,- древнейшая эра в геологической истории Земли продолжительностью около 1 млрд. лет, эра формирования земной коры, появления на ней первой воды, время накопления первых мощных толщ осадочных пород.
Все породы архейской группы интенсивно дислоцированы и прорваны многочисленными интрузиями гранитов. Архейская группа пород характеризуется преимущественно гнейсами, сильно метаморфизированвыми различными кристаллическими сланцами и кварцитами. Породы архея характеризуются значительной плотностью и прочностью. В невыветренном состоянии они обычно являются прекрасным основанием для всевозможных сооружений.
Протерозойская эра , или про терозой, - вторая эра от начала геологической истории Земли; продолжительность ее составляет 600-800 млн. лет. Для этой эры были характерными теплый тропический климат, обширное распространение моря, где происходило накопление известняков на обширных территориях.
Большинство пород протерозойского времени представляет собой типичные осадочные толщи более или менее метаморфизированные (метаморфические сланцы, филлиты, кварциты, конгломераты, мраморы).
Палеозойская эра , или палеозой, - третья эра от начала геологической истории Земли продолжительностью в 300-350 млн. лет. Эту эру подразделяют на периоды: кембрийский; ордовикский; силурийский; девонский; каменноугольный; пермский.
В палеозойское время проявились две мощные складчатости: каледонская (ордовик и силур) и герцинская (средне- и верхнекаменноугольное и нижнепермское время). Соответствующим образом в пределах палеозойской эры проявились и фазы тектонического покоя, характеризуемые низким стоянием континентальных массивов и морскими трансгрессиями.
Климат палеозоя отличался в основном тропическими и субтропическими режимами, которые изменялись в эпохи складчатости на континентальные условия, характеризуемые резким похолоданием. Примером резкого ухудшения климата является пермский период, в который проявилась мощная герцинская складчатость. В период максимальной активности герцинской горообразовательной фазы и максимального подъема континентов ряд областей земного шара подвергся оледенению. Породы палеозойского времени отличаются большим разнообразием как по составу и степени метаморфизации, так и по условиям залегания. Большое распространение имеют разнообразные известняки, мергели и доломиты (морская фация).
В пределах континентальной платформы породы палеозоя представлены (в зависимости от фации) различными глинами, песками и рыхлыми песчаниками. Сильно дислоцированные районы напластования палеозоя характеризуются различными метаморфическими породами, а местами кристаллическими сланцами и даже гнейсами. Мезозойская эра, или мезозой, четвертая эра сначала геологической истории Земли, включающая в себя три периода: 1) триасовый, или Триас (Т); 2) юрский, или юру J); 3) меловой, или мел (К).
Мезозойская эра была Эпохой относительного тектонического покоя. В юрский период проявлялась киммерийская складчатость. Вследствие этого юрское время характеризуется в основном континентальной обстановкой и накоплением осадков континентальной фации (угли) и мелководного моря (черные или темно-серые глины). Тем не менее, мезозойская эра характеризовалась теплым однообразным климатом. Среди мезозойских отложений Морские и континентальные осадки распространены примерно одинаково. Среди Морских осадков наибольшее значение имеют глинистые сланцы; характерны разнообразные известняки и мергели, меньше - песчаники и конгломераты. Для третьего периода этой эры характерен писчий мел как, проявление интенсивной трансгрессии мелового времени, в результате которой в пределах континентальных массивов образовались обширные водные бассейны.
Различают относительный возраст г.п. (относительная геохронология) и абсолютный возраст г.п. (абсолютная геохронология).
Определение относительного возраста пород - это установление, какие породы образовались раньше, а какие - позже. Относительный возраст осадочных г.п. устанавливается с помощью геолого-стратиграфических (стратиграфического, литологического, тектонического, геофизических) и биостратиграфических методов.
Абсолютная геохронология устанавливает возраст г.п. в единицах времени. К методам определения абсолютного возраста пород относятся методы ядерной (или изотопной геохронологии) и радиологические методы (но радиологические методы уступают по точности ядерным).
4. Сейсмические явления
Земная кора обладает различной подвижностью. Основной частью земной коры являются платформы, между ними располагаются геосинклинали. Геосинклинали располагаются между платформами и являются их подвижными сочленениями. Для районов геосинклиналей типичны интенсивные и разнообразные тектонические движения, в основном складчатого и разрывного характера. Отдельные участки платформы на протяжении многих десятилетий поднимаются, другие в это же время опускаются. Колебательные движения не изменяют первоначальных условий залегания пород, но геологическое их значение огромно. Для инженерной геологии особый интерес представляют современные колебательные движения, вызывающие изменения высот поверхности земли. Их необходимо учитывать при строительстве гидротехнических сооружений типа водохранилищ, плотин, морских портов, а также городов у моря. Тектонические движения выводят пласты из горизонтального положения, нарушают их первоначальное залегание. Возникают дислокации. Дислокации в зависимости от вида тектонических движений разделяют на: складчатые и разрывные . К складчатым дислокациям относятся моноклиналь , складка и флексура.
Моноклиналь – является самой простой формой нарушения первоначального залегания пород и выражается в общем наклоне слоев по отношению к горизонту. Складка представляет собой один сплошной перегиб слоев, возникающих в результате воздействия на породы тангенциальных тектонических сил. Выделяют два главных типа: антиклиналь - складка, обращенная своей вершиной вверх; и синклиналь - вершина, обращенная вниз. Бока складок называют крыльями, а вершину - замком. Флексура представляет собой коленоподобную складку, образовавшуюся при смещении одной части толщи пород относительно другой без разрыва сплошности. При изучении геологии строительных площадок необходимо установить пространственное положение слоев и отразить это на геологических картах.
В результате действия внутренних сил Земли возникают движения земной коры, которые сопровождаются упругими колебаниями, вызывающими сейсмические явления – землетрясения .
Сейсмические волны , вызывающие землетрясение, зарождаются в очаге на некоторой глубине от поверхности Земли, в так называемом фокусе (гипоцентре).
Анализ сейсмограмм показывает, что наибольший размах (амплитуда) сейсмических колебаний Различают продольные, поперечные и поверхностные сейсмические волны.
5.Породообразующие минералы, их свойства
Условие образование минералов. Минералы – это природные тела, имеющие определенный химический состав и свойства; образующиеся в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре. В земной коре содержится до 7000 минералов и их разновидностей, и около 100 из них входят в состав горных пород. Эти минералы называются породообразующими. Минералы образуются в результате разнообразных геологических процессов. Существует 3 процесса образования:
Эндогенный процесс – протекает в недрах земли, и минералы рождаются из магмы (силикатного расплава). Магма по мере понижение t, затвердевает. При данном процессе минералы характеризуются большой твердостью, к воде, кислотам.
Экзогенный процесс – протекает на поверхности земной коре, где взаимодействуют литосфера, гидросфера, атмосфера. Образование связано с процессом выветривания и колебаний температур. Такие минералы характеризуются низкой твердостью, и взаимодействием с водой.
Метаморфический процесс – это перерождение ране образованных минералов под воздействием высоких t и давления, а также магматических газов и воды. Минералы проходят перекристаллизацию, приобретают плотность, прочность.
Строение и свойства минералов . Минералы могут иметь кристаллическую структуру или аморфную. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям, такие минералы называют изотропными. А если свойства разные по различным направлениям – анизотропными . Минералы, обладающие кристаллической решеткой, характеризуются правильной внешней формой. Аморфные минералы характеризуются неправильной формой.
Морфологические особенности – это различные внешние формы. Формы минералов можно разделить на следующие виды: а)изометрические формы (одинаково развиты во всех направлениях); б)вытянутые в одном направлении (призматические, игольчатые); в) вытянутые в двух направлениях (плоские, листовые, чешуйчатые).
Все минералы имеют определенные физически свойства:
Внешняя форма – в природных условиях чаще всего приобладает неправильные очертания. Хорошо ограниченные и ограненные кристаллы встречаются редко.
Цвет – условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит), темные (роговая обманка, авгит и др.).
Прозрачность минералов – свойство пропускать свет. Выделяют III группы минералов:
а) прозрачные (кварц, мусковит).
б) полупрозрачные (халцедон).
в) непрозрачные (пирит, графит).
Блеск – свойство, основанное на отражение света поверхностью минерала. Он может быть металлическим и неметаллическим (стеклянным, жирным, шелковистым).
Твердость минерала – способность противостоять внешнему механическому воздействий. Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оцениваете по шкале Мооса.
Спайность – способность минерала раскладываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием гладких плоскостей. Спайность оценивается по следующей шкале:
а) спайность весьма совершенная – минерал расщепляется на тонкие листочки (слюда).
б) спайность совершенная – при расколе молотком минерал дает обломки, ограниченные правильными плоскостями (кальцит).
в) спайность несовершенная – на осколках минерала небольшие гладкие площадки (апатиты).
г) спайность отсутствует – раскалывание минерала происходит по неопределенным направлениям.
Излом характеризует поверхность разрыва и раскалывания минералов. Различается излом:
а) ступенчатый (полевые шпаты);
б) раковистый (кремень);
в) землистый (каолинит);
г) занозистый (роговая обманка);
д) волокнистый (асбест).
Минералы обладают рядом физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и т.д.
6. Породообразующие минералы, их свойства
Горные породы представляют собой плотные или рыхлые, слагающие земную кору агрегаты тех или иных минералов, а также обломков других пород. Каждая горная порода имеет минералогический состав, свою структуру и текстуру .
Структура горных пород определяется особенностями внутреннего строения, формой и размерами слагающих их элементов (минералов и цемента) и характером их взаимной связи.
Текстура горных пород определяется ее внешним обликом (слоистость, массивность и т.д.), обусловленным особенностями слагающих пород частиц.
Горные породы по условиям происхождения и образования (генезису) делятся на: магматические, осадочные и метаморфические.
Магматические горные породы
Магматические породы образуются из застывшей магмы. Расплавленная магма, застывшая в недрах, образовывает глубинные породы, поток лавы излившийся на поверхность земли называется излившейся, Глубинные магматические породы образуются в условиях высокого давления, медленного и равномерного остывания. При этом породы характеризуются плотной полнокристаллической структурой. Излившиеся магматические породы образуются под низким давлением и температурой, при быстрой отдаче тепла и газовых компонентов. При этом породы характеризуются наличием аморфного стекла и пористой структурой. Структура и текстура магматических пород зависит от внутреннего строения.
По происхождению, условиям образования и залегания магматические горные породы подразделяются на: интрузивные (глубинные), эффузивные (излившиеся) и жильные .
Интрузивные породы образуются при силовом внедрении и остывании магмы в толще отложений горных пород земной коры без их выхода на поверхность земли.
Жильные образования связаны с заполнением магмой трещин, образующихся обычно в толще осадочных пород при внедрении магмы. Жилы подразделяются на пластовые и секущие.
Эффузивные породы образуются при излиянии с последующим остыванием и затвердеванием магмы уже не в тоще пород земной коры, а на поверхности земли.
Различают структуру: 1. зернистую (полнокристаллическую) ; 2. полукристаллическую ; 3. стекловатую.
По величине кристаллов породы делятся на: крупнозернистые –
29-04-2015, 01:06