Инженерная геология

Геология как наука

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.

Происхождение Земли

Вопрос о происхождении Земли так и до конца и не выяснен. Существует множество гипотез образования Солнечной системы, в частности Земли. Познакомимся с несколькими из них. Более 100 лет пользовалась признанием гипотеза Канта-Лапласса, согласно которой Солнечная система образовалась из раскаленной, газо-подобной туманности, вращавшийся вокруг оси, а Земля в начале была в жидком состоянии, а потом стала твердым телом. Но уже в 40-х годах XX века О.Ю. Шмидт выдвинул новую гипотезу происхождения Солнечной системы и Земли, согласно которой Солнце захватило одно из главных скоплений галактики, поэтому планеты образовались из холодных, твердых, пылевидных частиц, вращающихся вокруг солнца. Со временем возникли уплотнения сгустков материи, давшие начало планетам. По Шмидту Земля была холодной. Разогрев недр начался с момента распада радиоактивных веществ и выделение тепла. Следующая гипотеза гласит, что в недрах Солнца протекали ядерные процессы, которые потом привели к быстрому сжатию и увеличению скорости вращения Солнца. При этом образовался длинный хвост, который оторвался и распался на отдельные планеты (гипотеза Фесенкова).

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 (см. рисунок 3):

- 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.

Условия образования 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.

Определение возраста горных пород

В 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.

Все геологическое время разделили на отрезки. Так была создана геохронологическая шкала. Для слоев пород, которые образовались в эти отрезки времени, были предложены свои названия, что позволило создать стратиграфическую шкалу

Самый длительный отрезок времени - эон. Толщину, образованную за это время из слоев пород, называют эонотемой. Самый короткий отрезов - век. Толщу, образующуюся в течение века, называют ярусом.

Возраст горных пород в виде индексов широко используется в геологической документации (карты и разрезы), которая является неотъемлемой частью проектирования зданий и сооружений (см. таблицу 2).

Каждому отрезку времени геологической истории соответствует толща пород, которая образовалась на протяжении этого отрезка времени. Геологическая история делится на 6 эр, соответственно, толща пород земной коры разделяется на шесть групп (см. таблицу 2). Каждая эра делится на периоды (системы пород), период - на эпохи (отделы пород), эпохи - на века (ярусы пород). Каждый отрезок времени и соответствующая ему толща пород получила свое название и индекс.

Абсолютный, относительный показатель горных пород

Научное и практическое значение имеет установление горных пород. Это необходимо, для оценки свойств пород и определения их положения среди других пород. Породы, образовавшиеся в одно и то же время в одинаковых условиях, обладают обычно одинаковым составом. Различают абсолютный и относительный возраст горных пород.

Абсолютный возраст выражается в годах, т.е. определяется, сколько лет прошло с момента образования породы. Для этого применяют радиоактивные методы. С их помощью устанавливают возраст в миллионах лет.

Люминесцентные методы абсолютной датировки основаны на способности некоторых широко распространенных минералов (например, кварца и полевого шпата) накапливать в себе энергию ионизирующего излучения, а затем, при определенных условиях, быстро отдавать ее в виде света. Ионизирующее излучение не только прилетает к нам из космоса, но и генерируется горными породами в ходе распада радиоактивных элементов. Под воздействием радиации некоторые электроны кристалла переходят в особое возбужденное состояние. Чем больше в кристалле трещин и других дефектов, тем большее число электронов способно к такой трансформации. Пока кристалл (например, песчинка) спокойно лежит в темном, прохладном месте (например, под слоем других песчинок), число «перевозбужденных» электронов в нем постепенно растет, энергия копится.

Если такой кристалл подвергнуть определенной стимуляции (нагреть до 500 градусов или даже просто осветить), он стремительно отдает накопленную энергию в виде света. Возбужденные электроны при этом успокаиваются и возвращаются на положенные орбиты, и «люминесцентный хронометр» обнуляется. Измерив количество излученного света, можно определить, как долго кристаллу дали спокойно пролежать в вышеупомянутом темном, прохладном месте после того, как он в последний раз подвергался аналогичной стимуляции (попадал на свет или нагревался). На этом и основаны методы люминесцентной датировки, соответственно: термолюминесцентный и оптико-люминесцентный (метод оптически стимулированной люминесценции). Впервые термолюминесцентный метод начали применять археологи в середине XX века для определения возраста обожженной керамики (это очень удобно, поскольку во время обжига люминесцентный хронометр гарантированно обнуляется).

Метод электронно-парамагнитного или электронно-спинового резонанса - тоже основан на изменениях, постепенно накапливающихся в кристалле под воздействием радиации. Только в данном случае речь идет не о количестве «возбужденных» электронов, способных «успокаиваться» с излучением света, а о количестве электронов с изменившимся спином. Чтобы определить число таких электронов физики используют резонансные методы, то есть подвергают колебательную систему (в данном случае кристалл) периодическому внешнему воздействию (например, помещают в переменное магнитное поле) и наблюдают отклик, который дает система при сближении частоты внешнего воздействия с одной из частот собственных колебаний системы. Существует еще целый ряд физико-химических методов абсолютной датировки, имеющих ограниченную область применения. В качестве примера можно привести аминокислотный метод, основанный на том, что «левые» аминокислоты, из которых построены белки всех живых организмов, после смерти постепенно рацемизируются, то есть превращаются в смесь «правых» и «левых» форм. Метод применим только к образцам очень хорошей сохранности, в которых сохранилось достаточное количество первичного органического вещества. Другая сложность заключается в том, что скорость рацемизации напрямую зависит от температуры. Поэтому, например, для образцов из умеренных широт метод имеет разрешающую способность порядка 20-30 тыс. лет, но применим лишь для молодых отложений (не старше 2 млн. лет); в полярных районах метод позволяет датировать более старые образцы (до 5-6 млн. лет), но с меньшей точностью (ошибка порядка 100 тыс. лет).

Дендрохронологический метод - датирование по древесным кольцам. Этот метод позволяет датировать только самые молодые отложения (возрастом до 5-8 тысяч лет), зато с очень высокой точностью, вплоть до одного года. Нужно лишь, чтобы в раскопе обнаружилось достаточное количество древесины. В стволах большинства деревьев образуются годовые кольца, ширина которых колеблется в зависимости от погодных условий соответствующего года. Характерные «спектры» широких и узких колец примерно одинаковы у всех деревьев данной местности, растущих одновременно. Специалисты по дендрохронологии составляют сводные дендрохронологические шкалы, протягивающиеся от сегодняшнего дня в прошлое. Очень помогают в этом деревья-долгожители.

К сожалению, погода в разных районах Земли сильно различается. Поэтому для каждого региона приходится составлять отдельные дендрохронологические шкалы.

Дендрохронологический метод применим только для районов с сильными сезонными колебаниями климата (температуры или количества осадков) - в противном случае четких годовых колец не образуется. Кроме того, состав почвы должен способствовать хорошей сохранности древесины, а изучаемые археологические культуры - широко использовать дерево в хозяйстве.

Метод молекулярных часов. Согласно «правилу молекулярных часов», нейтральные мутации накапливаются в геноме с примерно постоянной скоростью, если нет каких-то особых причин, заставляющих этот процесс ускоряться или замедляться. Скорость накопления мутаций варьируется у разных групп, но все эти различия в принципе можно учесть. Метод молекулярных часов крайне неточен, потому что скорость накопления мутаций может варьировать не только в зависимости от группы организмов, но и от многих других факторов. Поэтому на основе данного метода можно давать лишь весьма приблизительные оценки времени расхождения эволюционных линий.

Неточность большинства методов абсолютной геохронологии вовсе не дает оснований напрочь отрицать достоверность абсолютных датировок в палеонтологии, эволюционной биологии и археологии. Главная сила этих методов в том, что их много. И в подавляющем большинстве случаев они все-таки дают сходные результаты, которые к тому же хорошо согласуются с данными относительной геохронологии. Именно поэтому в хороших научных исследованиях возраст объектов сейчас стараются определять при помощи нескольких независимых методов.

Относительный возраст позволяет определять возраст пород относительно друг друга, т. е. Устанавливать, какие породы древнее, какие моложе. Для определения относительного возраста используют два метода: стратиграфический и палеонтологический.

Стратиграфический метод применяется для толщ с ненарушенным горизонтальным залеганием слоев. При этом считают, что нижележащие слои являются более древними, чем вышележащие. Этот метод мало применим при залегании слоев в виде складок.

Палеонтологический метод позволяет определить возраст осадочных пород по отношению друг к другу независимо от характера залегания слоев и сопоставлять возраст пород, залегающих на различных участках. В основу метода положена история органической жизни Земли. Животные и растительные организмы развивались постепенно, последовательно. Остатки вымерших организмов захоронились в тех осадках, которые накапливались в тот отрезок времени, когда они жили.

Сейсмическая активность и условия залегания горных пород в сфере взаимодействий сооружений с геологической средой

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.