Инженерно-геологические процессы. Происхождение, свойства и применение минералов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос 1. Объясните значение инженерной геологии для строительства и эксплуатации промышленных и гражданских сооружений

Инженерная геология - отрасль геологии, изучающая верхние горизонты земной коры и динамику последней в связи с инженерно-строительной деятельностью человека. Рассматривает состав, структуру, текстуру и свойства горных пород как грунтов; разрабатывает прогнозы тех. процессов и явлений, возникающих при взаимодействии сооружений с природной обстановкой, и пути возможного воздействия на процессы с целью устранения их вредного влияния.

Трудно переоценить значение инженерно-геологических изысканий для строительства любого по величине и значимости сооружения. Дороже становится дом, возведенный на недостаточно исследованном участке. Ведь под зданием могут оказаться подземные воды, торф, просадочные грунты. В результате - “кривые” стены, трещины, сырость и плесень в подвалах и прочее, что приносит определенные сложности при эксплуатации зданий. Вода способствует растворяемости различных химических соединений, в том числе и агрессивных, что приводит к неблагоприятному воздействию на цементный раствор, каменную кладку, бетон. И хотя процесс разрушения фундамента незаметен, его последствия ощутимо сказываются на здании: нарушается целостность несущих конструкций, плесень и грибок проникают через подвал на верхние этажи и “заражают” в конце концов, весь дом. Дверные коробки и оконные рамы деформируются, что становится причиной появления щелей и зазоров, через которые дом начинает ускоренно терять тепло. Паркет или любое другое напольное покрытие под воздействием сырости коробится. Ремонт становится неотвратимым. А он влечет новые затраты, причем без гарантии, что восстановительные процессы не придется повторять снова и снова. Все это, в большинстве своем, возможно лишь при некачественной или несвоевременной оценке инженерно-геологических условий стройплощадки.

Инженерно-геологические изыскания для строительства обеспечивают комплексное изучение природных и техногенных условий территории (региона, района, площадки, участка, трассы) объектов строительства, составление прогнозов взаимодействия этих объектов с окружающей средой, обоснование их инженерной защиты и безопасных условий жизни населения. На основе материалов инженерных изысканий для строительства осуществляется разработка предпроектной документации, в том числе градостроительной документации и обоснований инвестиций в строительство, проектов и рабочей документации строительства предприятий, зданий и сооружений, включая расширение, реконструкцию, техническое перевооружение, эксплуатацию и ликвидацию объектов, ведение государственных кадастров и информационных систем поселений, а также рекомендаций для принятия экономически, технически, социально и экологически обоснованных проектных решений.

Топографо-геологические изыскания. Наличие материалов инженерно-геологических и геодезических изысканий на площадке проектируемого дома позволяет избежать многих ошибок проектирования, строения и прокладки наружных инженерных систем: правильно расположить все строения на отведенном участке, вспомогательные помещения внутри коттеджа, которые требуют подачи воды и отвода хозфекальных стоков, организовать отвод поверхностных вод с учетом рельефа местности.

При обустройстве автономного источника водоснабжения (колодец или скважина) и местных очистных сооружений без инженерно-геодезических и гидрогеологических изысканий просто нельзя обойтись. Изыскания проводят для определения несущих характеристик грунтов, состава и уровня грунтовых вод. Характер грунта на участке диктует конструктивное устройство фундамента, возможность устройства подвала, способ прокладки коммуникаций, тип очистных сооружений и в целом влияет на экономичность строительства.

Геологические работы включают:

1) бурение;

2) отбор проб грунта и воды (на постройку здания - от 2 до 6 скважин различной глубины в зависимости от габаритов здания и состава грунтов);

3) лабораторные испытания;

4) составление отчета с рекомендациями по типу фундаментов, способам прокладки коммуникаций и мероприятиям по их защите.

При исследовании грунта учитываются следующие основные показатели:

- пучинистость, то ест сила, с которой грунт при воздействии отрицательных температур будет выталкивать из себя фундамент, трубы и заглубленные очистные сооружения. На основе полученных данных прогнозируют допустимую деформацию инженерных сооружений и, соответственно, выбирают материалы, способы строительства и обустройства систем;

- водонасыщенность, то есть уровень грунтовых вод. Знание этого показателя помогает, во-первых, определить глубину будущего колодца или частной скважины и, во-вторых, позволяет прогнозировать устойчивость строения и проложенных коммуникаций;

- агрессивность вышестоящих грунтовых вод: в случае высокой концентрации некоторых химических соединений приходится использовать специальные марки бетона и думать о специальной защите труб и кабелей.

Неразумно строить или реконструировать сооружение, не зная точно геологического строения участка (на каких грунтах будет монтироваться фундамент, физико-механических характеристик и несущей способности грунтов под нагрузкой, их коррозионной активности, режима подземных вод и т.д. и т.п.), а, следовательно - какую выбрать конструкцию и глубину заложения фундамента. Одни и те же грунты ведут себя по-разному в результате обводнения или промерзания, серьезно меняют свои прочностные характеристики в результате разрушения их природной структуры и влажности.

Строительные нормы и правила устанавливают основные положения по определению опасных природных воздействий, вызывающих проявления и (или) активизацию природных процессов, учитываемых при разработке предпроектной документации (обосновании инвестиций в строительство объектов, схем и проектов районной планировки, генеральных планов городов, поселков и сельских поселений и другой документации), технико-экономических обоснований и рабочей документации на строительство зданий и сооружений, а также схем (проектов) их инженерной защиты.

Вопрос 2. Опишите минералы и породы: мусковит, диорит, глина и доломит

Мусковит

Мусковит -- минерал, калиевая слюда KAl2(AlSi3O10)(OH)2. Ярко-зеленый мусковит, содержащий до 4% Cr2О3, называют фукситом, мелкочешуйчатый агрегат -- серицитом. Используют в электро- и радиотехнике, для изготовления смотровых оконцев в котлах, печах и др. В средние века основным поставщиком слюды в Европу было Московское княжество, часто называемое Московия. Отсюда пошло и название минерала -- мусковит. Существуют также и другие названия минерала и его разновидностей: московская звезда, калиевая слюда, белая слюда, серицит, антонит, лейкофиллит.

Кристаллы таблитчатые моноклинной системы. Спайность по базису весьма совершенная. Мусковит легко расщепляется на тончайшие листочки, что обусловливается его кристаллической структурой, сложенной 3-слойными пакетами из 2 листов кремне- и алюмокислородных тетраэдров, соединённых через слой, составленный из октаэдров, в центре которых расположены ионы Al, окруженные 4 ионами кислорода и 2 группами OH; 1/3 октаэдров не заполнена ионами Al. Пакеты соединены между собой ионами калия.

Свойства:

Классы	силикаты
Химическая формула	KAl2[AlSi3O10] [OH]2, или K2O·3Al2O3·6SiO2·H2O
Сингония	моноклинная
Удельный вес	2,76--3,10
Цвет	Серый, белый, бесцветный, светло-желтый, светло-коричневый
Цвет черты	Белая
Блеск	Стеклянный, перламутровый, шелковистый
Прозрачность	Просвечивает, мутный
Спайность	cовершенная
Излом	минерал элластичен
Твердость	2; 2,5; 3
Дополнительно	Плавится с трудом; при этом образуется серый или желтый стеклянный перл. Поведение в кислотах. Не растворяется, при температуре выше 850ОС происходит потеря воды.

Материал обладает очень высокими электрическими свойствами:

Нагревостойкость 500--600°C

Удельное объемное сопротивление 1012?1-14 Ом/м

Тангенс угла потерь 0.0003

Относительная диэлектрическая проницаемость 6-8

Месторождения в России -- на Кольском полуострове и в Восточной Сибири (Мамское, Канское); за рубежом -- в Индии, в Малагасийской Республике, Канаде, США, Бразилии.

Применение

Мусковит является одним из двух компонентов для изготовления микалекса. В промышленности мусковит применяется в виде листовой слюды (для изоляторов, конденсаторов, телефонов и т. п.). При изготовлении слюдяного порошка (при изготовлении кровельного толя, слюдяного картона, огнеупорных красок и пр.), слюдяного фабриката (для электроизоляционных прокладок в электроприборах)

Разновидности

Серицит -- термин, который используется для обозначения тонкозернистой белой слюды (мусковита или парагонита).

Фенгит применяется для обозначения мусковитов, у которых отношение Si:Аl больше, чем 3:1; а обычно увеличение содержания Si сопровождается замещением Аl в октаэдрических положениях на Mg или Fe+2.

Марипозит представляет собой разновидность фенгита с высоким содержанием Cr.

Алургит употребляется для обозначения фенгитов с заметным содержанием Mn.

Волокнистый магнезиальный гидромусковит, названный гюмбелитом, был изучен Аруйя (Aruja, 1944).

Термин иллит обычно применяется для обозначения слюдистых минералов и для обозначения минералов с переслаиванием пакетов слюд и глинистых минералов.

Диорит

Диорит (от греческого diorizo -- разграничиваю * а. diorite; н. Diorit; ф. diorite; и. diorita) -- зеленовато-серая интрузивная темноокрашенная кристаллически-зернистая горная порода среднего состава, состоящая в основном из андезина, темноцветных минералов (обыкновенная роговая обманка, иногда биотит и авгит), реже кварца. Из рудных минералов присутствуют магнетит и ильменит, из акцессорных -- апатит, сфен и др. При содержании кварца более 5% (до 20%) диорит называют кварцевым.

Выделяют диориты и кварцевые диориты нормального и субщелочного рядов; для последних характерно наличие калиево-натриевого полевого шпата от 1 до 10%. Разновидности диорита: по минеральному составу -- двупироксеновые (гиперстен-авгитовые), ортопироксеновые (гиперстеновые, реже бронзитовые, энстатитовые), клинопироксеновые, роговообманково-биотитовые, рогово-обманковые, биотитовые, лейкократовые; по структуре -- от крупно- до тонкозернистых, равномерно-, неравномерно-зернистые, порфировидные. Текстура диорита массивная. Для структур диорита характерен чётко выраженный идиоморфизм зёрен плагиоклаза по сравнению с зёрнами темноцветных минералов. Средний химический состав диорита по Р. Дейли (%): SiO2 56,77; TiO2 0,84; Al2О3 16,67; Fe2О3 3,16; FeO 4,40; MnO 0,13; MgO 4,17; CaO 6,74; Na2О 3,39; К2О 2,12; Н2О 1,36; Р2О5 0,25. Диориты отличаются высокой прочностью на сжатие 150-280 МПа; плотность диорита 2720-2920 кг/м3, модуль Юнга 7,4 Па; коэффициент Пуассона 0,3. Диориты нормального ряда -- наиболее ранние представители сложных диорит-гранодиоритовых, габбро-диорит-гранодиоритовых массивов. Образуют самостоятельные штоки, жилы, лакколиты и др. Во многих массивах наблюдаются постепенные переходы от диорита через гранодиориты до гранитов.

Диориты характеризуются высоким содержанием ксенолитов глубинного происхождения, большой пестротой состава и появляются в связи с главной фазой складчатости, а также в начальных, средних и конечных этапах развития складчатых областей. Диориты широко представлены в батолитах, которые образуются в условиях активных континентальных окраин (на западе Северной и Южной Америки и др.). В СССР штоки диорита отмечены в Карпатах, на Урале и в Средней Азии. Иногда с диоритом связана железорудная минерализация (Елтайское месторождение магнетита Кустанайской области Казахской ССР). Месторождения диорита не отличаются крупными размерами и разрабатываются для получения щебня. Известно Увальненское месторождение (Кустанайская область), Капчагайское (Алма-Атинская область). В качестве сырья на облицовочный камень разведано Ципское месторождение диорита (Грузинская ССР).

Глина

Глина -- мелкозернистая осадочная горная порода, пылевидная в сухом состоянии, пластичная при увлажнении. Глина состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита (происходит от названия местности Каолин в Китае), монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов (глинистые минералы), но может содержать и песчаные и карбонатные частицы. Как правило, породообразующим минералом в глине является каолинит, его состав: 47% (мас) оксида кремния (IV) (SiO2), 39% оксида алюминия (Al2О3) и 14% воды (Н2O).

Al2O3 и SiO2 -- составляют значительную часть химического состава глинообразующих минералов. Диаметр частиц глин менее 0,005 мм; породы, состоящие из более крупных частиц, принято классифицировать как лёсс. Большинство глин -- серого цвета, но встречаются глины белого, красного, жёлтого, коричневого, синего, зелёного, лилового и даже чёрного цветов. Окраска обусловлена примесями ионов -- хромофоров, в основном железа в валентности 3 (красный, желтый цвет) или 2 (зелёный, синеватый).

Свойства глин: пластичность, огневая и воздушная усадка, огнеупорность, спекаемость, цвет керамического черепка, вязкость, усушка, пористость, набухание, дисперсность. Глина является самым устойчивым гидроизолятором - водонепропускаемость является одним из её качеств. За счёт этого глиняная почва - самый устойчивый тип почвы, развитый на пустырях и пустошах. Развитие какой-либо корневой растительной системы в глиняных залежах невозможно.

Минералы, содержащиеся в глинах

Каолинит (Al2O3·2SiO2·2H2O), андалузит, дистен и силлиманит (Al2O3·SiO2), галлуазит (Al2O3·SiO2·H2O), гидраргиллит (Al2O3·3H2O), диаспор (Al2O3·H2O), корунд (Al2O3), монотермит (0,2[K2MgCa]0·Al2O3·2SiO2·1,5H2O), монтмориллонит (MgO·Al2O3·3SiO2·1,5H2O), мусковит (K2O·Al2O3·6SiO2·2H2O), наркит (Al2O3·SiO2·2H2O), пирофиллит (Al2O3·4SiO2·H2O)

Происхождение

Основным источником глинистых пород служит полевой шпат, при распаде которого под воздействием атмосферных явлений образуются каолинит и другие гидраты алюминиевых силикатов. Некоторые глины осадочного происхождения образуются в процессе местного накопления упомянутых минералов, но большинство из них представляют собой наносы водных потоков, выпавшие на дно озёр и морей.

Глина -- это вторичный продукт земной коры, осадочная горная порода, образовавшаяся в результате разрушения скальных пород в процессе выветривания.

Применение

Гончарное производство

Глина является основой гончарного, кирпичного производства. В смеси с водой глина образует тестообразную пластичную массу, пригодную для дальнейшей обработки. В зависимости от места происхождения природное сырьё имеет существенные различия. Одно можно использовать в чистом виде, другое необходимо просеивать и смешивать, чтобы получить материал, пригодный для изготовления различных изделий.

Техническая керамика

Техническая керамика -- большая группа керамических изделий и материалов, получаемых термической обработкой массы заданного химического состава из минерального сырья и других сырьевых материалов высокого качества, которые имеют необходимую прочность, электрические свойства (большое удельное объемное и поверхностное сопротивление, большую электрическую прочность, небольшой тангенс угла диэлектрических потерь).

Производство цемента

Для изготовления цемента сначала добывают известняк и глину из карьеров. Известняк (приблизительно 75% количества) измельчают и тщательно перемешивают с глиной (примерно 25% смеси). Дозировка исходных материалов является чрезвычайно трудным процессом, так как содержание извести должно отвечать заданному количеству с точностью до 0,1%.

Эти соотношения определяются в специальной литературе понятиями «известковый», «кремнистый» и «глиноземистый» модули. Поскольку химический состав исходных сырьевых материалов вследствие зависимости от геологического происхождения постоянно колеблется, легко понять, как сложно поддерживать постоянство модулей. На современных цементных заводах хорошо зарекомендовало себя управление с помощью ЭВМ в комбинации с автоматическими методами анализа.

Правильно составленный шлам, подготовленный в зависимости от избранной технологии (сухой или мокрый метод), вводится во вращающуюся печь (длиной до 200 м и диаметром до 2--7 м) и обжигается при температуре около 1450°C -- так называемой температуре спекания. При этой температуре материал начинает оплавляться (спекаться), он покидает печь в виде более или менее крупных комьев клинкера (называемого иногда и портландцементным клинкером). Происходит обжиг.

В результате этих реакций образуются клинкерные материалы. После выхода из вращающейся печи клинкер попадает в охладитель, где происходит его резкое охлаждение от 1300 до 130°C. После охлаждения клинкер измельчается с небольшой добавкой гипса (максимум 6%). Размер зерен цемента лежит в пределах от 1 до 100 мкм. Его лучше иллюстрировать понятием «удельная поверхность». Если просуммировать площадь поверхности зёрен в одном грамме цемента, то в зависимости от толщины помола цемента получатся значения от 2000 до 5000 смІ (0,2--0,5 мІ). Преобладающая часть цемента в специальных емкостях перевозится автомобильным или железнодорожным транспортом. Все перегрузки производятся пневматическим способом. Меньшая часть цементной продукции доставляется во влаго- и разрывостойких бумажных мешках. Хранится цемент на стройках преимущественно в сыпучем и сухом состояниях.

Виды глины

Различают несколько разновидностей глины. Каждая из них используется по-своему. Глину с числом пластичности от 0,17 до 0,27 называют лёгкой, свыше 0,27 - тяжёлой. Большую часть добываемых и поступающих в применяется в целлюлозно-бумажной промышленности и в производстве фарфора и огнеупорных изделий. Вторыми по важности материалами являются обычная строительная глина и глинистый сланец. Огнеупорная глина идет на изготовление огнеупорного кирпича и других жаропрочных изделий.

Важное место среди видов глин занимает бентонит. Считают, что эта глина образовалась в результате химического распада вулканического пепла. При погружении в воду она разбухает, увеличивая свой объём в несколько раз. В основном она используется в буровых растворах при бурении скважин.

Сукновальная глина ценится за её отбеливающие свойства при очистке нефтепродуктов. Фильтры из сукновальной глины применяются при очистке растительных и минеральных масел.

Гончарная глина, именуемая также комовой, находит применение при изготовлении посуды. Глина или глинистый сланец представляет собой важное сырье, которое вместе с известняком используется в производстве портландцемента.

Наиболее распространёнными в природе являются: красная глина, белая глина (каолин), глина из песчаника. Сорта глины -- для производства фарфора, фаянса и огнеупорных изделий -- каолин.

Доломит

Доломит -- минерал из класса карбонатов. Химический состав -- CaMg(CO3)2.

Назван в честь французского инженера и геолога Деода де Доломьё (1750--1801), описавшего признаки доломитовых пород.

Свойства

Состав минерала близок к теоретическому. Обычно массивные, от грубо- до тонкозернистых и фарфоровидных, агрегаты. Цвет -- бесцветный или белый, желтоватый, буроватый (за счёт примеси гидроксидов железа и глинистых частиц). Блеск стеклянный до матового и перламутрового. Хрупкий. Спайность совершенная. Твёрдость 3,5-4,5. Излом ступенчатый до раковистого (в фарфоровидных агрегатах). Черта белая. С HCl реагирует слабо (однако бурно вскипает в горячей HCl)

Происхождение

Осадочно-хемогенный в ассоциации с галогенидами, гипсом, ангидритом. Гидротермальный, часто с кальцитом. При метаморфических процессах перекристаллизовывается, образуя доломитовые мраморы.

Использование

Огнеупорный материал

Флюс в металлургии

Сырьё в химической промышленности, стекольном производстве.

Средство борьбы с насекомыми. Обладая абсолютной нетоксичностью по отношению к любым живым существам, тонко молотый доломит вызывает абразивное разрушение хитиновых покровов у насекомых. Самое сильное воздействие происходит в местах сочленений.

Плиты и изделия из доломита для отделки помещений, облицовки как снаружи, так и внутри.

Доломитовая мука используется для раскисления почв.

Использовался (вместе с бором, свинцом и глиной) при засыпке активной зоны 4-го энергоблока при ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС.

Вопрос 3. Основные физико-механические свойства техногенных горных пород

Показатели физических и механических свойств, скальных и нескальных грунтов между собой довольно значительно разнятся, особенно физические. Характеристики физических свойств выражают физическое состояние грунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под механическими подразумевают такие свойства, которые появляются в грунтах под воздействием внешних усилий (давлении, удара). Основные физико-механические свойства горных пород:

Твердость характеризует способность горной породы сопротивляться внедрению в нее резца, пуансона или другого индентора (твердого тела). Твердость породы в целом (агрегатная твердость) отличается от твердости слагающих ее минералов.

Абразивность горных пород - это особое свойство пород, выражающееся в способности изнашивать породоразрушающий инструмент в процессе бурения.

Упругость горных пород - способность породы восстанавливать первоначальную форму и объем после прекращения действия внешних усилий.

Хрупкость горных пород - способность горной породы разрушаться без заметной пластической деформации под воздействием внешних усилий.

Пластичность горных пород - способность породы необратимо изменять, без нарушения сплошности, свою форму и размеры под действием внешних усилий; чаще всего проявляется в условиях всестороннего сжатия породы.

· Установлено, что горные породы, обладающие высокими упруго-пластичными свойствами, разбуриваются медленнее, чем упруго-хрупкие породы.

Устойчивость горных пород - способность породы длительное время сохранять первоначальное положение при вскрытии ее в массиве (при бурении скважин, проходке шахт и других горных выработок); зависит от условий залегания, характера связи между частицами породы, трещиноватости и степени выветривания.

Трещиноватость горных пород - совокупность в породе трещин различного происхождения и разных размеров. Наличие трещиноватости уменьшает прочность породы, но увеличивает ее абразивность.

Влагоёмкость горных пород - способность породы удерживать то или иное количество влаги.

Водопроницаемость горных пород - способность породы пропускать воду при наличии перепада давлений.

Водопоглощение горных пород - способность сухой породы впитывать воду при выдерживании ее в воде при атмосферном давлении и комнатной температуре; определяется как отношение разности в массах свободнонасыщенного и сухого образца породы к массе сухого образца.

Зернистость горных пород - совокупность расположения частиц в породе, которые могут различаться по своему внутреннему строению, форме или размеру. Различаются породы мелко-, средне- и крупнозернистые.

Каверность горных пород - наличие в породе пустот (каверн).

Сланцеватость горных пород - сложение горных пород, делящихся на тонкие плоские параллельные слои, плоские плитки или пластинки.

Слоистость горных пород - повторяющаяся в разрезе неоднородность осадков: по составу, крупности зерна, окраске и другим особенностям.

Влажность горных пород - степень насыщенности водой (пленочной, капиллярной, гравитационной) пор, трещин и других пустот в естественных условиях. Такая влажность называется естественной влажностью. Она выражается в процентах по весу к абсолютно сухой породе и определяется формулой:

Пористость горной породы - отношение объема всех пустот в горной породе к общему объему породы.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Отдельную группу составляют - техногенные отложения, создаваемые человеком (отвалы горных разработок, насыпи, дамбы и пр.). По способу накопления различают следующие виды: близки к различным генетическим типам четвертичных отложений. Отвалы горных выработок во многом напоминают гравитационные образования и т.п.

Техногенные отложения. Инженерно-геологические процессы

Постоянно растущее воздействие человека на природную среду вообще и на геологическую в частности особенно проявляется в крупных городах. В их пределах происходит существенное изменение инженерно-геологических условий: нивелируется природный рельеф, заменяясь антропогенным; меняется гидрографическая сеть и режим рек. Подземное пространство насыщено инженерными сетями, тоннелями, различными сооружениями и конструкциями; существенно меняется его температурно-влажностный режим. Застройка и покрытия улиц резко меняют условия и соотношения стока, инфильтрации, испарения. Меняются гидрогеологические условия; в пределах мегаполисов образуются огромные депрессионные воронки глубоких водоносных горизонтов. С другой стороны, часто происходит подъем уровня грунтовых вод (подтопление) или образование неглубоко от поверхности новых водоносных горизонтов. Одно из следствий хозяйственно-строительной деятельности - образование техногенных отложений (культурного слоя). Их можно разделить на следующие группы.

Природные образования, перемещенные с мест их естественного залегания различными транспортными средствами, взрывом (насыпные грунты) или средствами гидромеханизации (намывные грунты).

Антропогенные образования, представляющие собой отходы хозяйственно-бытовой и производственной деятельности человека с коренным изменением состава и свойств исходного сырья. Хозяйственно-бытовые отходы представлены свалками бытовых отбросов, строительного мусора и т.п. Промышленные отходы представлены золами и шлаками различного происхождения - топливными, металлургическими; отвалами пустой породы при угледобыче (терриконы), а также шламами - отходами горнообогатительного, электрохимического и других производств (хвостохранилища).

Природные образования, существенно измененные по составу и свойствам в условиях их естественного залегания - например, при цементации, силикатизации, электрохимическом закреплении грунтов и т.п.

Таким образом, техногенные отложения очень разнообразны - от разновидностей, близких к природным, до грунтов, не имеющих природных аналогов. Соответственно разнообразны их свойства, даже в пределах одной группы. За исключением пород третьей группы, то есть для всех насыпных и намывных грунтов, отвалов и свалок характерной общей чертой является повышение их плотности со временем под действием собственного веса - самоуплотнение; это важно, поскольку их основные строительные свойства зависят от плотности. Цементация в таких грунтах отсутствует или незначительна. Длительность процесса самоуплотнения зависит от состава породы (исходного материала) и способа отсыпки, а намывных грунтов - и от характера основания.

Наиболее неблагоприятные по своим свойствам отложения создаются в районах свалок с хозяйственно-бытовыми отходами. В них много химически активных веществ, гниющей органики, при разложении которой могут образоваться токсичные и взрывоопасные продукты. При фильтрации атмосферных осадков через толщу таких отложений возможно загрязнение подземных вод.

Геологическая деятельность человека проявляется также в целенаправленном регулировании процессов. Осуществляются мероприятия по борьбе с оврагообразованием, селями, подмывом берегов рек, абразией, подвижными песками, защите от проявлений карста, суффозии, опасных склоновых процессов. При этом необходимо учитывать, что хозяйственно-строительная деятельность может приводить к существенным изменениям в течение времени и проявлениях природных процессов и вызывать явления, обычно нехарактерные для данных условий. Геологические процессы, тесно связанные с инженерной строительной деятельностью человека, называются инженерно-геологическими. Многие из перечисленных выше процессов, регулируемых разнообразными защитными инженерными сооружениями (противообвальными, противоселевыми, противооползневыми и др.), следует рассматривать как инженерно-геологические.

Из других инженерно-геологических процессов следует назвать уплотнение и разуплотнение грунтов в основаниях сооружений; техногенное выветривание в откосах выемок, карьеров и других выработок; плывуны; проявления горного давления и сдвижения горных пород; просадки лессов в основаниях и бортах каналов; морозное пучение; просадки оснований сооружений на мерзлых грунтах при оттаивании последних; термокарст.

Вопрос 4. Перечислите методы определения абсолютного и относительного возраста пород. Пользуясь данными таблиц, назовите эры и периоды геологической истории Земли. (D₃, О₃, Q₁, N₁).

Установление возраста горных пород необходимо для оценки их свойств и определения положения среди других пород. Вся геологическая документация, в частности геологические карты и разрезы, требуют применения показателей возраста пород. Различают абсолютный и относительный возраст горных пород.

Абсолютный возраст - это продолжительность существования (“жизни”) породы, выраженная в годах. Для его определения применяют методы, основанные на использовании процессов радиоактивных превращений, которые имеют место в некоторых химических элементах (уран, калий, рубидий и др.), входящих в состав пород. С помощью одних элементов устанавливают возраст в миллионах лет, другие дают возможность вычислить более короткие отрезки времени. Так, зная, какое количество свинца образуется из 1 г. урана в год, определяя их совместное содержание в данном минерале, можно найти абсолютный возраст минерала и той горной породы, в которой он находится. Это позволяет определять возраст в миллионах лет. По углероду ¹⁴С, период полураспада которого 5568 лет, можно устанавливать возраст более молодых образований.

Для оценки возраста геологических объектов огромное значение приобрёл радиоуглеродный метод, основанный на том, что в атмосфере Земли под воздействием космических лучей за счёт обильного азота идёт ядерная реакция 14N + n = 14С + Р; вместе с тем 14С радиоактивен и имеет период полураспада более 5700 лет. В атмосфере установилось равновесие между синтезом и распадом этого изотопа, вследствие чего содержание 14С в воздухе постоянно. Растения и животные при их жизни всё время обмениваются углеродом с атмосферой. Измеряя содержание 14С с помощью высокочувствительной радиометрической аппаратуры, можно установить возраст органических остатков.

Аргоновый метод основан на радиогенном накоплении аргона в калиевых минералах.

Стронциевый метод, основанный на радиоактивном распаде 87Rb и превращении его в 87Sr.

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

Стратиграфический метод основан на том, что слои горных пород откладываются последовательно, один на другом. Следовательно, чем выше залегает слой - тем он моложе. Однако это справедливо только при ненарушенных залеганиях горных пород. В сложно дислоцированных областях, т.е. там, где породы выведены из горизонтального залегания и образуют складки, сдвиги, сбросы и т.д., непосредственное применение принципа последовательности отложения слоев становится затруднительным.

Палеонтологический метод основан на том, что геологическая история Земли шла параллельно с историей развития органической жизни. Следы органической жизни на Земле содержатся в горных породах в виде так называемых ископаемых окаменелостей.

При исследовании горных пород в них можно обнаружить различные формы сохранности этих окаменелостей:

· отпечатки внешней формы растения или животного на породе;

· внутренние ядра, получающиеся при отгнивании мягкого тела животных и заполнении образующихся при этом полостей каким либо минеральным веществом;

· наружные ядра, образующиеся в тех случаях, когда не только отгнивает внутреннее мягкое тело, но растворяются и наружные части раковины; при этом новые минеральные образования, заполняющие образовавшуюся пустоту, полностью воспроизводят внешнюю форму раковины погибшего организма;

· псевдоморфозы, т.е. скелетные остатки, в которых менее стойкие минеральные и органические вещества замещены более стойкими, например, кремнеземом; при этом полностью сохраняются формы этих остатков, а иногда и особенности их анатомического строения (псевдоморфозы по дереву, раковины морских животных и т.д.);

· полная сохранность - когда захороняется цельный скелет и мягкие органы; подобные находки очень редки, к ним относятся трупы мамонтов, найденные в зоне вечной мерзлоты в северо-восточной Сибири, насекомые, попавшие внутрь янтаря и т.д. Обычно полной сохранностью в палеонтологии принято считать формы полностью (или почти полностью) сохранившие прижизненную структуру только скелетных частей.

Изучая различные ископаемые остатки, можно проследить развитие животного и растительного мира, по ним же можно проследить и геологическую историю Земли, так как почти каждая из групп организмов несет в себе признаки той среды, в которой она развивалась. Совершенно очевидно, что в более древних слоях погребены и более древние организмы. Установив типы этих организмов, можно закрепить их во времени за определенными комплексами пород. Таким образом, “датой”, закрепляющей возраст пласта, всегда будут являться остатки организмов с характерными для каждого времени формами.

D₃ - Девонский период, Верхнедевонский отдел.

О₃ - Ордовикский период, Верхнеордовикский отдел.

Q₁ - Четвертичный (антропогеновый) период, Нижнечетвертичный отдел.

N₁ - Неогеновый период, Миоцен.

Вопрос 5. Опишите сущность процессов внутренней динамики Земли (эндогенных процессов). Приведите схемы нарушений форм залегания пород (моноклиналь и складка). Покажите зависимость силы землетрясения от состава пород

Процессы внутренней динамики Земли.

Земная кора (наружный слой Земли, мощностью 20-70 км на континентах и 5-15 км в океанах, ограниченный снизу поверхностью Мохоровичича) находится в постоянном и непрерывном движении: землетрясения, складчатые и разрывные нарушения, блоково-купольные поднятия, опускания и т.д. Эти движения и изменения лика земной коры происходят под действием внутренних (эндогенных), так называемых, тектонических сил Земли. Геологические тела (структурные формы), возникающие при тектонических движениях, несмотря на их значительное разнообразие, довольно приемлемо отражают главные движения земной коры: инженерный горный порода геодинамика вода

горизонтальные перемещения блоков земной коры;

вертикальные колебательные движения в виде сопряженных во времени и пространстве поднятий и опусканий участков земной коры;

складчатые деформации, поражающие практически все слоистые толщи земной коры (пликативные деформации);

разрывные нарушения, расчленяющие земную кору на блоки различных размеров, включая мелкую трещиноватость (дизъюнктивные дислокации);

магматические и вулканические перемещения расплавленного материала, взрывных газов, водных и грязевых смесей (инъективные дислокации);

метаморфизм горных пород, возникающий в результате подъема глубинных флюидов и термических аномалий, что обусловлено тектоническими дислокациями и внедрением изверженных пород;

сейсмические движения земной коры, землетрясения.

Перечисленные типы движений земной коры обычно взаимосвязаны между собой, нередко взаимообусловлены. Общим для них является изменение первоначальных условий залегания горных пород.

Процессы внутренней динамики Земли -- это процессы, происходящие в недрах Земли за счет распада радиоактивных элементов, в результате вращения Земли и ее силы тяжести. Эти процессы могут быть обусловлены также изменением скорости вращения Земли и угла наклона оси вращения. Выявляется существенная роль космических факторов на активизацию внутренней динамики Земли.

К числу важных процессов внутренней динамики следует отнести тектонические явления, изменяющие первоначальные условия залегания горных пород,

Тектонические процессы в зависимости от формы проявления делятся на три типа: колебательные; складчатые; разрывные. По времени проявления они подразделяются на: 1) современные; 2)1 новейшие, связанные с четвертичным периодом и 3) прошедших геологических периодов.

Моноклиналь [от греч. monos -- один, единственный и klino -- наклоняю(сь)] -- форма залегания слоев горных пород, характеризующаяся их пологим наклоном в одну сторону. Представляет собой обычно крыло какого-либо обширного и пологого поднятия или прогиба слоев. Моноклинали особенно характерны для платформ, где они приурочены к крыльям щитов, антеклиз и синеклиз. Пример моноклинали -- структура, образуемая палеозойскими толщами южного склона Балтийского кристаллического щита; наклон слоев исчисляется в 2-2,5 м на 1 км длины.

Складка - волнообразные изгибы пластов горных пород самой разнообразной формы и величины. Классификация складок не разработана. Выделяют два типа складок - антиклинальные и синклинальные. По очертаниям в плане различают складки линейные, вытянутые в одном направлении, брахискладки (брахиантиклинали и брахисинклинали) и куполовидные. Антиклиналь и синклиналь в линейных складках образуют вместе одну полную складчатую волну. В складках выделяют следующие элементы: крылья - части пласта, образующие изгиб, седло или свод у антиклинали и мульду у синклинали, осевую поверхность, шарнир и ядро.

Зависимость силы землетрясения от состава пород

Скорость распространения сейсмических волн определяется составом и физическим состоянием пород. В общем случае эту зависимость можно сформулировать следующим образом:

1. В плотных горных породах сейсмические волны распространяются быстрее и захватывают большие пространства; при этом разрушения зданий на этих горных породах менее значительны, чем на рыхлых.

2. В рыхлых горных породах волны распространяются слабее, но в то же время они являются наиболее разрушительными, вследствие неравномерного уплотнения пород и неравномерной осадки сооружений. Они разрушительны и в тех случаях, когда рыхлые породы незначительной мощности лежат на кристаллических породах и заболоченных землях. Разрушительная сила землетрясений зависит от их интенсивности (т.е. от количества освобождаемой энергии) и от глубины распространения очага -- гипоцентра.

Чаще землетрясения возникают на глубине 20-50 км. Вертикальная проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром. Сначала сейсмические волны достигают эпицентра, где удар направлен по вертикали. Затем сейсмические волны выносят колебания частиц в другие места земной поверхности, где удары направлены как бы сбоку. Чем меньше угол выхода удара а, тем слабее будут осуществляться удары.

Вопрос 6. Объясните сущность процессов внешней динамики Земли (экзогенных процессов). Опишите процессы - плоскостной смыв и движение ледников. Укажите возможные защитные мероприятия

Каменные осыпи и обвалы образуются в горах в результате разрушения скальных массивов и чаще всего в условиях сурового климата. Каменные осыпи (курумы, каменные потоки, каменные реки) - скопления камней на склонах, занимающие площадь нередко в несколько квадратных километров и гектаров (Коломенский Н.Б.). Они медленно спускаются вниз, осложняя строительство как на склонах, так и подножья. Каменные обвалы представляют собой обрушение со склонов каменных масс (Коломенский Н.Б.). Они разнообразны по размерам, составу, частоте, повторяемости. Обвалы возникают как на естественных, так и на искусственных склонах (в выемках).

Механический состав осыпей неравномерен не только в вертикальном разрезе, но и по площади. Книзу склона увеличивается крупность обломков (что связано с большей дальностью перекатывания наиболее крупных из них); в нижней и боковой частях осыпи в первую очередь начинается накопление мелкозема. Заметим, что заполнение осыпи мелкоземом более всего зависит от петрографического состава пород обломков, их выветриваемости и крутизны склона.

Мощность осыпей разнообразна. Она зависит от их положения в рельефе, от крутизны склона и других причин. Обычно на склонах она составляет несколько метров и увеличивается к подножью. Осыпи, накопившиеся у подножий в виде крупных конусов, имеют мощности до десятков метров.

Обвалами называют и обрушение нескольких небольших камней с откоса железнодорожной выемки, и гигантские природные катастрофы, меняющие лик окружающих участков земной коры. Крупные горные обвалы редки, но следы их сохраняются долго.

Более часто повторяются сравнительно мелкие обвалы, происходящие на естественных склонах и искусственных откосах выемок горных железнодорожных магистралей СНГ.

Источником материала для обвала могут быть: трещиноватые и выветрелые утесы, останцы; породы, слагающие сравнительно ровные, но крутые склоны; каменные осыпи, залегающие на чрезмерно крутых, а в особенности выпуклых склонах; древние морены горных ледников (валунники), отмытые от мелкозема и оказавшиеся в результате развития склона на чрезмерно крутых или выпуклых его участках.

Высоты, с которых падают обвалы, разнообразны. На естественных склонах они составляют обычно несколько десятков и даже сотен метров, на искусственных откосах - 25-30 метров.

Наблюдаются следующие формы движения обвалов: движение сравнительно большой и компактной массы обломков, которая, то скользит по склону, то совершает «прыжки», постепенно теряя свою компактность; скачкообразное падение отдельных камней, при котором величина скачков и скорость полет книзу, как правило, увеличивается; прямое падение обломков (наблюдается очень редко).

Плоскостной смыв - поверхностный смыв, плоскостная эрозия, удаление материала верхнего слоя почвы или продуктов выветривания горных пород дождевыми или талыми водами, стекающими по склону сплошным слоем или мелкими струями. В результате П. с. эродируются почвы преимущественно в верхних и средних частях склона, а возле его подошвы происходит накопление смытого материала. П. с. тесно связан с крутизной и длиной склона, интенсивностью выпадающих осадков, скоростью снеготаяния, характером покрова и особенностями хозяйственного использования территории. Плоскостной смыв является результатом размывающей деятельности дождевых и талых вод, проявляющейся более или менее равномерно по всей поверхности склонов и водоразделов. Вода при этом стекает частично плоскостным потоком, а также по местным мелким ложбинам стока. Живая сила текучих вод обычно невелика и способна сносить главным образом только частицы песка и глины. Сносимый материал накапливается у подножья склонов или в тех местах, где начинает теряться энергия распластанного по поверхности земли потока.

Плоскостной смыв часто уничтожает почвенный плодородный покров. В таком случае говорят о водной почвенной эрозии, возникновение которой нередко связано с устройством неправильно ориентированных прорезей, каналов, распашкой склонов, уничтожением растительности.

В условиях мерзлоты слой почв часто сносится в виде грязевого потока при весеннем оттаивании. Разрушение почв происходит также под действием ливневых вод, особенно на распаханных землях, в условиях, способствующих быстрому поверхностному стоку. Основные гидротехнические мероприятия по борьбе - устройство ливнестоков, нагорных каналов и другие работы, обеспечивающие отвод поверхностных вод на локализованных участках.

Движение ледника - вязко-пластичное перемещение (течение) льда под влиянием силы тяжести из обл. питания к краевым частям или к концу ледника. Скорость его зависит от мощн. льда, наклона дна ледникового ложа, температуры, наличия воды в леднике и колеблется от долей до 40 м/сут. Чем круче наклон дна, выше температура льда и больше его масса, тем скорость Д. л. больше. Механизм Д. л. точно еще не установлен ввиду его сложности.

Условия и причины ЭГП

Для оценки характера осыпи необходим учет формы склона. На ровных склонах направление движения обломков и форма осыпи в плане зависят от характера области питания, а подвижность осыпи - от общей крутизны склона; осыпь может накапливаться непосредственно на склоне. Выпуклые склоны способствуют накоплению вверху массы готовых обрушиться обломков и их быстрому соскальзыванию; осыпь накапливается только у подножья.

На вогнутых склонах осыпь пополняется постоянно падающими отдельными обломками, накапливается она и на склоне и у его подножья.

Следует отметить, что на склонах, осложненных ступенями и западинами, осыпь может накапливаться при общей крутизне склона на 5-7^О больше, чем при отсутствии этих элементов микрорельефа.

Подвижность осыпей весьма неравномерна в многолетнем и годовом разрезе; наибольшая подвижность относится к периодам дождей и снеготаяния. Бывают годы, когда активные осыпи не совершают подвижек.

Перемещение осыпей вызывают силы тяжести, известная крутизна склонов, восходящие тектонические движения и некоторые другие причины. Непосредственными поводами к подвижке осыпи или отдельных ее частей могут быть: сильное увлажнение подошвы; толчки при падении новых обломков; увеличение общего веса осыпи за счет пополнения; порывы ветра; подрезка нижней части осыпи; толчки при землетрясениях; сотрясения при строительных работах или работе механизмов.

Причины образования обвалов на естественных склонах очевидны - наличие силы тяжести и разрушенных пород, большая крутизна склона.

Непосредственными поводами к возникновению обвалов на естественных склонах и в выемках могут послужить:

· постепенное исчезновение сцепления между глыбой и массивом породы в результате выветривания, растрескивания породы, смачивания глинистой примазки, имеющейся в трещинах массивных пород;

· расклинивающее воздействие корней, льда, мелких падающих обломочков;

· сейсмические толчки;

· сильные порывы ветра;

· толчки от падающих обломков;

· гидростатическое воздействие воды;

· сотрясение при строительных работах.

Вопрос 7. Классификация подземных вод. Фазовые состояния вод в породах - пленочная и межпластовая напорная. Условия залегания и движения подземных вод

Воды, находящиеся в верхней части земной коры, носят название подземных вод. Подземные воды подразделяют: по характеру их использования и по условиям залегания в земной коре. В число первых входят хозяйственно-питьевые воды, технические, промышленные, минеральные, термальные. Ко вторым относят: верховодки, грунтовые и межпластовые воды, а также воды трещин, карста, вечной мерзлоты. В инженерно-геологических целях подземные воды целесообразно классифицировать по гидравлическому признаку - безнапорные и напорные.

Хозяйственно-питьевые воды. Подземные воды широко используют для хозяйственно-питьевых целей. Пресные подземные воды - лучший источник питьевого водоснабжения, поэтому использование их для других целей, как правило, не допускается. Источником хозяйственно-питьевого водоснабжения являются подземные воды зоны интенсивного водообмена. Глубина залегания пресных подземных вод от поверхности земли обычно не превышает нескольких десятков метров. Однако имеются районы, где они залегают на больших глубинах (300-500 м и более). В последние годы для хозяйственно-питьевого водоснабжения начинают использовать также солоноватые и соленые подземные воды после их искусственного опреснения.

Технические воды - это воды, которые используют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Требования к подземным техническим водам отражают специфику того или иного вида производства.

Промышленные воды содержат в растворе полезные элементы (бром, йод и др.) в количестве, имеющем промышленное значение. Обычно они залегают в зоне весьма замедленного водообмена, минерализация их высокая (от 20 до 600 г/л), состав хлоридно-натриевый, температура нередко достигает 60-80^о С.

Минеральными называют подземные воды, которые имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов и т.д. Они выходят на поверхность земли источниками или вскрываются буровыми скважинами.

Термальные подземные воды имеют температуру более 37^о С. Они залегают повсеместно на глубинах от нескольких десятков и сотен метров (в горно-складчатых районах) до нескольких километров (на платформах).

Верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения водой пор горных пород делится на две зоны: верхнюю - зону аэрации и нижнюю - зону насыщения.

Зона аэрации расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. В этой зоне наблюдается просачивание атмосферных осадков из поверхностных вод вглубь, в сторону зоны насыщения. Поры горных пород в зоне аэрации лишь частично заполнены водой, остальная часть их занята воздухом.

Зона насыщения горных пород расположена ниже уровня грунтовых вод. В этой зоне все поры, трещины, каверны и другие пустоты заполнены гравитационной водой. Подземные воды в зоне насыщения циркулируют в виде верховодок, грунтовых, артезианских, трещинных и вод вечной мерзлоты.

Верховодки - это временные скопления подземных вод в зоне аэрации.

Грунтовые воды. Грунтовыми называют постоянные во времени и значительные по площади распространения горизонты подземных вод, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности безнапорные. Иногда они могут проявить так называемый местный напор, связанный с залеганием линзы глины в уровне зеркала.

Межпластовые подземные воды. Эти воды располагаются в водоносных горизонтах между водоупорами. Они бывают ненапорными и напорными (артезианскими). Межпластовые ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненными водой полностью или частично. Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водоносных слоев в виде синклиналей или моноклиналей.

Подземные воды вечной мерзлоты. Подземные воды в районах многолетней мерзлоты контактируют или непосредственно содержатся в толще многолетнемерзлых пород. Подземные воды подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные воды.

Надмерзлотные воды - воды, подстилающим водоупором для них служит многолетнемёрзлая толща, пустоты, трещины, поры которой постоянно заполнены льдом. Образуют безнапорные горизонты типа верховодки и грунтовых вод.

Межмерзлотные воды - содержатся внутри толщи многолетней мерзлоты как в твердой (лед), так и в жидкой фазе (зона прерывистых и сквозных таликов). В жидкой фазе обычно напорные. Имеют связь с надмерзлотными и подмерзлотными водами.

...