Инженерная геология и горные породы

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Вопрос №1

Вопрос №2

Вопрос №3

Вопрос №4

Вопрос №5

Вопрос №6

Вопрос №7

Вопрос №8

Литература



Вопрос №1

Инженерная геология - наука о строении, свойствах и динамике геологической среды, её рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью; один из разделов геологических наук. Основные задачи инженерной геологии: исследование современной морфологии и закономерностей формирования инженерно-геологических условий, прогнозирование их изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности; инженерно-геологическое обоснование защитных мероприятий, обеспечивающих рациональное освоение территории, недр и охрану окружающей среды. Для решения задач инженерной геологии используют натурные наблюдения, полевые и лабораторные эксперименты, моделирование, аналитические расчёты, режимные стационарные наблюдения и другие общегеологические и специальные методы.

Инженерная геология, как и любая другая наука, имеет свой предмет, свои задачи и методы исследования. Она разрабатывает широкий круг научных геологических проблем и решает практические задачи, возникающие при проектировании и строительстве всевозможных сооружений (гражданских и промышленных зданий, городов, дорог, мостов, гидроузлов, тепловых и атомных электростанции, туннелей и метрополитенов, аэродромов, портов, шахт, карьеров, скважин и др.), при проведении инженерных работ по улучшению территорий (осушение, орошение, борьба с оползнями, селевыми и другими геологическими явлениями), а также при выполнении горных работ на месторождениях полезных ископаемых.

Инженерная оценка территорий, выбранных для строительства или другого хозяйственного использования, определяется в первую очередь их геологическим строением -- геологическими условиями в широком смысле этого слова. Геологические условия в данном случае принято называть инженерно-геологическими, потому что их изучают и оценивают в инженерном аспекте, а прогноз их изменений составляют в связи со строительством сооружений и выполнением инженерных работ. Эффективно решать такие задачи можно только на основе познания закономерностей формирования и изменений геологических условии территории.

В инженерной практике часто приходится встречаться с геологическими условиями, неблагоприятными для строительства сооружений и выполнения инженерных работ, например со слабыми, непрочными или сильно обводненными горными породами, с развитием тех или иных геологических явлений и т. д. Инженерная геология занимается изучением и оценкой этих условий, выбором для строительства лучших участков, дает рекомендации по обеспечению устойчивости сооружений н нормальных условий их эксплуатации.

В связи с тем что возводимые сооружения и различные инженерные работы так или иначе сами влияют на природные геологические условия, инженерная геология занимается изучением и прогнозом и тех геологических явлений, которые могут возникнуть под их воздействием (просадки, провалы, оползни др.). Инженерная геология также определяет те меры, которые необходимо предпринять для обеспечения устойчивости и долговечности сооружении и нормальных условий производства работ. В связи с перечисленным возникла необходимость в постановке и решении проблем рационального использования геологической среды и ее охраны.

Инженерная геология включает грунтоведение, инженерную геодинамику, инженерную петрологию и региональную инженерную геологию. Грунтоведение исследует состав, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Инженерная геодинамика изучает механизм, геологические причины и закономерности развития в геологической среде природных и инженерных геологических процессов в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью.

Региональная инженерная геология исследует строение и свойства геологической среды различных структурных зон земной коры, закономерности формирования их инженерно-геологических условий и пространственно-временного изменения в связи с инженерной деятельностью.

В инженерной петрологии исследуются свойства горных пород, определяющие их поведение в сфере воздействия инженерных работ и сооружений. В теоретическом плане главной проблемой является изучение природы свойств горных пород, знание которой составляет научную базу для их прогнозирования и управления этими свойствами.

Инженерная геология изучает объекты, расположенные как в пределах суши, так и в пределах акваторий, находящиеся на различной глубине от поверхности. Большая часть объектов находится в приповерхностной зоне геологической среды, для которой характерна высокая динамичность во времени.

Прикладные разделы: инженерная геология городов и городских агломераций, инженерная геология месторождений полезных ископаемых (инженерная геология в горном деле), мелиоративная инженерная геология, инженерная геология в гидротехническом строительстве и в строительстве дорог, трубопроводов, ЛЭП и др. Каждый из разделов решает определённые задачи, ему свойственна специальная методика исследований, которая включает методы получения, обработки и представления результатов инженерно-геологических изысканий, а также методологию и технологию их проведения Ананьев В.П., Потапов А.Д. «Инженерная геология» М, Высшая школа, 2005 г., - 511 с..

Литосфера - это твердая внешняя оболочка планеты. На Земле, она включает в себя земную кору и верхнюю часть мантии, которые представляют собой твердый и жесткий внешний слой планеты. Литосфера лежит на астеносфере, более слабой, более горячей, и более глубокой части верхней мантии. Граница между литосферой и астеносферой определяется различием в ответ на напряжение: литосфера остается жесткой в ??течение очень длительного геологического времени, и деформируется разломами, в то время как астеносфера деформируется вязко и пластично. Литосфера разбита на тектонические плиты. Самая верхняя часть литосферы, что вступает в химическую реакцию с атмосферой, гидросферой и биосферой через процесс формирования почвы, называется педосферой.

Существуют два типа литосферы:

Океаническая литосфера, которая связана с океанической корой и существует в океанических бассейнах;

Континентальная литосфера, которая связана с континентальной корой.

Океаническая литосфера, как правило, толщиной около 50-100 км (но под срединно-океаническими хребтами не толще, чем кора), в то время как континентальная литосфера имеет диапазон толщины от 40 км до 200 км, верхние 30 - 50 км типичной континентальной литосферы является корой. Мантия литосферы состоит в основном из перидотитов. Кора отличается от верхней мантии изменением химического состава.

Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли, а гидросфера - это прерывистая водная оболочка, состоящая из океанов, морей, озер, рек, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова, расположенная на поверхности Земли. В нижней части атмосферы и в гидросфере располагается биосфера. Атмосфера и гидросфера ответственны за многие геологические экзогенные процессы.

Состав атмосферы. Воздух вблизи земной поверхности состоит (без водяного пара) из 78% по объему (76% по массе) азота и 21% по объему (23% по массе) кислорода. 1% почти полностью представлен аргоном. Все другие составляющие сухого воздуха, а это - гелий (Не), неон (№), метан (СН4), водород (Н2), оксид азота (К02), диоксид серы (802), радон (Кп), аммиак (КН3, озон (О3) содержатся в ничтожных количествах.



Воздух может содержать также частицы, попадающие в него при извержениях вулканов, лесных пожарах и за счет техногенной деятельности человека. Особенно опасны аэрозоли от окисления газов, содержащих серу, хлорфторуглероды. Хорошо известны кислотные дожди, возникающие за счет промышленной деятельности человека.

Водяной пар содержится в стратосфере в ничтожных количествах, но на высоте около 25 км присутствуют переохлажденные капельки воды, образующие тонкие перламутровые облака.

Над стратопаузой до высоты в 80 км находится мезосфера, в которой температура снова понижается до -100°С и венчается слой, с давлением воздуха в 100 раз меньшим, чем у поверхности Земли - мезопаузой. В этих 3-х слоях заключено 99,5% всей массы атмосферы.

Выше мезопаузы располагается термосфера, в которой температура сновав резко повышается до +1200-1500°С на высотах в 250 км, а верхняя граница термосферы находится на уровне 800-1000 км, выше которого выделяется экзосфера или сфера ускользания газов. Космические исследования показали, что еще до высот в 20 000 км простирается т.н. земная корона, в которой на 1 см приходится около 1000 частиц газа.

Климат Земли определяется атмосферной циркуляцией, теплооборотом и влагооборотом, а также и астрономическими факторами - наклоном оси вращения Земли к плоскости эклиптики, светимостью Солнца и т.д. Климат, присущий отдельно взятому региону, определяется рядом факторов: географической широтой, наличием морей и суши, рельефом, растительностью, ледовым покровом и другими. От климата зависит характер выветривания и другие экзогенные геологические процессы.

Гидросфера - это прерывистая оболочка Земли от распространения воды в атмосфере, до нижней границы подземных вод. Водяной пар содержится в атмосфере от 0,2% в высоких широтах до 4% в тропическом экваториальном поясе и постоянно поступает в атмосферу при испарении воды с поверхности водоемов, почвы, а также растительностью (транспирация). Вода Мирового океана покрывает 71% поверхности Земли (361 млн. км2), если сюда присоединить все остальные водоемы, то - 383 млн. км2, с учетом зимнего снежного покрова - 443 млн. км, т.е. 83% площади поверхности земного шара.

Роль океанов заключается и в том, что их вода, будучи теплее в среднем, чем атмосфера, на 3°С, непрерывно обогревают последнюю, имея запас тепла в 21 раз больше, чем в атмосфере. Между атмосферой и гидросферой все время осуществляется сбалансированный обмен теплом.

Биосфера, по Вернадскому, - земная оболочка, область существования живого вещества. Она включает в себя не только живые организмы, но и изменённую ими среду обитания (кислород в атмосфере, горные породы органического происхождения и т.п.).

Биосфера является одной из геологических оболочек Земли или геосфер. В состав биосферы входят верхние слои литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера) и вся гидросфера, связанные между собой сложными круговоротами веществ и энергии. Нижний предел жизни на Земле (до глубины 3 км) ограничен высокой температурой земных недр, верхний предел (20 км) - жёстким излучением ультрафиолетовых лучей (всё, что находится на высоте ниже 20 км, защищено от губительного излучения двадцатикилометровым озоновым слоем). Тем не менее, на границах биосферы можно найти, в основном, лишь микроорганизмы (обычно в виде спор); наибольшая же концентрация биомассы наблюдается у поверхности суши и океана, в местах соприкосновения оболочек. Организмы, составляющие биосферу, обладают поразительной способностью к размножению и распространению по планете.

Биосфера играет важную роль в распределении энергетических потоков на Земле. В год до Земли доходит около 1024 Дж солнечной энергии; 42 % из неё отражается обратно в космос, а остальное поглощается. Другим источником энергии является тепло земных недр. 20 % энергии переизлучается в мировое пространство в виде тепла, 10 % расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана. Зелёные растения преобразуют в процессе фотосинтеза около 1022 Дж в год, поглощают 1,7 • 108 т CO2, выделяют около 11,5 • 107 т кислорода и испаряют 1,6 • 1013 т воды. Исчезновение растений привело бы к катастрофическому накоплению углекислоты в атмосфере, и через сотню лет жизнь на Земле в её нынешних проявлениях погибла бы. Наряду с фотосинтезом в биосфере происходит почти такое же по масштабам окисление органических веществ в процессах дыхания и разложения.

В организмах содержатся все известные сегодня химические элементы. Если некоторые из них (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень малых количествах. Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов. Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом только кастет Справочник по инженерной геологии. Под ред. М.В. Чуриновой. М.: Недра, 1981, 325 с..

Вопрос №2

Доломит СаМg(СО3)2. Относится к классу карбонаты. Цвет белый, серый, бледно-красный, коричневатый. Цвет черты: белый. Блеск стеклянный. Спайность совершенная. Излом раковистый. Твердость - 3,5-4,5. При соприкосновении с теплой, разбавленной соляной кислотой вскипает. Происхождение осадочное или гидротермальное. Кристаллы ромбоэдрические, призматические, таблитчатые. Агрегаты зернистые, почко-, фарфоровидные,иногда волокнистые или в виде пизолитов. Плотность 2,8-2,9 г/смі.

Графит С. Класс самородные элементы. Цвет стально-серый до черного. Цвет черты: серовато-черная блестящая. Блеск металлический, жирный. Спайностьсовершенная. Твёрдость 1-2. Излом раковистый. Плотность 2,09-2,23 г/смі. В кислотах не растворяется. Непрозрачный. Хорошо проводит электрический ток. Жирен на ощупь. Пачкает руки и бумагу. Обычно тонкочешуйчатые агрегаты реже шестоватые и волокнистые массы, иногда радиально-лучистые звездчатые сростки.

Горные породы представляют собой естественные минеральные агрегаты, формирующиеся в литосфере или на поверхности Земли в ходе различных геологических процессов. Основную массу горных пород слагают породообразующие минералы, состав и строение которых отражают условия образования пород. Кроме этих минералов в породах могут присутствовать и другие, более редкие (акцессорные) минералы, состав и количество которых в породах непостоянны Ломтадзе В.Д. Инженерная Геология. Инженерная петрология.Учебник. Изд. 2-е, перераб. и доп, 1984. -511 с..

Строение горных пород характеризуется структурой и текстурой. Структура определяется состоянием минерального вещества, слагающего породу (кристаллическое, аморфное, обломочное), размером и формой кристаллических зерен или обломков, входящих в ее состав, их взаимоотношениями.

Под текстурой породы понимают расположение в пространстве слагающих ее минеральных агрегатов или частиц горной породы (кристаллических зерен, обломков и др.). Выделяют плотную и пористую текстуры, однородную или массивную и ориентированную (слоистую, сланцеватую и др.).

В основу классификации горных пород положен генетический признак. По происхождению выделяют: 1) магматические, или изверженные, горные породы, связанные с застыванием в различных условиях силикатного расплава - магмы и лавы; 2) осадочные горные породы, образующиеся на поверхности в результате деятельности различных экзогенных факторов; 3) метаморфические горные породы, возникающие при переработке магматических, осадочных, а также ранее образованных метаморфических пород в глубинных условиях при воздействии высоких температур и давлений, а также различных жидких и газообразных веществ (флюидов), поднимающихся с глубины.

Магматические горные породы наряду с метаморфическими слагают основную массу земной коры, однако на современной поверхности материков области их распространения сравнительно невелики. В земной коре они образуют тела разнообразной формы и размеров, состав и строение которых зависит от химического состава исходной магмы и условий ее застывания. В основе классификации магматических горных пород лежит их химический состав. Учитывается прежде всего содержание оксида кремния, по которому магматические породы делятся на четыре группы: ультраосновные породы, содержащие менее 45 % 8Ю2, основные - 45-52%, средние -52-65 % и кислые - более 65 %.

В зависимости от условий, в которых происходило застывание магмы, магматические породы делятся на ряд групп: породы глубинные, или интрузивные, образовавшиеся при застывании магмы на глубине, и породы излившиеся, или эффузивные, связанные с охлаждением магмы, излившейся на поверхность, т.е. лавы.

Ультраосновные породы (гипербазиты, или ультрамафиты) в строении земной коры играют незначительную роль, причем наиболее редки эффузивные аналоги этой группы (пикриты и коматииты). Все ультраосновные породы обладают большой плотностью (3,0-3,4), обусловленной их минеральным составом.

Основные породы широко распространены в земной коре, особенно их эффузивные разновидности (базальты).

Габбро - глубинные интрузивные породы с полнокристаллической средне-и крупнозернистой структурой.

Базальты - черные или темно-серые вулканические породы. Базальты залегают в виде лавовых потоков и покровов, нередко достигающих значительной мощности и покрывающих большие пространства (десятки тысяч км2) как на континентах, так и на дне океанов.

Средние породы характеризуются большим содержанием светлых минералов, чем цветных, из которых наиболее типична роговая обманка. Такое соотношение минералов определяет общую светлую окраску породы, на фоне которой выделяются темно- окрашенные минералы.

Диориты - глубинные интрузивные породы, обладающие полнокристаллической структурой. Излившимися аналогами диоритов являются широко распространенные андезиты, обладающие обычно порфировой структурой.

Для всех кислых пород характерно наличие кварца. Кроме того, в значительных количествах присутствуют полевые шпаты - калиевые и кислые плагиоклазы.

Граниты - глубинные интрузивные породы, обладающие полнокристаллической, обычно среднезернистой, реже крупно- и мелкозернистой структурой. Породообразующие минералы - кварц (около 25-35 % ), калиевые полевые шпаты (35-40 %) и кислые плагиоклазы (около 20-25 %), из цветных минералов - биотит, в некоторых разностях частично замещающийся мусковитом. Излившимся аналогом гранитов являются риолиты, аналогами гранодиоритов - дациты.

Осадочные горные породы. На поверхности Земли в результате действия различных экзогенных, т.е. внешних, факторов образуются осадки, которые в дальнейшем уплотняются, претерпевают физико-химические изменения - диагенез, и превращаются в осадочные горные породы, тонким чехлом покрывают около 75 % поверхности континентов. Многие из них являются полезными ископаемыми, другие - содержат таковые.

Среди осадочных пород выделяются три группы:

1) обломочные породы, возникающие в результате механического разрушения каких-либо пород и накопления образовавшихся обломков; 2) глинистые породы, являющиеся продуктом преимущественно химического разрушения пород и накопления возникших при этом глинистых минералов; 3) химические (хемогенные) и органогенные породы, образовавшиеся в результате химических и биологических процессов. Обломочные породы по размерам обломков подразделяются на несколько типов.

Грубообломочные породы. В зависимости от формы и размеров обломков среди пород этого гранулометрического типа выделяются следующие: глыбы и валуны - соответственно угловатые и окатанные обломки размером свыше 200 мм в поперечнике; щебень и галька - при размерах обломков от 200 до 10 мм; дресва и гравий - при размерах обломков от 10 до 2 мм.

Грубообломочные породы, представляющие собой сцементированные неокатанные обломки, называются брекчиями и дресвяниками, сцементированные окатанные обломки - конгломератами и гравелитами.

К среднеобломочным породам относятся распространенные в земной коре пески и песчаники. Первые представляют собой скопление несцементированных окатанных обломков песчаной размерности, вторые - таких- же, но сцементированных.

Мелкообломочные породы. Рыхлые скопления мелких частиц размерами от 0,05 до 0,005 мм называют алевритами. Одним из широко распространенных представителей алевритов является лесс - светлая палево-желтая порода, состоящая преимущественно из остроугольных обломков кварца и меньше - полевых шпатов с примесью глинистых частиц и извести.

Глинистые породы. Наиболее распространенными осадочными породами являются глинистые, на долю которых приходится больше 50 % объема всех осадочных пород. Глинистые породы в основном состоят из мельчайших (меньше 0,02 мм) кристаллических (реже аморфных) зерен глинистых минералов.

Химические и органогенные породы образуются преимущественно в водных бассейнах.

На долю карбонатных пород в осадочной оболочке Земли приходится около 14 %. Главный породообразующий минерал этих пород - кальцит, в меньшей степени - доломит. Соответственно, наиболее распространенными среди карбонатных пород являются известняки - мономинеральные породы, состоящие из кальцита.

Кремнистые породы состоят главным образом, из опала и халцедона. Так же, как карбонатные, они могут иметь биогенное, химическое и смешанное происхождение. К биогенным породам относятся диатомиты и радиоляриты, состоящие из мельчайших, не различимых невооруженным глазом скелетных остатков диатомовых водорослей и радиолярий, скрепленных опаловым цементом.

Каустобиолиты образуются из растительных и животных остатков, преобразованных под влиянием различных геологических факторов. Эти породы обладают горючими свойствами, чем и обусловлено их важное практическое значение. К ним относятся породы ряда углей (торф, ископаемые угли), горючие сланцы.

Метаморфические горные породы - результат преобразования пород разного генезиса, приводящего к изменению первичной структуры, текстуры и минерального состава в соответствии с новой физико-химической обстановкой. Главными факторами (агентами) метаморфизма являются эндогенное тепло, всестороннее (литостатическое) давление, химическое воздействие флюидов. Постепенность нарастания интенсивности факторов метаморфизма позволяет наблюдать все переходы от первично осадочных или магматических пород к образующимся по ним метаморфическим породам. Метаморфические породы обладают полнокристаллической структурой. Размеры кристаллических зерен, как правило, увеличиваются по мере роста температур метаморфизма Квашук С.В Макроскопическое изучение минералов и горных пород (Учебное пособие). Хабаровск: ДВГУПС, 2005 - 68с..



Вопрос №3

Конгломерат - грубообломочная осадочная горная порода, представляющая собой сцементированную гальку (размер 10-100 мм) c примесью более тонкого материала - алеврита, песка, гравия. Структура псефитовая. Образуется в морях и озерах, речных долинах, в результате перерыва морены, в области предгорий, иногда благодаря деятельности ветра. Применяют для мощения дорог и как бутовый камень Шульгин Д.И. «Инженерная геология для строителей железных дорог» М, Желдориздат, 2002 г. - 514с..

Торф - бурая или темная пористая горная порода, состоящая из остатков растений, существенно изменены процессами разложения. Образуется в болотах из мха, травы, листьев, стеблей, корней, древесины, содержит также большое количество минерального вещества. В составе торфа есть углерод (35... 59%), водород (6%), кислород (39%) и азот (2,3%). Структура породы может быть волокнообразной или аморфной, соответственно при низкой или более высокой степени разложения. Торф является начальной стадией преобразования органического вещества на бурый уголь, каменный уголь и антрацит. С торфа добывают торфяно-минеральные удобрения, активированный уголь и другие продукты. В последнее время роль торфа как топлива уменьшается.

Глинистые сланцы - плотная сланцеватая глинистая порода (серая или чёрная), состоящая в основном из каолинита или других глинистых минералов, гидрослюд, хлорита, а также кварца, полевых шпатов, карбонатов, органических углистых веществ и иногда сульфидов железа. Пористость 1-3%. Не размокает в воде. Образуется в результате уплотнения (диагенеза) глин и их частичной перекристаллизации при погружении на глубину. При дальнейшем изменении превращается в филлит или хлоритовый сланец. Плотность 2,5-2,7. Стоек против выветривания. Характеризуется тонкосланцеватой текстурой. В глинистом материале возникают скопления мельчайших зерен кварца, микроскопические чешуйки слюды (серицита) и хлорита. Сланцы обычно сохраняют окраску исходных глин, легко раскалываются по сланцеватости на ровные плитки с матовой поверхностью. Используется как кровельный материал - природный шифер Ананьев В.П., Потапов А.Д. «Инженерная геология» М, Высшая школа, 2005 г., - 511 с..

Вопрос №4

С1 Раннекаменноугольная эпоха (нижнекаменноугольный отдел).

N1 Ранненеогеновая или миоценовая эпоха (миоценовый отдел).

C2 Среднекаменноугольная эпоха (среднекаменноугольный отдел).

N1 Ранненеогеновая или миоценовая эпоха (миоценовый отдел).

Вопрос №5

Облик поверхности Земли постоянно меняется. Природные процессы, изменяющие облик Земли, называются геодинамическими. На поверхности Земли в течение сотен миллионов лет постоянно возникают горные системы и океанические впадины. Процессы, которые приводили и приводят к их образованию, называются процессами внутренней динамики Земли (эндогенные процессы).

Горные системы под действием солнца, воды и ветра постоянно разрушаются. Впадины заносятся обломками разрушенных пород. Процессы, которые действуют на поверхности Земли и стремятся сгладить ее неровности и выровнять рельеф, называются процессами внешней динамики Земли (экзогенные процессы) Иванов. И.П. Инженерная геодинамика. Учебник. Санкт-Петербург, 2001. 416 с..

Эндогенные и экзогенные процессы действуют одновременно и постоянно. Там, где преобладают процессы внутренней динамики, господствуют горы, а там, где на протяжении длительного времени после горообразования действуют процессы внешней динамики, раскинулись обширные равнины.

Эндогенные процессы обусловлены энергией, освобождающейся в недрах планеты в результате радиоактивного распада химических элементов, фазовых и структурных превращений вещества в глубоких частях Земли. Наиболее важными из них являются землетрясения, магматизм, метаморфизм, тектонические движения и образование тектонических структур земной коры.

Тектонические движения и дислокации горных пород. Процессы горообразования и формирования океанических впадин изучает тектоника. Движения земной коры, связанные с этими процессами, называют тектоническими. Такие движения происходят постоянно, усиливаясь в периоды тектонической активизации, которые циклично повторяются в геологической истории Земли. Продолжительность их достигает десятков млн. лет. Последним из них является альпийский (кайнозойская эра), продолжающийся ~ 35 млн. лет. В альпийский период сформировались горы Кавказа, Крыма, Карпат, Гималаи и др., в более древние периоды -- Урал, Хибины и др. Горообразование изменяет первоначальные условия залегания пород, вызывает появление трещин, раздробляет породы, перемещает с места на место материал земной коры.

Отдельные участки платформы на протяжении многих десятилетий (веков, тысячелетий) поднимаются, другие в это же время опускаются. Со временем поднятия сменяются опусканиями, и наоборот. Это колебательные движения. Геологическое значение их огромно. От них зависят интенсивность осадконакопления, положение границ между сушей и морями, обмеление или усиление размывающей деятельности рек и многое другое.

Колебательные (вековые) движения прошедших геологических периодов обнаруживаются перерывом в осадконакоплении, в смене состава слоев в вертикальном и горизонтальном направлениях, в перераспределении суши и моря. В районах поднятий море отступает (регрессия моря), морское дно становится сушей. При опускании местности море наступает (трансгрессия моря). На этом участке накапливаются морские осадки.

Тектонические движения земной коры необходимо учитывать при строительстве водохранилищ, плотин, морских портов, а также городов у моря и т. д. Опускание побережья приводит к интенсивному размыву берегов, при поднятиях море отступает, и населенные пункты удаляются от моря.

Горизонтальные и тангенциальные движения вызывают тектонические дислокации, которые разделяются на складчатые и разрывные. Складчатые дислокации происходят без разрыва сплошности слоев (пластов). К формам складчатых дислокаций относятся моноклиналь, складка и флексура.

Моноклиналь выражается в общем наклоне слоев по отношению к горизонту. Складка представляет собой один сплошной перегиб слоев. Антиклиналь -- складка, обращенная своей вершиной вверх, синклиналь -- обращенная вершиной вниз. Флексура -- коленоподобная складка.

Разрывные дислокации возникают в результате нарушения сплошности пород и смещения частей слоев относительно друг друга по плоскости разрыва. Иногда её называют линией разлома. Амплитуда смещения бывает различной -- от сантиметров до километров (при ширине трещин от сантиметров до многих метров). Трещины почти всегда оказываются заполненными обломками разрушения горных пород.

К разрывным дислокациям относят сбросы и взбросы, горсты и грабены, сдвиги и надвиги.

Сброс образуется в результате опускания, а взброс -- поднятия одной части толщи пород относительно другой. Грабен возникает, когда участок земной коры опускается между двумя крупными разрывами. Таким путем образовался Байкал. Горст -- форма, обратная грабену. Сдвиг и надвиг получаются при смещениях толщ пород в горизонтальной (сдвиг) и по наклонной (надвиг) плоскости. В результате надвига молодые отложения могут быть перекрыты породами более древнего возраста.

Сейсмические явления в литосфере. Сейсмические явления есть результат упругих колебаний земной коры. Они типичны для районов, где активно действуют современные горообразовательные процессы.

Сейсмические сотрясения земли происходят почти непрерывно, их бывает более 100 тыс. в год, но из них всего около 100 приводят к разрушительным последствиям и отдельные -- к катастрофам с массовыми разрушениями зданий и сооружений и гибелью людей. За последние 4 тыс. лет от землетрясений на Земле погибло более 13 млн. человек.

Современные землетрясения связаны главным образом с геологическими структурами, испытывающими тектонические движения. Такие структуры приурочены к геосинклиналям. В этих поясах тектонические движения приводят к накоплению напряжений в толще горных пород в течение длительного времени. Разгрузка напряжений происходит скоротечно со смещениями или разрывами отдельных блоков литосферы, с освобождением упругой энергии и резкими колебательными движениями или сотрясениями земной коры.

Землетрясения возникают также в процессе извержения вулканов (Камчатка), в связи с обрушением горных пород в крупные подземные пещеры, узкие глубокие долины, а также в результате мощных взрывов, производимых в строительных или военных целях. Разрушительное действие искусственных землетрясений невелико и они имеют местное значение.

Очаг зарождения сейсмических волн называется гипоцентром. По глубине залегания гипоцентра различают землетрясения: поверхностные - от 1 до 10 км глубины, коровые - 30-50 км и глубокие (плутонические) - от 100 - 300 до 700 км. Последние связаны с движениями, происходящими в глубинных зонах планеты. Наиболее разрушительными являются поверхностные и коровые землетрясения.

Непосредственно над гипоцентром на поверхности земли располагается эпицентр. На этом участке сотрясение поверхности происходит в первую очередь и с наибольшей силой.

Из гипоцентра во все стороны расходятся сейсмические волны (упругие колебания). Различают два основных типа волн: продольные и поперечные. Продольные волны обладают наибольшим запасом энергии и вызывают наибольшие разрушения. Кроме того, на поверхности земли от эпицентра во все стороны расходятся волны поверхностные, являющиеся по своей природе волнами тяжести (подобно морским валам). Эти волны несут малые запасы энергии.

На сейсмостанциях по величине сейсмического ускорения и относительного упругого смещения сферического маятника сейсмометра, определяют бальность землетрясения, которая связана с величиной энергии землетрясения нелинейной зависимостью.

Для определения сейсмически опасных районов проводится сейсмическое районирование территории страны, а в пределах сейсмически активных регионов выполняется детальное сейсмическое районирование территорий городов. Карты микросейсморайонирования используются при проектировании зданий и сооружений, прочность которых рассчитывается на максимальный балл возможного землетрясения.

От цунами страдают Японские, Индонезийские, Филиппинские и Гавайские острова, тихоокеанское побережье Южной Америки, Восточное побережье Камчатки и Курильские острова Иванов. И.П. Инженерная геодинамика. Учебник. Санкт-Петербург, 2001. 416 с..

Магматизм. Под магматизмом понимается совокупность геологических процессов, заключающихся в образовании и эволюции магмы в глубине земной коры и в подкорковой оболочке - мантии Земли - и перемещении ее к поверхности.

Магма представляет собой сложный расплав силикатов, насыщенный растворенными в нем газами. Как известно, температура Земли возрастает с глубиной и около 100 км от поверхности составляет 1300--1500° С. Можно было бы ожидать, что горные породы здесь расплавлены и твердая толща литосферы плавает на огненно-жидком субстрате. Однако данные геофизики неопровержимо свидетельствуют об отсутствии жидкого слоя, подстилающего литосферу. На глубине 100 км и более свободно распространяются не только продольные сейсмические волны, но и волны с поперечным направлением колебаний, которые в жидких средах невозможны.

Отсутствие жидкого состояния вещества объясняется возрастанием не только температуры, но и давления. Колоссальное давление в десятки тысяч атмосфер повышает температуру плавления горных пород на несколько сотен градусов и делает возможным нахождение их в твердом состоянии даже в условиях очень высокой температуры, которая имеет место на больших глубинах.

И тем не менее расплавы, из которых возникают горные породы, существуют. Об этом свидетельствуют не только особенности строения магматических горных пород и следы деятельности таких расплавов в геологическом прошлом, но и современные проявления магматизма на поверхности Земли в виде излияния лавы при вулканических извержениях.

Есть все основания предполагать, что, хотя непрерывная оболочка расплавленной массы отсутствует, но имеются изолированные очаги магмы. При наличии очень высоких температур и давлении возникает состояние вещества, близкое к неустойчивому. Сравнительно небольшое понижение давления на каком-либо участке влечет за собой переход вещества в жидкое состояние и образование очага магмы.

Непосредственное изучение магмы до сих пор еще невозможно, но на основании изучения различных магматических образований можно предполагать, что магма -- это сложный расплав-раствор преимущественно силикатного состава. В магме доминируют те же химические элементы, которые в основном слагают литосферу -- кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, калий, натрий. Преобладающими являются кислород и кремний.

Состав магмы сильно отличается от состава магматических горных пород в первую очередь значительным количеством легколетучих соединений -- паров воды и различных газов (хлористого и фтористого водорода, сернистых соединений, углекислого газа, хлористого аммония и др.). Эти соединения находятся в растворенном состоянии в магме благодаря огромному давлению. Они уменьшают вязкость магматического силикатного расплава, придают ему значительную подвижность, повышают растворимость в магме некоторых соединений, увеличивают агрессивность магмы по отношению к окружающим горным породам. Поступая в верхние горизонты литосферы или на ее поверхность, магма теряет летучие компоненты. Если давление снижается быстро (т.е. быстро осуществляется подъем магмы), то летучие вещества бурно выделяются и происходит вскипание магмы подобно тому, как бурно выделяется углекислый газ из газированной воды после откупоривания бутылки. Изливающаяся на поверхность магма, лишенная газов и паров, называется лавой.

Характер движения и глубина застывания магмы являются весьма важными показателями магматического процесса. Поэтому выделяют две его формы. В случае быстрого подъема магмы и излияния ее на поверхность говорят об эффузивном магматизме. Эффузивный магматизм также называется вулканизмом. Процесс, при котором внедрившаяся магма не достигает поверхности и застывает на той или иной глубине, называют интрузивным магматизмом. Интрузивный и эффузивный магматизм резко различаются по своим внешним проявлениям и по строению и составу возникающих горных пород.

Движение магмы к поверхности обусловлено, во-первых, гидростатическим давлением, а во-вторых, значительным увеличением объема вещества при уменьшении давления в поверхностных частях литосферы. При снижении давления газы, растворенные в магме, обособляются и занимают значительный объем. Примерные расчеты показывают, что магматическое вещество, содержащее 9--10% воды, при подъеме с 40 км к поверхности литосферы должно увеличить свой объем более чем в 1000 раз. Резкое увеличение объема начинается с глубин около 5 км от поверхности.

В процессе развития эффузивного магматизма магма прорывает земную кору и извергается на поверхность. При извержениях вулканов из магмы выделяется большое количество газов, находившихся в ней на глубине в растворенном состоянии. Магматическое вещество извергается или через трубообразные выводные каналы с образованием вулканических аппаратов центрального типа -- собственно вулканов, или из глубоких разломов земной коры. Вулканы представляют собой чаще всего конусы, образованные продуктами извержения, с кратером на вершине. Характер вулканических извержений и формы, создаваемые ими, многообразны. В одних случаях из кратера вулкана или из открытой трещины происходит относительно спокойное излияние лавы без или почти без газовых взрывов. Деятельность некоторых вулканов проявляется в исключительно мощных газовых взрывах. У многих вулканов сильные газовые взрывы сочетаются с извержением лавы. Указанные различия в значительной степени обусловлены степенью вязкости лавы, зависящей от ее состава.

Метаморфизм. Процессы изменения структурно-текстурных особенностей и минералогического состав горных пород в термодинамических условиях глубинных частей земной коры называются метаморфизмом. Эти процессы изменения происходят при сохранении самих пород и слагающих их минералов в твердом состоянии. Метаморфизм - сложный процесс, основными факторами его являются: высокая температура, давление, наличие подвижных соединений, например, воды или иона СО3 -. В зависимости от ведущего фактора различают следующие его типы: контактовый, динамометаморфизм, региональный.

Контактовый метаморфизм развивается на контакте между внедрившейся магмой и вмещающими ее горными породами. Воздействие высокой температуры, а также газов и паров воды ведет к коренному изменению вмещающих пород. Так возникают мраморы и кварциты, породы зернистой структуры.

При динамометаморфизме исходные породы преобразуются под действием высокого давления (4-14 тыс. атм), которое возникает в процессе горообразования или под весом вышележащих толщ. При этом возникают породы типа глинистых сланцев с характерной для них сланцеватостью.

Региональный метаморфизм проявляется на больших площадях и в глубине земной коры (10-15 км), в поясе метаморфизма, в котором с глубиной интенсивность проявления факторов метаморфизма возрастает.

Все метаморфические породы по структурно-текстурным признакам подразделяются на сланцеватые и массивные. Сланцеватость пород понижает их устойчивость на склонах, способствуя образованию подвижных осыпей. Среди метаморфических пород наиболее распространены гнейсы, сланцы, кварциты, мрамор Ананьев В.П., Потапов А.Д. «Инженерная геология» М, Высшая школа, 2005 г., - 511 с..

Вопрос №6

Экзогенные процессы порождаются силами, действующими на поверхности Земли: суточными и сезонными колебаниями температуры, энергией движущихся масс воды, льда и ветра, химическими и физико-химическими реакциями, протекающими при участии организмов. Важнейшими из экзогенных процессов являются: выветривание; водная, ледниковая и ветровая эрозия.

Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава пород физическими, химическими и органическими (биологическими) агентами. Физическое выветривание осуществляется такими агентами, как температура, замерзание и оттаивание воды в трещинах пород, химическое происходит под действием воды, кислорода воздуха, различных кислот, возникающих при разложении органических веществ. Органическое выветривание - разрушение пород корнями растений, лишайниками, различными макроорганизмами (черви, другие землерои) и микроорганизмами (бактериями, микроводорослями и др.) Иванов. И.П. Инженерная геодинамика. Учебник. Санкт-Петербург, 2001. 416 с..

Наибольшее значение имеют физическое и химическое выветривания, которые всегда действуют совместно, но в континентальном климате преобладает физическое выветривание, а во влажном, в особенности жарком, климате - химическое.

В результате воздействия разности температур породы могут дробиться до очень мелких частиц - до 0,01 мм в диаметре и мельче. Это способствует химическому разрушению и, прежде всего, растворению и прямомухимическому взаимодействию между частицами в присутствии воды.

Наиболее интенсивно идут процессы у поверхности земли, распространяясь на глубину до 5 -10 м и глубже, если для этого есть условия. К таким условиям относятся трещиноватость или пористость пород, способствующие проникновению агентов на глубину. Вся эта толща, где происходят указанные процессы и накапливаются продукты выветривания, называется корой выветривания.

Интенсивность процесса выветривания зависит не только от климатических условий, обводненности пород, химического состава поверхностных и подземных вод, трещиноватости, но и от минерального состава и структуры пород. Крупнозернистые полиминеральные породы легко разрушаются под воздействием температурных колебаний, так как слагающие их минералы часто имеют различный цвет, т. е. поглощают различное количество тепла, имеют различные коэффициенты расширения. Вследствие этого при нагревании на контактах между зернами создаются большие напряжения, что приводит к разрушению менее прочных минералов.

Химическое выветривание наиболее активно проявляет себя в растворимых породах, а также в породах, содержащих неустойчивые к процессам окисления и гидратации минералы. Например, пирит Ре82 легко окисляется в присутствии воды, переходя в гидроксиды железа - лимонит, гетит. Вода, содержащая в своем составе углекислоту, которая появляется в ней в результате окисления органических веществ, более интенсивно растворяет известняки и ускоряет химический процесс превращения полевых шпатов в глинистые минералы.

Наиболее устойчивы к процессам выветривания минералы кварц, мусковит, корунд, менее устойчивы кальцит, гипс, полевые шпаты, биотит и др.

Эрозионные процессы. Особую роль в геологической истории земной коры играют оледенения. Огромные площади на континентах в четвертичный период покрывались мощными толщами материковых льдов. В северном полушарии они двигались с севера на юг, наступая на материк, ломая скалы, сглаживая поверхность земли. Обломки пород размером от огромных валунов до глинистых частиц ледник двигал перед собой, нес на своей поверхности, волочил по поверхности земли. При потеплении климата он отступал, таял, оставляя эти обломки в виде скоплений, образующих положительные формы рельефа, называемые моренами; отложения, слагающие этот рельеф, называют моренными. Возникавшие при таянии ледников водные потоки разносили обломочный материал на большие расстояния, причем, чем дальше от края ледника, тем он был мельче. Так образовались обширные полосы гравийно-галечниковых, далее на юг - песчаных и затем пылевато-глинистых (лессовых) отложений, которые называются водно-ледниковыми, Эти отложения широко распространены в центре Русской равнины.

Большая роль в переносе мелких частиц, мелкозема, (< 0,1 мм) принадлежит ветру, или эоловому процессу. Эоловая аккумуляция в основном происходит на суше, в воздушной среде. К эоловым накоплениям относятся толщи большей части лессовых пород. Огромные площади в пустынях (Прикаспий, Кара-Кум и др.) заняты эоловыми песками, в том числе подвижными барханами. К подвижным эоловым формам относятся и формируемые ветром дюны на аккумулятивных побережьях морей (Прибалтика).Эоловые отложения высокопористы и сжимаемы, а лессовые породы обладают еще и просадочными свойствами.

Выдувание (дефляция) возникает в результате воздействия механической силы ветра. Это процесс иногда называют ветровой эрозией. От пород отрываются и уносятся частицы. Ветер выдувает котловины, борозды в солончаках, пылеватых суглинках, песках. Отдельные котловины выдувания в Казахстане достигают в длину 145 км, при ширине от 2 до 10 км и глубине от 100 до 142 м.

Ветер обычно переносит пыль, песок и даже гравий. Песчаные частицы, ударяясь о твердые породы, перетирают, сверлят и обтачивают их поверхность. Появляются борозды, желоба, углубления и другие формы микрорельефа. Этот процесс обтачивания получил название ветровой корразии. Она воздействует на поверхность отдельных форм рельефа подобно работе пескоструйного аппарата, применяемого в строительном деле.

Разрушительная работа текучих вод носит название водной эрозии. Их аккумулятивная деятельность приводит к образованию рыхлых пород, из вынесенных и отложенных в определенных условиях осадков.

После дождя (или таяния снега) вода растекается по поверхности земли в виде много численных микроструек, каждая из которых не имеет фиксированного пути. Образуется сплошной поверхностный поток, и разрушительное действие воды осуществляется на всей площади. Так происходит плоскостной смыв (или плоскостная эрозия), который ведет к увеличению пологости местности. Плоскостные потоки губительно сказываются на почвах, смывая верхний плодородный слой.

Русловые процессы. Совместная эрозионная и аккумулятивная деятельность русловых водных потоков - рек и ручьев называется флювиальными процессами. Разрушительная деятельность поверхностных потоков получила наименование речной эрозии, а процессы отложения разрушенных пород - аккумуляцией.

Флювиальные процессы представляют собой важнейшее звено в ходе миграции минеральных масс по поверхности суши к местам их аккумуляции во впадинах и морских бассейнах. Энергетической основой этих процессов является потенциальная энергия воды, стекающей под действием силы тяжести. Она прямо пропорциональна уклону ложа реки и расходу воды в единицу времени. Некоторая часть этой энергии воды тратится на размыв грунта и перенос твердого и растворенного материала в более пониженные места.

Работа текучей воды определяется кинетической энергией потока и зависит главным образом от скорости течения, которая прямо пропорциональна уклону ложа, а также от массы воды в потоке. Скорость течения зависит, кроме того, от шероховатости ложа, глубины и ширины потока. Главную роль, однако, играет уклон.

Эрозионная деятельность потоков представляет собой сложный процесс, включающий: снос водой обломочного материала; механическое разрушение горных пород в ложе потока и берегах; растворение водой встречающихся на ее пути растворимых пород.

Транспортирующая способность потоков зависит, прежде всего, от скорости течения воды. Так, при скорости течения 0,162 м/с начинает передвигаться по дну мелкий песок, при 0,216 м/с -- крупный песок, при скорости 0,975 м/с -- мелкая галька. На передвижение влияют также масса воды и турбулентность течения.

Переносимый водой обломочный материал образует так называемый твердый сток, играющий важнейшую роль в разрушительной работе потока. Основная часть этой работы связана с попутным процессом водной корразии, выражающимся в механическом истирании и царапании ложа потока влекомыми водой обломками. Однако при перегрузке потока твердым стоком размыв замедляется (так как на перенос затрачивается значительная часть кинетической энергии), и, наконец, эрозия может прекратиться, а затем смениться отложением наносов.

Первичным результатом эрозии является образование русла. Основным результатом всего эрозионного процесса является образование эрозионных долин, представляющих собой следствие длительного врезания русловых водных потоков в коренные породы водосборных площадей.

Различают два вида эрозии - глубинную и боковую. Глубинная эрозия характеризуется господством донного врезания потока, постоянно стремящегося углублять свое русло и долину. Боковая эрозия выражается в разрушении потоком бортов русла и долины, вследствие чего происходит расширение долины, возрастающее в зависимости от длительности развития процесса. Роль обоих видов эрозии на разных стадиях развития долины меняется, а в связи с этим меняется и форма долины.

Развитие флювиального процесса зависит от многих факторов, связанных с изменчивостью природных обстановок. Наиболее важные из них - особенности гидродинамики, гидрологический режим потока (периодические паводки), климатические условия и геологическое строение местности. Для горных рек определяющим в развитии русловых процессов является геологическое строение территории, для равнинных главенствующим является гидродинамика потока.

У равнинных рек продольные профили более выровнены. Они имеют вид волнообразной кривой с чередованием плёсов и перекатов.

Расположение плёсов и перекатов в плане тесно связано с излучинами русел равнинных рек, или меандрами. Плесы располагаются на выпуклой стороне излучины русла, несколько смещаясь вниз по течению от ее оси. На противоположной вогнутой ее стороне располагаются прирусловые (береговые) отмели. Перекаты размещаются по наиболее прямым отрезкам русла между плёсами. Поперечное сечение русла на плёсах становится резко асимметричным, на перекатах оно более симметрично, глубина реки здесь уменьшается.



Рис. Типы складок в поперечных разрезах. а- в прямые, б - косые(наклонные), в - опрокинутые, г - лежачие, д - перевернутые, е -изоклинальные, ж - веерообразные, з - сундучные, 1 - 11 возрастная последовательность пород (1 - наиболее древние, 11 - самые молодые). Сплошные прямые линии - положение в разрезах осевых поверхностей.

Складка это вид складчатого нарушения, изгиб слоя без разрыва его сплошности. В природе наблюдается большое разнообразие складок. Классифицировать их можно по разным признакам, но сначала следует остановиться на элементах единичной складки, часть которых может быть определена достаточно строго, а часть носит условный характер. В складке выделяются: крылья-пласты, боковые части складки, располагающиеся по обе стороны перегиба или свода; ядро - внутренняя часть складки, ограниченная каким-либо пластом; угол при вершине складки - угол, образованный продолжением крыльев складки до их пересечения; замок, или свод,- перегиб пластов; осевая поверхность - поверхность, делящая угол при вершине складки пополам; шарнир - точка перегиба в замке, или своде складки; шарнирная линия - линия пересечения осевой поверхности с кровлей или подошвой пласта в замке или своде складки. Осевая линия, или ось - линия пересечения осевой поверхности складки с горизонтальной поверхностью. Гребень - высшая точка складки, не совпадающая с шарниром в случае наклонных или лежачих складок.

...