При изучении этой темы необходимо ознакомиться с геологической работой ветра, рек, озер, морей, ледников. Геологическая деятельность этих процессов проявляется при разрушении горных пород, переносе продуктов разрушения и их отложении. В результате этой деятельности возникают новые породы, которые по составу и свойствам резко отличаются от материнских и часто образуют новые формы рельефа.

Следует рассмотреть процессы выветривания (физического, химического и биологического), в результате комплексного воздействия которых на горные породы формируются элювиальные грунты, характеризующиеся, как правило, сравнительно низкой прочностью. Необходимо уяснить их роль в подготовке рыхлых продуктов разрушений горных пород, переносимых позже ветром, текучими водами и т.д.

При изучении отложений, образованных в результате геологической деятельности указанных процессов, следует особое внимание обратить на закономерности их фациального изменения, состав и физико-механические свойства.

Задание

Объяснить условия образования отложений, взятых в соответствии с номером варианта из таблицы 3. Составить инженерно-геологическую характеристику грунтов, наиболее часто встречающихся среди этих отложений.

Таблица 3

Озерными называются отложения, возникшие в озерном бассейне. Материал, из которого они формируются, поступает из рек, впадающих в озеро, а также за счет размыва берегов озерными волнами. Озерные отложения представлены преимущественно тонкозернистыми осадками, сапропелем и диатомитом в пресноводных озерах, карбонатами, сульфатами, хлоридами и глиной - в соленых.

Озерные отложения формируются из двух основных источников.

1. Органогенные минеральные и органические отложения. Минеральные - образуются в озерах в результате накопления на дне их твердых скелетных частей организмов. Значительно шире распространены кремнистые озерные органогенные отложения -- озерные трепела, или диатомиты весьма характерные для многих пресных озер областей с влажным умеренным климатом. Они представляют собой скопления мельчайших кремневых скорлупок одноклеточных диатомовых водорослей, населяющих толщу озерных вод. Еще более широко распространены в пресных озерах чисто органические осадки -- гнилостные илы (сапропели, сапроколлы). Они образуются за счет отмирания мелких животных и растительных организмов, обитающих в озерных водах умеренного климата и после смерти падающих на дно. По мере накопления толщи озерных отложений полужидкий сапропель уплотняется и превращается в черно-коричневую плотную, но очень легкую породу с раковистым изломом - сапроколлу.

2. Вынос аллохтонного вещества (внешнего по отношению к озерной системе). Обеспечивает поступление в водоем неорганических частиц и некоторых органических веществ. Эти компоненты образуют свежие донные отложения в форме крупных частиц в местах впадения рек в озера. Более мелкие частицы осаждаются в открытых акваториях озер. Дождливая погода увеличивает перенос наносов и эрозию, формируя толстый горизонт отложений крупнозернистой фракции. В сухой сезон в осадках преобладает органическое вещество, образующее тонкий темный слой мелкозернистой фракции.

3. «Дождь» отмершего органического вещества из водных масс озера. Озерные отложения становятся мелкозернистыми и более богатыми органическим веществом ближе к центральной части озера, поскольку волнение на мелководье постоянно взмучивает озерные отложения. Прибрежные отложения - обычно более крупные фракции, промытый песок. Однако там, где присутствуют водные растения, они снижают развитие волнового перемешивания, способствуя накоплению мелкозернистых органических отложений с высоким содержанием органического вещества вследствие разложения макрофитов в естественных условиях.

Состав озерных отложений подчинен климатической зональности. В областях с холодным климатом отлагается обломочный песчано-глинистый материал, иногда с ленточной слоистостью; в озёрах умеренного пояса вместе с обломочным материалом накапливаются железо ("бобовые" руды), кремнезём (диатомиты), карбонат кальция, органическое вещество (торф, сапропель и др.). В засушливых областях, где распространены солоновато-водные и солёные озёра, отлагаются карбонаты, галит, гипс, а в бессточных озёрах -- доломитовые осадки, иногда сода. В пресных озерах умеренного пояса химическим и биохимическим путем нередко осаждаются окислы железа, выносимые грунтовыми и почвенными водами как продукты выветривания горных пород. Они образуют обычно округлые конкреционные образования типа оолитов или, как их иначе называют, бобовин. В озерах тропической зоны, где химическое выветривание более интенсивно могут возникать залежи алюминиевых руд, или бокситов, с бобовой текстурой. Железо оседает не только в озерах, но и в болотах (болотная руда), а иногда под дерном заболоченных лугов (дерновая руда). Здесь его осаждению в форме лимонита способствует растительность, вокруг корешков и стеблей которой часто образуются, наряду с бобовинами, железистые корочки.

Вопросы для самопроверки

1. Виды выветривания горных пород. Значение выветривания горных пород для при образовании месторождений и ведении шахтного строительства.

Выветривания - это разрушение и изменение состава грунтов под воздействием различных агентов, среди которых основную роль играют колебания температур, замерзание воды, кислоты, щелочи, углекислоты, ветер, организмы и т.д.

Выветривания бывают: физическое, химическое и органическое

Физическое выветривание - механическое дробление пород почти без изменения их минералогического состава. Это происходит в результате колебания температур, замерзания воды,

Весьма интенсивно выветриваются наружные части зданий и сооружений, особенно в местностях с сухим резко континентальным или холодным климатом.

Химическое выветривание изменяет состав пород. Активные реагенты - вода, кислород, углекислота и органические кислоты.

Биологическое (органическое) выветривание проявляется в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений и играет ведущую роль в образовании почв. При выветривании пород изменяются их физико-механические свойства, снижается устойчивость оснований сооружений, возникают откосы, подземные выработки и т.д.

Строение и мощность измененных выветриванием пород (коры выветривания) зависят от условий и факторов выветривания, продолжительности этого процесса, а также от интенсивности процессов сноса и аккумуляции элювиальных отложений. Кора выветривания формируется двумя стадиями процесса выветривания -- разрушением и строением, происходящими попеременно. С точки зрения изменения инженерно-геологических условий территорий и возможной опасности их освоения можно утверждать, что разрушительный эффект преобладает. Основные результаты выветривания - это -- разрушение и разложение материнских пород, выщелачивание и вымывание части этих пород, изменение состава и минерализации поровых и трещинных вод, формирование новых минералов и пород. Подготовленный новый тип континентальных отложений (элювий) проходит через несколько стадий изменения и приобретает свои специфические черты. Среди них наиболее характерными являются (Ярг, 1991):

-- различные формы геологических тел и различные условия их залегания, обусловленные типом коры выветривания (площадной или линейной);

-- невыдержанное по мощности и простиранию зональное строение без четких границ между отдельными разновидностями пород;

-- постепенное приобретение черт осадочных пород, формирующихся в приповерхностной части литосферы в результате ее взаимодействия с внешними сферами и космосом. При этом в отдельных горизонтах элювия сохраняются многие характерные черты материнских пород: минеральный и химический состав, структура, текстура, трещиноватость, пористость и др.;

-- наличие в сравнительно маломощной толще элювиальных отложений большого разнообразия пород по составу, состоянию и свойствам, от трещиноватой прочной скалы до влажной пластичной водонепроницаемой глины.

2. Охарактеризуйте мероприятия, необходимые для защиты горных пород от выветривания.

Мероприятия по борьбе с выветриванием разделяют на две группы, связанные соответственно с периодами строительства и эксплуатации сооружений.

В период строительства проводят такие работы, как съем почвы до невыветрелой породы, либо укрепления ее различными способами.

В период эксплуатации зданий и сооружений применяют различные мероприятия:

· Покрытие горных пород непроницаемыми для агентов выветривания материалами (гудроном, бетоном, цементным раствором, суглинком, глиной);

· Пропитка пород различными веществами (жидким стеклом, гудроном, цементом, глиной и др.);

· Нейтрализация агентов выветривания (применяется редко из-за практического неудобства и дороговизны применяется редко);

· Планировка территорий и отвод вод (поверхностные воды отводят различного рода ливнестоками, нагорными канавами).

Строительные материалы и изделия необходимо изолировать от влияния процессов выветривания различными покрытиями - красками, лаками, штукатуркой, жидким стеклом, органическими пленками и т.п. В строительстве стремятся использовать камень устойчивый к выветриванию.

3. Как образуются делювиальные отложения? Как изменяются мощность, состав и физико-механические свойства делювиальных отложений вниз по склону?

Делюмвий (делювиальные отложения, делювиальный шлейф; от лат. deluo -- «смываю») -- скопление рыхлых продуктов выветривания горных пород у подножия и у нижних частей возвышенностей.

Делювием или делювиальными отложениями в геологии называют отложения, образующиеся на склонах и у подожья гор при плоскостном смыве дождевыми и талыми водами продуктов разрушения горных пород, залегающих выше по склону. Однако в инженерно-геологической практике под делювием понимают разнообразные продукты выветривания - от глин и песков до больших глыб, смытых вниз по склону дождевыми и талыми водами, сползших под влиянием силы тяжести, морозного сдвига и текучести грунта. Крутизнa склонов обычно состaвляет от 2 - 4є до 10 - 12є. Тонкие, переплетaющие струйки, густой сетью покрывaющих всю поверхность склонов, предстaвляют собой миниaтюрные водные потоки глубиной от 2-3 до 10 ? 25 см. Во время ливневых дождей, в связи с неровностями рельефa они то сливaются друг с другом, то рaзобщaются, имитируя бифуркaцию потоков. Энергия тaких струек очень мaлa, однaко и они в состоянии проводить большую рaботу, смывaя мелкие чaстицы продуктов выветривaния и отлaгaя их у подножья склонов.

Мощность делювия увеличивaется вниз по склону от долей метрa до 5 - 10 м и более. В делювиaльных отложениях нногдa нaблюдaется тонкaя пaрaллельнaя склону слоистость, отчетливaя в более грубых и скрытaя в более тонких породaх

Состав делювия зависит от состава коренных пород, слагающих водоразделы и склоны, и от крутизны склонов. На пологих склонах, сложенных слабоустойчивыми против выветривания породами -- глинами, глинистыми сланцами, глинистыми песчаниками, мергелями, известняками и другими породами, -- делювий более глинистый, более однородный по гранулометрическому составу, содержит небольшое количество грубых примесей. На крутых склонах, сложенных породами, более устойчивыми против выветривания, делювий менее глинистый, менее однородный по гранулометрическому составу и более грубый. В той же зависимости находится и изменение мощности делювиальных отложений: на пологих склонах она обычно большая, на крутых незначительная, но всегда увеличивается по направлению от водораздельных участков к основаниям склонов, где часто образуются мощные шлейфы, под которыми оказываются погребенными другие комплексы отложений и формы рельефа, например террасы, сложенные аллювиальными отложениями.

4. Какие условия необходимы для возникновения селевых потоков? Виды селей и методы борьбы с ними. Виды пролювиальных отложений, их состав и физико-механические свойства.

Основными условиями развития селевых потоков являются:

1) большая площадь водосборного бассейна горной реки;

2) накопление на водосборной площади и в руслах водотоков достаточного количества рыхлых продуктов выветривания;

3) продолжительные обильные дожди после засушливого периода или бурное снеготаяние; реже - прорыв вод из естественных или искусственных водоемов (моренных озер, водохранилищ и др.).

Значительное влияние на образование селей может оказывать инженерно-хозяйственная деятельность человека, и в первую очередь оголение горных склонов путем хищнической вырубки лесов и уничтожения кустарников.

Сель (селевый поток) -- бурный грязевый или грязекаменный поток, состоящий из смеси воды и обломков горных пород, внезапно возникающий в бассейнах небольших горных рек.

Для борьбы с селями закрепляют поверхность земли посадками леса, расширяют растительный покров на горных склонах, особенно в местах зарождения селя, периодически пропускают воду с горных водоемов, устраивают противоселевые плотины, дамбы и другие защитные сооружения.

Активное таяние снега понижают, устраивая дымовые завесы с помощью дымовых шашек. Через 15-20 минут после задымления температура приземного слоя воздуха понижается, и сток воды уменьшается наполовину. Эрозионный поверхность земля закрепление

Уровень воды, скопившейся в моренах (горных озерах) и селехранилищах, уменьшают с помощью насосных установок. Кроме того, в борьбе с селями широко применяют такие простейшие сооружения, как ваты, канавы и террасы с широким основанием. Наиболее радикальным средством является лесонасаждение на селеопасных горных склонах. Лес регулирует сток, уменьшает массу воды, рассекает потоки на отдельные ослабленные струи. В зоне водосбора нельзя вырубать лес и нарушать дёрновый покров. Здесь же целесообразно повышать устойчивость склонов террасированием, перехватывать и отводить воду нагорными канавами, земляными валами.

Для защиты дорожных сооружений наиболее рациональны селеспуски в виде железобетонных и каменных лотков, пропускающих сели над сооружениями или под ними.

Для своевременного принятия мер, организации надежной защиты населения первостепенное значение имеет четко организованная система оповещения и предупреждения. В районах, которым угрожает сель, создается противоселевая служба. В ее задачи входят прогноз селя, и информирование населения о времени его появления. При этом заранее предусматриваются маршрут, по которым население эвакуируется в более возвышенные места. Туда же, если позволяет время, угоняется скот и выводится техника.

В случае захвата человека движущимся потоком селя необходимо оказать ему помощь всеми имеющимися средствами. Такими средствами могут быть шесты, канаты или веревки. Выводить спасаемых людей из потока нужно по направлению потока с постепенным приближением к его краю.

Пролювий как определенный генетический тип континентальных отложений, так же как и делювий, впервые был выделен А.П. Павловым. Петрографически пролювиальные отложения могут быть самого различного состава -- песчано-галечными, валунно-глыбовыми и глинистыми.

Как указывал В.А. Приклонский, среди пролювиальных осадков можно выделить два типа с различными физико-механическими свойствами:

1) неотсортированные или плохо отсортированные, состоящие из глыб, щебня, валунов и гальки, часто плохо окатанных, с песчаным, супесчаным или суглинистым заполнителем;

2) отсортированные пылевато-глинистые отложения, лёссовидного облика, нередко обладающие характерными свойствами типичного лёсса.

Эти два типа пролювиальных отложений нередко бывают связаны между собой серией переходных разностей. В устьях горных рек, где горные потоки, выходя на предгорные равнины или в межгорные депрессии, резко изменяют скорость своего течения, нагромождается грубый, слабо-окатанный материал, в котором, как правило, отсутствует сортировка. В нем нередко встречаются крупные глыбы и валуны; органические остатки, в частности растительные, здесь редки.

5. В чем заключается геологическая деятельность рек? Как образуются речные долины? Виды аллювиальных отложений, их состав и физико-механические свойства. Образование россыпных месторождений полезных ископаемых.

Реки - это постоянные водные потоки. Их геологическая деятельность, по сути, соответствует линейной эрозии текучих вод.

Геологическая деятельность рек складывается из эрозии плотных горных пород и рыхлых наносов, по которым протекает река, переноса продуктов эрозии и их осаждения.

Эрозионная работа рек. Различают эрозию донную, или глубинную, направленную на врезание потока в породы, слагающие дно русла, и боковую, ведущую к подмыванию и разрушению берегов и в целом к расширению долины.

Под влиянием донной эрозии но мере углубления дна долины вырабатывается продольный профиль равновесия. Выработка профиля равновесия идет неравномерно, т.к. породы, по которым протекает река, неодинаковы по твердости. В местах выхода очень твердых пород глубинная эрозия замедляется и здесь возникают пороги и водопады. Пороги представляют собой как бы перемычки из более твердых пород в русле реки, благодаря чему течение здесь становится быстрым и бурным. Водопады возникают там, где в русле реки образуются крутые, почти отвесные уступы, с которых поток низвергается вертикально вниз.

Речные долины образуется обычно в результате эрозионной деятельности текучей воды. Речная вода, смывая берега и подошву, образует речную долину.

Аллювиальные отложения представлены суглинком, песками пылеватыми и гравелистыми. Отложения, формирующиеся постоянными водными потоками в речных долинах. По характеру осадков и месту их накопления речные отложения делят на: дельтовые, русловые, пойменные и старичные. Пойменный аллювий откладывается в период паводка и представляет собой суглинки различного состава, глины и мелкозернистые пески. Русловые отложения в долинах крупных рек служат хорошим основанием для мостовых переходов. Наиболее слабыми из аллювиальных отложений являются иловатые старичные.

С эрозионной и аккумулятивной деятельностью рек связано образование россыпных месторождений полезных ископаемых (аллювиальных россыпей). Реки, размывая горные породы в рудных районах, одновременно размывают и вкрапленные в породы ценные минералы, рудные жилы, рудные залежи и пр.

Значительная часть ценных компонентов исчезает при транспортировке их рекой (перетираются, растворяются, рассеиваются), но некоторая их часть задерживается в долине и при благоприятных условиях может образовать высокие концентрации, которые экономически выгодно разрабатывать. Такие скопления ценных минералов в речных отложениях называют аллювиальными россыпями полезных ископаемых или россыпными месторождениями. К числу характерных минералов россыпных месторождений относят только устойчивые и тяжелые, такие как золото, платина, шеелит, вольфрамит, оловянный камень, алмазы и некоторые другие. Легкие минералы не могут дать промышленных концентраций. Они выносятся за пределы бассейна или рассеиваются в массе аллювия. Неустойчивые минералы исчезают в процессе транспортировки. В этом отношении характерен молибденит -- тяжелый (плотность 4.7--4,8 г/см3), но очень мягкий минерал (твердость 1--1,5). Он встречается в аллювии лишь в непосредственной близости от коренных выходов и быстро исчезает по мере удаления от них. Вообще формирование россыпных аллювиальных месторождений достаточно сложно и требует сочетания ряда благоприятных условий. Поэтому присутствие в наносах реки полезных минералов еще не означает, что данные минералы образуют россыпное месторождение. Они лишь указывают на возможность наличия месторождения.

6. В чем заключается геологическая работа волн, возникающих на поверхности воды? Виды морских отложений, их состав и физико-механические свойства.

Волны, воздействуя на берега, с одной стороны, разрушают их, а с другой - способствуют аккумуляции материала, формируя широкие и протяженные пляжи.

Если волна подходит к обрывистому берегу и пляжи отсутствуют или они очень узкие, то она всей своей массой обрушивается на берег, разрушая его под воздействием ряда факторов:

1) удара многотонной массы воды, содержащей песок, гальку и даже валуны;

2) сжатия воздуха в порах и полостях породы, который разрывает их, подобновзрывчатому веществу. Сила удара крупных волн достигает десятков тонн на м2, что способно разрушить прочные породы и бетонные сооружения набережных, пристаней, молов. Многократные удары волн в конце концов выбивают нишу в основании крутого берега, называемую волноприбойной. Когда ниша становится слишком глубокой - нависшие над ней части крутого склона обрушиваются, обломки раздробляются волнами и превращаются в гальку и песок. В тоже время начинает формироваться новая волноприбойная ниша и берег отступает

К Морские отложения относятся большинство известняков, доломитов, мергелей и кремнистых пород, значительная часть глин и аргиллитов, алевролитов, песчаников, конгломератов, а из полезных ископаемых -- многие железные и марганцевые руды, большинство фосфоритов, горючие сланцы и др. Многие метаморфические горные породы (гнейсы, сланцы, мраморы) первоначально накапливались как Морские отложения.

Образуются основные типы Морские отложения -- терригенные, биогенные, хемогенные и вулканогенные.

Глубоководные Морские отложения, накапливающиеся главным образом в котловинах глубоких морей, преимущественно тонкозернистые (глины, алевриты, известковые и кремнистые илы), но встречаются и пески, отложенные придонными течениями.

Ископаемые Морские отложения распознаются по содержащимся в них остаткам или следам жизнедеятельности морских организмов.

Массы Морские отложения, их состав и распределение на поверхности Земли зависят в первую очередь от тектонического режима и климатических условий.

7. Объясните геологическую деятельность ледников. Как образуются ледниковые и ледниково-речные отложения? Их состав и физико-механические свойства.

Геологическая деятельность ледников складывается из взаимосвязанных процессов разрушения горных пород подледникового ложа с образованием разнородного обломочного материала, переноса материала и его аккумуляции.

Разрушительная деятельность ледников называется экзарацией (от лат. «exaratio» -- выпахивание). Экзарация заключается в механическом отрыве глыб от ледникового ложа и разрушении ложа вмерзшими в движущийся лед обломками горных пород. Вероятно, движение ледника сопровождается подлёдным морозным выветриванием коренных пород ложа. Под воздействием выделяемой из-за трения теплоты нижние слои льда частично плавятся, образовавшаяся вода может проникать в трещины пород и, вновь замерзая, [Морена поверхностная] разрушать последние (оказывая расклинивающее воздействие на стенки трещин).

Ледниковое отложение -- геологические отложения, образование которых генетически связано с современными или древними горными ледниками и материковыми ледниковыми покровами. Подразделяются на собственно ледниковые (гляциальные, или морена) и водно-ледниковые. Собственно ледниковые отложения возникают путём непосредственного оседания на ложе ледника обломочного материала, переносимого в его толще. Слагаются несортированными рыхлыми обломочными горными породами, чаще всего валунными глинами, суглинками, супесями, реже валунными песками и грубощебнистыми породами, содержащими валуны, щебень, гальку.

Водно-ледниковые отложения образуются внутри и по периферии ледников из отсортированного и переотложенного талыми водами моренного материала. Среди них различают ледниково-речные, или флювиогляциальные, отложения -- отложения потоков талых вод (косослоистые пески, гравий, галечники) и озёрно-ледниковые (лимно-гляциальные) отложения внутри- и приледниковых озёрных водоёмов (например, ленточные глины).

Все типы ледниковых отложений образуют сложные сочетания (ледниковые комплексы или ледниковые формации). Особенно характерны они для самой молодой четвертичной (антропогеновой) системы, во время образования которой обширные материковые ледники покрывали громадные площади в пределах современных умеренных поясов. Среди отложений верхнего протерозоя, венда, верхнего палеозоя, ордовикской системы и докембрия также известны древние ледниковые отложения, обычно сильно уплотнённые, сцементированные, а иногда и метаморфизованные (тиллиты).

Ледниково-речные (флювиогляциальные) отложения (зандры) образуются потоками, текущими из ледника, и состоят главным образом из гальки, гравия, песка, глины. При исследовании этих отложений важно:

а) выяснить число ледниково-речных террас, их соотношение с конечными и стадиальными моренами и с террасами оседания и камовыми террасами; определить их высоту над дном долины, состав отложений, изменение состава и высоты вдоль по долине для всех террас (методику описания террас см. в гл. VI);

б) изучить разрезы ледниково-речных отложений, то есть переслаивание с моренными отложениями, и установить наличие почвенных горизонтов. Это легче всего проследить в оврагах и ущельях маленьких речек-притоков. Несколько таких разрезов в отдельных частях долины могут дать ценный материал для хронологии оледенения, колебаний ледника, числа фаз и эпох оледенения;

в) в долинах древних ледников ледниково-речные отложения изучаются главным образом в разрезах террас, так как на дне они размыты или перекрыты современными отложениями; у современных ледников можно изучать их на дне долины, установить их форму и площадь, выяснить, как распределяется материал по величине и окатанности в зависимости от переноса; зарисовать расположение русел и промежуточных гребней. Приблизительно в 5--10 км от конца ледника ледниково-речные отложения не отличаются от обычных речных, но ледниковые валуны могут выноситься на десятки километров вниз по долине. При таянии глыб льда образуются ямы-котлы, заполненные иногда более тонкозернистым материалом.

Сейчас льды занимают 10 % поверхности суши, 98,5 % полярные области и 1,5% - высокие горы. Различают 3 типа ледников: горные, плоскогорий и материковые. Горные ледники образуются высоко в горах на вершинах, в ущельях, впадинах, различных углублениях. Ледники плоскогорий залегает сплошной массой и по ущельям спускаются в виде языков. Материковые ледники залегают сплошным покровом в Антарктиде (4200 м), Гренландии (>2400 м) и в других местах. Скорость движения льда к океану в Гренландии составляет 4 - 38 м/сут. На побережье льды раскалываются, и огромные глыбы (айсберги) ветром и течениями уносятся в открытый океан.

Разрушительная работа ледников. При своем движении лед под действием тяжести и вмерзших в него обломков истирает и вспахивает поверхность земли, создавая котловины, рытвины, борозды. При толщине ледника 100 м на его ложе давит 920 МПа. В результате обработки льдом образуются округленные формы скал в виде «бараньих лбов», «курчавых скал», «штрихованных валунов» и т. д.

Основы структурной геологии

При изучении этого раздела следует понять, что земная кора состоит из различных по форме, прилегавших друг к другу тел, сложенных разными горными породами. Основными структурными элементами земной коры являются платформы и геосинклинали. Студент должен четко уяснить различия в их строении и развитии.