ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ГЕОЛОГІЇ 1 страница

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до самостійної роботи студентів з дисципліни „Інженерна геологія”

за спеціальностями 6.092100; 6092600

(ч. 1. Основи загальної геології)

Дніпропетровськ, 2006

Методичні вказівки до самостійних занять з курсу „Інженерна геологія” ч. I. Основи загальної геології. Для студентів дістаційної форми навчання спеціальностей 6.092100; 6092600/ Укладачі: Л.Г. Любіч, Г.М. Левченко, С.М. Горлач. – Дніпропетровськ: ПДАБА, 2006. -55 с.

До першої частини методичних вказівок входять основні відомості про походження, будову і склад Землі, властивості мінералів і гірських порід, що складають верхню частину земної кори.

Укладачі: Л.Г. Любіч, кандидат технічних наук, доцент кафедри

О та Ф ПДАБА;

Г.М. Левченко, кандидат технічних наук, доцент кафедри

О та Ф ПДАБА;

С.М. Горлач, кандидат технічних наук, доцент кафедри

О та Ф ПДАБА;

,

Відповідальний за випуск: В.Б. Швець, доктор технічних наук, професор, зав. кафедрою О та Ф ПДАБА

Рецензент: С.І. Головко, кандидат технічних наук, доцент кафедри О та Ф ПДАБА

Затверджено на засіданні

кафедри О та Ф

Протокол № 5 від 9.11.2006 р.

Зав. кафедрою О та Ф, Швець В.Б.

Затверджено на засіданні

Президії методичної ради ПДАБА

Протокол № 3(44) від 25.01.2007 р.

Зміст

ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ГЕОЛОГІЇ

Передмова.

Основою кожної інженерної споруди є гірські породи, які у взаємодії з фундаментами суттєво впливають на надійність експлуатації будівлі. Для підземних споруд гірські породи слугують за навколишнє середовище. Від складу гірських порід, їх будови, стану, властивостей, а також від умов залягання залежить вибір конструкції споруди, методи проходки і кріплення котлованів, підземних виробок, застосування заходів щодо зменшення негативної дії небезпечних геологічних процесів і явищ.

Знання з інженерної геології необхідні будівельникам для забезпечення надійної роботи будівель і споруд у складних природних умовах із дотриманням сучасних вимог раціонального використання і охорони довкілля та високого рівня техніко-економічної ефективності будівництва.

Фахівець з основ та фундаментів повинен добре знати інженерно-геологічні особливості головних генетичних комплексів гірських порід і типові для них геологічні процеси, що відбуваються внаслідок дії різноманітних природних та техногенних чинників. Інженер повинен володіти головними принципами і методами вивчення гірських порід, геологічної будови основ, гідрогеологічних умов і геологічних процесів.

Інженер-будівельник повинен вміти:

- розпізнавати виявлені при розробці котловану гірські породи і прояви небезпечних геологічних і інженерно-геологічних процесів;

- оцінити розходження фактичного геологічного розрізу в конкретних природних умовах із вказаним в матеріалах проекту фундаментів;

- при проектуванні певного об’єкта аналізувати і читати головну інженерно-геологічну документацію з метою вибору місця для будівництва;

- давати оцінку інженерно-геологічних умов району і прогноз їх зміни за час будівництва і експлуатації споруд;

- складати на основі первинної інженерно-геологічної документації узагальнену характеристику інженерно-геологічних та гідрогеологічних умов будівельного майданчика;

- обґрунтувати головні проектні рішення з основ і фундаментів із урахуванням взаємодії їх з довкіллям і запропонувати заходи щодо його охорони;

- установити склад додаткових інженерно-геологічних досліджень, необхідних для проектування конкретних споруд.

Завданням нашої дисципліни є вивчення трьох головних розділів: геології, гідрогеології та безпосередньо інженерної геології.

Геологія – це наука про Землю, її будову, склад, історію розвитку та процеси, що відбуваються на її поверхні і в надрах.

Гідрогеологія – наука про підземні води, іх походження, класифікацію, закони руху.

Інженерна геологія – це наука, що вивчає властивості гірських порід як основи будівель і споруд (розділ „грунтознавство”) та фізико-геологічні процеси і явища, які впливають на умови будівництва і експлуатації (розділ „геодинаміка”).

До складу курсу входять також відомості із мінералогії (науки, що вивчає природні сполуки, однорідні за хімічним складом та фізичними властивостями), петрографії (науки про гірські породи, їх походження, класифікацію, властивості) і геоморфології (науки про стародавні та сучасні форми рельєфу).

Інженерна геологія виникла із загальної геології. Сама ж геологія сформувалася в самостійну науку в кінці ХVШ століття. Її засновниками були загальновідомі вчені - М. В. Ломоносов (1711-1765р.р), Д. Геттон (1726-1797), Ч. Ляйєль (1797-1875) та інші. Серед вітчизняних вчених значний внесок зробили вчені В.М. Севергін, А.П.Карпінський, Е. С. Федоров, А. Е. Ферсман, В. А. Обручев та інші.

Засновником інженерної геології був академік Ф. П. Саваренський (1881-1946), велику роль в становленні цієї науки зіграли також праці М. М. Філатова, А. Ф. Лебедева, В. В. Охотіна та ін.

Розвиток інженерної геології як самостійної галузі загальної геології почався в XIX столітті і мав три етапи:

1. Друга половина XIX століття.

2. 20…30-ті роки XX століття.

3. Період після Великої Вітчизняної війни.

Перший етап. В другій половині XIX та на початку XX століття в країні набуло значного розвитку будівництво залізниць, зокрема через Кавказький хребет, Сибір, Закаспій. Значна протяжність доріг, перетин ними територій з різноманітними природними умовами дали можливість накопичити велику кількість геологічних даних. Будівельники вперше познайомились з багатьма геологічними процесами - зсувами, карстом, обвалами і т. ін. Геологія почала застосовуватися для вирішення конкретних завдань будівельників.

Другий етап. Після відновлення зруйнованого народного господарства в країні в 20…30-х роках почалося величезне будівництво - гідротехнічне, промислово-цивільне та ін. Будувалися зрошувальні канали Середньої Азії, Дніпровська гідроелектростанція в Запоріжжі, судноплавні канали - Біломоро-Балтійський та Москва-Волга, велетенські промислові об'єкти в Харькові, металургійні комбінати на Дніпропетровщині

На цьому етапі інженери-геологи перейшли від якісної до кількісної оцінки властивостей гірських порід. З'явилися перші нормативи і технічні умови будівництва в складних природних умовах (в умовах вічної мерзлоти, на просадкових ґрунтах та ін.). Вийшли з друку перші книги з інженерної геології.

Третій етап. В країні відбувається велике будівництво. Це гідроелектростанції на Дніпрі, Волзі, ріках Сибіру, нові залізничні та автомобільні шляхи, міста, промислові об'єкти. Все це вимагало подальшого розвитку інженерної геології. На цьому етапі розвитку в інженерну геологію значний внесок зробили такі вчені як І. В. Попов, М. М. Маслов, М. Я. Денисов, А. К. Ларионов, В. П. Ананьєв і багато інших.

Сучасна інженерна геологія вивчає природні геологічні умови місцевості до початку будівництва, а також ті зміни, котрі відбуваються в довкіллі внаслідок будівництва та експлуатації споруд. В наш час жодна будівля чи споруда не може бути запроектована без відповідних інженерно-геологічних досліджень. Це визначає головні задачі інженерної геології.

1) вибір місця, найсприятливішого в інженерно-геологічному відношенні, для спорудження певної будівлі;

2) оцінка інженерно-геологічних умов території (вивчення геологічних умов, визначення фізико-механічних властивостей грунтів основи, виявлення небезпечних геологічних процесів) з метою вибору найбільш раціональних типів і конструкцій фундаментів і споруд;

3) рекомендації необхідних заходів щодо інженерного поліпшення вибраної території.

1.2. Загальні відомості про Землю.

1.2.1. Походження Землі.

Сонячна система складається із Сонця, 9 великих планет і десятків тисяч малих планет, комет і метеоритів.

Питання про походження Землі - одне з найважливіших в природознавстві. Першою гіпотезою про походження планет була гіпотеза Канта-Лапласа, згідно з якою Сонячна система утворилася з величезної розжареної газоподібної туманності, що оберталася навколо своєї вісі. Земля спочатку була в рідкому стані, потім затверділа.

Подальший розвиток науки показав непереконливість цієї гіпотези. В 40-х роках XX століття російський вчений О. Ю. Шмідт (1891-1956) запропонував нову гіпотезу походження планет Сонячної системи. Він вважав, що Сонце на своєму шляху зустріло і захопило одне з пилових скупчень Галактики, а отже, планети утворилися не із розжарених газів, а з холодних твердих часток, які оберталися навколо Сонця. В цьому скупченні виникли ущільнені згустки матерії, що поклали початок планетам. За ствердженням О. Ю. Шмідта Земля спочатку була холодною. Надра її почали поступово розігріватися лише тоді, коли вона досягла значних розмірів. Це відбувалося за рахунок виділення тепла внаслідок розпаду радіоактивних речовин, що містяться в ній, хімічних реакцій, тертя при тектонічних рухах і т. ін. Надра Землі набули пластичного стану, щільніші речовини зосередились ближче до центру планети, легші - на поверхні. Відбулося розшарування Землі на окремі оболонки; воно продовжується до цього часу і є головною причиною тектонічних рухів.

Заслуговує уваги також гіпотеза В. Г. Фесенкова, який вважав, що в надрах зірок відбуваються ядерні процеси. В один із періодів це призвело до швидкого стиснення і збільшення швидкості обертання Сонця, внаслідок чого утворився довгий протуберанець (виступ), який відірвався від Сонця і розпався на окремі планети.

1.2.2. Форма і будова Землі. Геосфери Землі.

За формою Земля схожа на кулю, сплющену біля полюсів. Таку форму називають сфероїдом, але, оскільки поверхня Землі ускладнена глибокими океанічними западинами і високими гірськими системами на материках, цю дійсну, притаманну тільки Землі форму, називають геоїдом. Довжина земного меридіану складає 40008,548 км, довжина екватору - 40075,7 км. Відстань від полюсу до центра Землі - 6356км, від екватору – 6378км, середній радіус кулі, рівновеликої Землі, дорівнює 6371,11 км. Різниця між екваторіальним і полярним радіусом складає 21,5 км. Загальна площа поверхні Землі - 510 млн. км², із них площа суходолу - 149 млн. км² (28,8%), площа води - 361 млн. км² (71,2%). Об’єм Землі – 1,083х10¹²км³. Вік Землі за даними радіологічних методів складає 4,5 млрд. років.

Знання внутрішньої будови Землі має велике наукове і практичне значення, грунтуючись на вивченні землетрусів, визначенні маси і щільності Землі вважають, що наша планета має концентричну будову і складається із ядра, мантії і літосфери (див. рис. 1). На поверхні Землі знаходиться водяна оболонка (гідросфера), сфера життєдіяльності організмів (біосфера) і газова оболонка (атмосфера). Щільність внутрішніх геосфер зростає у напрямку до ядра.

Рис. 1. Схема будови Землі.

Ядро Землі займає біля 17% її об’єму і 34% її маси. Вважається, що ядро Землі виповнене залізом та нікелем. Воно має зовнішню і внутрішню сфери. Зовнішнє ядро не пропускає поперечні сейсмічні хвилі, тобто поводиться як рідина. В умовах високих температур і тиску це, звичайно, не рідина, але речовина має властивості рідини. Радіус ядра складає близько 3470 км, щільність досяга 9- 11 гр/см³. Внутрішнє ядро знаходиться в переущільненому, металізованому стані, що зумовлює магнітне поле навколо Землі. Температура досягає 2000…2500°С, тиск - до 3,5 млн. ат.

Мантія – найбільший елемент Землі, займає 83% її об’єму і біля 63% її маси. Верхня мантія розміщується в межах від 80 до 400 км, перехідна зона – 400…900 км, нижня мантія - 900…2900 км, середня щільність мантії 5,3…6,5 гр/см³. Особливу цікавість викликає склад мантії, оскільки земна кора з усіма корисними копалинами утворилася із речовини мантії. Виповнена вона переважно з кремнію, заліза, магнію, нікелю. Верхня мантія характеризується наявністю в ній астеносфери („геосфера” без міцності) – інтервалу з розм’якшеним, пластичним станом речовини. У верхній мантії містяться осередки розплавленої магми, зароджуються сейсмічні та вулканічні явища, відбуваються процеси гороутворення.

Літосфера (земна кора) - це зовнішня частина Землі поширюється до глибини 50…80 км. Найбільш вивчена її верхня частина (бурові свердловини досягли глибини 8…12 км). У межах материків літосфера товща, в межах океанів - тонша. Складається вона з різноманітних гірських порід і мінералів зі щільністю 2,7…2,8 г/см³. Хімічний склад до глибини 16 км такий: кисень - 46,8%; кремній-27,3%; алюміній-8,7%, залізо-5,1%, кальцій-3,6%, натрій-2,6%, калій -2,6%, магній-2,1%, інші елементи – 1,2%. За складом і потужністю виділяють три типи земної кори.

1. Континентальна кора має потужність до 80 км. Це магматичні, метаморфічні та осадові породи, що утворюють три шари. Верхній, осадовий, має невелику щільність, потужність його не перевищує 10…15 км. Підстиляє його гранітний шар потужністю 10…50 км; це магматичні та метаморфічні породи, переважно кислі за складом. В нижній частині кори залягає базальтовий шар потужністю до 30…40 км, містить магматичні породи переважно основного складу. Особливістю континентальної кори є наявність коренів гір - різкого збільшення потужності під гірськими системами до 100…120 км.

2. Океанічна кора значно тонша, її потужність зменшується до 5…10 км. Вона також складається із трьох шарів: пухкого осадового потужністю до кількасот метрів, потужнішого середнього шару із ущільнених осадів та продуктів підводних вулканічних вивержень та нижнього - базальтового, потужністю до 4…10 км.

3. Кора перехідних зон знаходиться на периферії великих континентів, де є моря і архіпелаги островів. Тут відбувається зміна континентальної кори на океанічну. За будовою, потужністю та щільністю порід ця кора займає проміжне положення між континентальною та океанічною.

Між атмосферою, гідросферою, біосферою і літосферою існує постійна взаємодія, що в значній мірі відзначається на будові, складі і властивостях гірських порід.

Гідросфера – зовнішня водяна оболонка Землі (океани, моря, ріки, озера, льодовики); вона вкриває 71,2% земної поверхні. На дні океанів виділяють три зони: континентальний шельф, материковий схил та океанічне ложе (див. рис. 2). Середня потужність світового океану біля 3,8 км, найглибша океанічна западина – 11022м (Маріанська в Тихому океані). Об’єм води у світовому океані сягає 1370 млн. км³.

Рис. 2. Зони відкладення морських осадів та їх співвідношення із зонами рельєфу дна Світового океану

Температура води змінюється в залежності від широти місцевості та глибини океану (до 150 м). Найвища температура верхнього шару води в Перській затоці +35,6°С, найнижча - у Північному Льодовитому окані -2,8°С. Середній вміст солей 3,5 г/л; це хлориди, сульфати, карбонати, йод, фтор, фосфор, рубідій, цезій, золото та ін. елементи. Значний вміст у воді органічних форм (бентос, планктон, нектон).

Біосфера або сфера життєдіяльності організмів пов'язана з поверхнею Землі і невіддільна від інших геосфер. Вона охоплює нижню частину атмосфери, гідросферу, верхню частину літосфери. Мікроорганізми існують в земній корі до глибини сотень метрів. Організми і рослини суттєво впливають на гірські породи: руйнують їх, створюють нові.

Атмосфера – зовнішня повітряна оболонка, виповнена із суміші газів і оточує Землю шаром в 3000 км. Вона складається з трьох шарів: тропосфери, стратосфери та іоносфери

Тропосфера має товщину від 6 км біля полюсів до 15 … 18 км біля екватору. В тропосфері міститься майже 80% всієї маси газів атмосфери: це азот (78.0%), кисень (21,0%) аргон (0,93%), вуглекислий газ (0,031%) та інші гази, а також майже вся водяна пара. Температура на висоті 10…12 км складає -50°С. В тропосфері утворюються хмари зосереджуються теплові рухи повітря, відбувається кругообіг води.

Стратосфера розповсюджується до висоти 80…90 км. Присутність озонового шару на висоті 25 км обумовлює підвищення температури до +25°С, але на висоті 80…90 км вона знову знижується до -60...-90°С.

Іоносфера - це верхня частина атмосфери, яка на висоті 3000 км переходить у міжпланетний простір. Іоносфера має невелику щільність та високу іонізацію газів. На висоті 220 км фіксується підвищення температури до кількасот градусів.

1.2.3. Тепловий режим Землі.

Земля має два джерела тепла: зовнішнє - від сонячної радіації (99,5%) та внутрішнє - від розпаду радіоактивних речовин, хімічних реакцій, тертя при тектонічних рухах та ін. (0,5%.). Сонце щохвилини дає на 1см² земної поверхні близько 8,1 Дж теплової енергії (це сонячна константа). Цим теплом можна нагріти 1г води на 2⁰С.

В земній корі виділяють три зони розподілу температур (рис. 3):

I – зона добового та сезонного коливання температур;

II – зона постійних температур;

III - зона зростання температури з глибиною.

Рис. 3. Схема розподілу температури у Земній корі.

Загальна потужність першої зони - 9…15м (для Дніпропетровська -10 м); добові коливання температури затухають на глибині біля 1.5 м, це залежить від кліматичних умов місцевості. Взимку в цій зоні утворюється підзона з мінусовою температурою - глибина промерзання ґрунту (в м. Дніпропетровську вона сягає 80…90 см).

На глибинах 15…40 м знаходиться зона незмінної температури, яка дорівнює середньорічній для місцевості: у північній півкулі це +15.5°С, у південній +1З,6°С.

В межах третьої зони температура зростає при заглибленні. Величина підвищення температури на кожні 100 м глибини називається геотермічним градієнтом. Середня величина геотермічного градієнта складає 3⁰С. Інтервал глибин, в якому температура зростає на 1°С, називають – геотермічним ступенем. Середня величина геотермічного ступеня дорівнює 33 м. Вказана закономірність справедлива тільки до певних глибин Земної кори.

2. МІНЕРАЛИ ТА ГІРСЬКІ ПОРОДИ

2.1. Мінерали, їх походження та класифікація

2.1.1. Загальні відомості

Мінерали - це природні сполуки, однорідні за фізичними властивостями і хімічним складом. Виникають вони в надрах Землі або на її поверхні внаслідок фізико-хімічних процесів.

Усього в природі налічується кілька тисяч мінералів. Приблизно 100 з них зустрічаються досить часто. Оскільки вони створюють переважну більшість гірських порід, то їх називають породотворними. Мінерали бувають в твердому (кварц, кальцит та ін.), рідкому (вода, нафта) та газоподібному (азот, кисень, вуглекислий газ) стані.

В земній корі мінерали інколи зустрічаються самостійно, але найчастіше вони входять до складу гірських порід. Певні їх комбінації і кількість в значній мірі визначають властивості гірських порід. Якщо мінерал складає понад 10% маси породи, то його називають головним, менше 10% - другорядним (акцесорним).

Тверді мінерали бувають як кристалічними, так і аморфними. Кристалічні мінерали анізотропні, тобто їх фізичні та оптичні властивості в різних напрямках не однакові. Кристали таких мінералів можуть мати форму правильних багатогранників (галіт), оскільки атоми в них розмішені в закономірному порядку, що створює просторові кристалічні грати. Аморфні мінерали мають у всіх напрямках однакові властивості, без кристалічної структури, оскільки їх атоми розміщені безладно (кремінь).

Українські вчені винайшли значну кількість штучних мінералів, які в природі не зустрічаються, приміром, штучні алмази та інші з`єднання вуглецю і кремнію твердіші за природні алмази.

Оскільки кожен мінерал утворюється внаслідок різноманітних геологічних процесів, то й існувати він може лише у відповідних умовах; визначальне значення мають температура, тиск, концентрація речовин. Коли ці умови змінюються, мінерал видозмінюється або руйнується.

2.1.2. Походження мінералів

Мінерали утворюються трьома шляхами: ендогенним, екзогенним і метаморфічним.

Ендогенним шляхом мінерали утворюються з магми - вогняно-рідкого силікатного розплаву, збагаченого газами і водяною парою. Ці мінерали часто називають магматичними. При зниженні температури магма твердіє, кристалізується, утворюються мінерали. Так виникають силікати, кварц та ін. Характерною рисою цього процесу є наявність високої температури (>1200°С) та високого тиску (до 3000 т/см²). Ендогенні мінерали первинні за походженням.

Екзогенні процеси протікають на поверхні Землі, на суходолі або у водяному середовищі. Вони сприяють створенню осадових мінералів, вторинних за походженням На суші осадові мінерали виникають в процесі вивітрювання, тобто, руйнування існуючих порід під дією води, вуглекислого газу, кисню, добових та сезонних змін температури і т. ін. Так, наприклад, виникає каолініт, кварц при хімічному вивітрюванні ортоклазу. У водяному середовищі мінерали осідають із перенасичених розчинів (галіт, кальцит) при їх охолодженні або висиханні.

Метаморфічним шляхом мінерали виникають внаслідок перетворення магматичних і осадових мінералів під дією високих температур, високого тиску, а також магматичних газів та водяної пари. Вказані мінерали змінюють свій початковий стан, зазнають перекристалізації, набувають більшої щільності та міцності. Так утворилися рогова обманка, тальк, хлорит та ін. метаморфічні мінерали, вторинні за походженням.

2.1.3. Фізичні властивості мінералів.

Мінерали відрізняються один від одного як своїм хімічним складом, так і фізичними властивостями (зовнішніми ознаками); головні з них такі: твердість, колір, блиск, прозорість, щільність, злам і спайність; деякі мінерали мають особливі властивості. Більшість породотворних мінералів мають 2…3 визначальні ознаки, за якими їх завжди можливо розпізнати.

Колір залежить від хімічного складу мінералу та домішок, які можуть суттєво впливати на забарвлення. Є мінерали, які, залежно від кольору отримаи свою назву (рубін - червоний, альбіт - білий, хлорит - зелений). Зустрічаються мінерали з різноманітним забарвленням, приміром, кварц може бути безбарвним, білим, буро-жовтим, сірим, бузковим, чорним. Для деяких мінералів визначають також колір мінералу, розтертого в порошок: він встановлюється за кольором риски, яку мінерали залишають на непокритій поливою порцеляновій поверхні. Наприклад, золотисто-жовтий пірит має чорний або чорно-зелений колір риски.

Прозорість - це здатність мінералу пропускати промені світла. За цією властивістю розпізнають прозорі (гірський кришталь, ісландський шпат, топаз), напівпрозорі (гіпс, галіт) та непрозорі (ортоклаз, лабрадор) мінерали.

Блиск - здатність відбивати промені світла від своєї поверхні. Ця важлива діагностична властивість залежить від показника заломлення мінералу. Визначається блиск на поверхні свіжого зламу. Всі мінерали за цією ознакою розподілені на дві групи:

1. Мінерали з металевим блиском (пірит, самородне золото, мідь, срібло).

2. Мінерали з неметалевим блиском, серед яких зустрічається;

- скляний блиск має більшість мінералів;

- масний (кварц, галіт);

- перламутровий (мусковіт, тальк);

- шовковистий (мінерали з тонковолокнистою будовою - рогова обманка, гіпс-селеніт);

- восковий (халцедон);

- алмазний (алмаз, сірка);

- тьмяний або ж блиск відсутній (каолініт, монтморилоніт, кремінь).

Твердість - це здатність протидіяти зовнішньому механічному впливу - дряпанню або розтиранню в порошок.

При розтиранні в порошок визначається дійсна твердість, при дряпанні - відносна. В геологічній практиці частіше вживається остання. Для встановлення відносної твердості користуються шкалою Мооса (див. табл. 1), до якої входять десять мінералів-еталонів.

Таблиця 1

Шкала твердості

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: