№%20кода%201701%20Фролов%20Инж.геология%202010

гравиметрических, астрономических и геофизических исследований. Установлено, что масса Земли равна 5,9 1021 т. Средняя плотность 55,2 кН/м3 (для сравнения отметим, что удельный вес веществ, наиболее часто встречаемых в земной коре, составляет 27 кН/м3). Это означает, что центральная часть Земли сложена очень плотным веществом.

2.Характеристика оболочек Земли.

По существующим данным Землю условно можно представить как шарообразное тело, состоящее из ряда концентрических оболочек. Эти оболочки Земли получили название – «геосферы». Можно выделить наружные геосферы, доступные непосредственному изучению, -

атмосферу, гидросферу, биосферу и верхней части земной коры.

К внутренним геосферам относятся нижняя часть земной коры (гранитный и базальтовый слой), мантия и ядро Земли.

Для «Инженерной геологии» такое разделение важно потому, что в наружных геосферах различаются экзогенные (внешние) процессы, связанные с энергией солнечного излучения и с взаимодействием атмосферы, гидросферы, биосферы и осадочного слоя земной коры. Во внутренних геосферах реализуются внутренние (эндогенные) процессы, вызванными глубинными слоями.

Атмосфера – газообразная воздушная оболочка Земли, в которой выделяют три основных слоя:

Нижний- тропосфера;

Средний – стратосфера;

Верхний – ионосфера.

Граница между этими слоями достаточно условна и может изменяться в зависимости от времени года широты местности.

Тропосфера содержит около 80% всей массы атмосферы, толщина ее колеблется от 6км у полюса, до 15-18км у экватора. В тропосфере содержится азота около 78%, кислорода 21%. Нагревание воздуха в тропосфере обусловлено тепловым излученичм нагретой поверхности Земли. Установлено, что на каждые 100м высоты температура понижается на 0,5-0,60. У полюсов температура у верхней границы тропосферы составляет минус 45-550, а в экваториальной – минус 70-800.

При понижении температуры воздуха, происходит конденсация излишнего количества водяных паров, выпадающих на поверхность Земли в виде дождя или снега. Температура начала конденсации называется точкой росы.

Колебание температур в нижних слоях тропосферы приводит в движение воздушные массы (ветер). Это явление совместно с

перепадом температур является одним из самых мощных агентов, определяющих рельеф Земли, состав и строение верхней части

11

земной коры, которая является объектом изучения «Инженерной геологии».

Стратосфера имеет верхнюю границу на высоте около 80-90км, масса ее невелика – около 5% всей массы атмосферы и почти весь водный пар.

Выше стратосферы расположена ионосфера, верхняя граница которой достигает 1000-1100км (обычно 400-500км). Выше 1000км начинается экзосфера, переходящая в межпланетное пространство.

Впадины на поверхности Земли заняты водами Мирового океана, образующего вместе с водами морей, озер и рек водную оболочку Земли

– гидросферу. Сюда же относятся и подземные воды. Наибольшая масса воды сосредоточена в Мировом океане.

На дне океанов и морей, выделяются три зоны: шельф,

континентальный склон и ложе Мирового океана. Зона шельфа

(мелководбе) – это сравнительно узкая полоса (шириной 60-70км), окаймляющая материки и архипелаг на глубину до 400м. площадь шельфа занимает около 8,4% площади морского дна. Зона континентального склона имеет глубину от 200-400км до 2000-3000м, площадь его 19-19,5% площади морского дна. Ложе Мирового океана занимает 72,5% площади морского дна и примерно 54% общей площади поверхности Земли.

На материках гидросфера представлена озерами, реками и подземными водами. Озера представляют собой котлованы, заполненные водой, но происхождение их разное. Так, Байкал, Иссык-Куль – это провалы, образовавшиеся в результате действия внутренних сил Земли, озер Соловецких островов образованы в результате деятельности ледников. Озера бывают проточные (Ладожское, Онежское) и беспроточное (Аральское, Балхаш). В беспроточных озерах вода выпаривается, и они становятся солеными (Эльтон, Баскунчак, Мертвое море).

Реки представляют собой постоянные водные потоки, текущие в разработанных ими руслах. Источниками питания рек могут являться дождевые, талые снеговые и ледниковые воды, а также подземные воды. Воды большенства рек стекают в Мировой океан с годовым стоком около

36-37 тыс.км3.

Подземные воды протекают в толще коры, просачиваясь через водопроницаемые горные породы или протекая в трещинах водонепроницаемых пород. В ряде случаев в растворимых породах воды промывают обширные пустоты и проходы, образуя подземные реки и озера.

Гидросфера является мощным геологическим фактором развития земной поверхности и непременным условием существования жизни на Земле.

12

Биосфера – область распространения жизни на земном шаре, включающую нижнюю часть атмосферы (тропосферы), гидросферу в верхнюю часть земной коры (осадочная оболочка). Составляя 0,1% массы земной коры, живое вещество в пределах биосферы является самой активной формой материи, способной производить весьма крупные изменения. Важная роль организмов обусловлена повсеместным их распространением, избирательным характером их биохимической деятельности и высокой химической активностью.

Земная кора (литосфера) – верхняя твердая оболочка Земли, ограниченная сверху атмосферой и гидросферой, а снизу – поверхностью более плотного вещества (поверхность Мохоровичича). Земная кора состоит из верхней прерывистой осадочной оболочки.

Осадочный слой или стратосфера, слагают различные по составу осадочные горные породы (глины, суглинки пески, галечники, известняки), которые покрывают земную кору с поверхности. Мощность стратосферы колеблется от 0 до 10-15 км, средний удельный вес ее 25-26 кН/м3. Этот слой представляет наибольший интерес для инженерной геологии, т.к. он является основанием строящихся и эксплуатируемых зданий и сооружений.

Гранитный слой развит в земной коре неравномерно. Его мощность достигает максимальных размеров (50-80км) в зонах молодых горных систем (Западные Альпы, Памир). Этот слой практически отсутствует или очень мал (0.4-0.5км) под океанами. По составу этот слой близок к гранитам.

Базальтовый слой, состоящий из пород типа базальт и габбро,

достигает мощности 20-30км на территориях равнин и 15-20км в районе молодых гор, под океанами его мощность составляет 5-6 км.

Границы между этими слоями весьма условны и слабо выражены из-за взаимного перехода, смещения и замещения слагающих их горных пород как по глубине, так и по площади.

Ниже поверхности Мохоровичича находится мантия. Она распространяется до глубины 2900км, глубже которой начинается ядро Земли. В мантии по строению, составу, свойствам и другим признакам выделяют три слоя: В – до глубины 200-400км; С – до глубины 700900км; слой Д – до глубины 2900км. Слои В и С входят в состав верхней мантии. Эта оболочка, охватывающая земной шар всплошную, получила название верхней мантии, плотность вещества в ней 32-45 кН/м3. Слой В, которыйсодержит пластичный разуплотненный слой вещества (астеносфера), является местом зарождения очагов вулканов, землетрясений, связанных с перемещением глубинных масс. Именно поэтому верхняя мантия является наиболее активной и продуктивной частью земной оболочки, из которой формируются магматические породы и большинства подземных ископаемых.

13

Ниже астеносферы в пределах слоя В на глубинах более 200км находится слой с повышенной вязкостью . Его сменяет слой С – переходная зона, в пределах которой возрастает плотность пород. К этой зоне приурочены землетрясения вдоль глубинных разломов. Предполагается, что возрастание плотности веществ в слое С и в слое Д связано с заменой ионных типов связей ковалентными, т.е. в этих зонах вещество подвержено деформациям на молекулярном уровне. В составе слоя Д предполагают наличие кислорода, железа, магния, никеля.

Центральное ядро, с глубины 2900км до центра Земли состоит из никеля и железа. Плотность веществ колеблется от 70 до 119 кН/м3. В таких условиях должно происходить разрушение электронных оболочек и срыв электронов.

3.Тепловой и температурный режим Земли.

При проектировании оснований и фундаментов очень важно знать тепловой режим территории, на которой расположена строительная площадка.

Их всей суммы теплового режима Земли принято различать теплоту внешнюю – солнечную радиацию, обогревающую поверхность Земли, и теплоту внешнюю, выделяемую недрами Земли. Внутренняя теплота проявляется в разогревании внутренних геосфер и практически не влияет на тепловой режим дневной поверхности. Внешняя теплота наоборот оказывает решающее влияние на тепловой режим дневной поверхности и практически не влияет на разогрев внутренних геосфер Земли.

Подсчитано, что Солнце в течение 1 мин отдает 1 см2 земной поверхности (перпендикулярно солнечным лучам) примерно 8,1 Дж тепла. Эта величина названа солнечной постоянной. Под влиянием солнечной радиации происходят разнообразные геологические процессы, протекающие на поверхности Земли и в верхних слоях земной коры: круговорот воды, разрушающая деятельность воды, ветра и перепада температур.

Температурные условия на различных участках одной и той же широта не одинаковы и зависят от многих факторов. Различают колебания температуры вековые, годовые, сезонные, месячные и суточные. На климатических картах линии, соединяющие точки с одинаковыми средними температурами, называются изотермами.

Влияние солнечного тепла на изменение температуры ниже поверхности Земли сказывается лишь до определенного предела. Этот предел носит название «горизонта постоянных температур». Выше этого горизонта зимняя температура отличается от летней, а среднегодовая примерно равна среднегодовой температуре поверхности. Верхняя граница пояса постоянных температур понижается от экватора к полюсам. На экваторе она расположена на глубине 1-2м, в средних широтах – 20-30м, в полярных областях – 100м. если в этом поясе

14

температура опускается ниже нуля, то поровая вода замерзая образует «вечную» мерзлоту.

Ниже горизонта постоянных температур под влиянием внутренней теплоты Земли температура горных пород с глубиной закономерно повышается независимо от температуры на поверхности Земли. Для характеристики повышения температуры с глубиной введено два понятия:

Геотермический градиент;

Геотермическая ступень.

Геотермический градиент – это изменение температуры (в градусах по Цельсию), которое происходит с углублением на каждые 100м ниже пояса постоянных температур.

Геотермическая ступень – это глубина (в метрах) ниже пояса постоянных температур, которой нужно достичь, чтобы температура повысилась на 10С.

Принято считать, что при погружении на 30-33 м ниже пояса постоянных температур последняя поднимается на 10С. Эта закономерность сохраняется только в верхних слоях земной коры. В одной из глубоких скважин в северном Прикаспии были получены такие данные изменения температуры с глубиной.

Глубина,м	500	1000	1500	2000	2500	3000
Температура,	42,2	55,2	69.9	80,5	94,4	108,3
град.С

4.Геохронология

Геохронология показывает относительную последовательность геологических событий в развитии верхней части земной коры.

С точки зрения инженерной геологии возраст пород сам по себе не имеет существенного значения, но может помочь при анализе инженерногеологических условий застраиваемого региона. Этим вопросом занимается палеогеография, которая связывает историческую геологию (геохронологию) с инженерной геологией.

Основой установления геохронологической последовательности является условие взаимной сменяемости осадочных пород времени. Такой метод разделения горных пород называется стратеграфеческим. На его основе строится т.н. стратеграфическая колонка, аналогом которой в строительной практике является инженерно-геологический

разрез.

Различают абсолютный и относительный возраст горных пород. Абсолютный возраст выражается в годах. Для этого применяют

радиоактивные методы, которые позволяют определить время (в миллионах лет), которое прошло с момента образования той или иной породы.

15

Относительный возраст позволяет определить возраст пород относительно друг друга. Для определения относительного возраста применяют два метода: стратиграфический и палеонтологический.

Стратиграфичесий метод применяют для толщ с ненарушенным горизонтальным залеганием слоев. При этом считают, что каждый вышележащий слой является более молодым.

Палеонтологический метод позволяет определить возраст осадочных пород, основываясь на истории развития органической жизни на Земле.

Геологический возраст горных пород определяется такими единицами:

Эра

Период (90-30 млн. лет)

Эпоха

Век

Эра – это крупнейший этап в истории развития Земли. Различают

5 зр:

Самая древняя – архейская

Далее: протерозойская, палеозойская, мезозойская,

кайнозойская

Каждая эра охватывает несколько периодов. Период соответствует времени образования системы горных пород. Периоды делятся на эпохи, которые делятся на века.

Краткая характеристика событий в жизни Земли дается применительно к соответствующим эрам и периодам. Сам возраст земли как планеты более 4,5 миллиардов лет.

1.Архейская эра (эра первичной жизни – 1600 млн. лет)и следующая за ней протерозойская эра (эра древнейшей жизни – 1300 млн. лет). Во времени они находятся от нас около полутора миллиардов лет. В это время образовались породы, слагающие жесткий фундамент земной коры. Они характерны наличием следов примитивных органических форм, которые свидетельствуют о зарождении жизни на Земле. В протеразойской эре начинается развитие разнообразных водорослей, бактерий и беспозвоночных животных в морях и океанах.

2.Палеозойская эра (эра древней жизни) удалена от нас на 600 миллиардов лет. Продолжалась она 350 миллионов лет. Она характеризуется буйным расцветом органической жизни, прежде всего, в морях и океанах и выходом ее на сушу – крупные земноводные. В конце эры появляются пресмыкающиеся, получают развитие древовидные папоротники.

Палеозойская эра делится на 6 периодов:

16

Кембрийский(Cт)

Ордовикский(Q)

Силурийский(S)

Девонский(Д)

Каменноугольный(C)

Пермский (Р)

3.Мезозойская эра (эра средней жизни), которая длилась 160-180 млн. лет, характерна появлением на суше гигантских пресмыкающихся – динозавры, птеродактили (в т.ч. летающие). Растительный мир имеет общие с нашим временем черты. Появляются млекопитающие и птицы. Она подразделяется на 3

периода: триасовый (Т); юрский(I); меловой(Сч).

4.За 70 миллионов лет до нашего времени начинается самая молодая эра кайнозойская ( эра новой жизни). Она делится на

3 периода:

Палеогеновый 45 млн. лет

Неогеновый 24 млн. лет

Антропогеновый или четвертичный – 1 млн. лет. В этом периоде появляются человекообразные существа.

Породы дочетвертичного периода называются коренными, а четвертичногопокровными. Самые молодые покровные породы называют наносными, которые составляют основу грунтового массива.

История развития земной коры шла неравномерно: длительные периоды спокойного развития, когда накапливались мощные толщи морских осадков; затемболее короткие, но бурные периоды горообразовательных процессов, во время которых происходят складкообразовательные и разрывные процессы с развитием магматических процессов.

В результате изучения возраста, состава, условий залегания и распространения горных пород составляются геологические карты, которые представляют собой графическое изображение строения толщи четвертичных и дочетвертичных коренных пород. По ним можно определить места выхода коренных пород на поверхность, т.н. скальных или полускальных грунтов.

Геологические карты и карты четвертичных отложений служат основным источником информации о геологическом строении застраиваемой территории.

17

Лекция №3 Минералы, их образование и классификация.

Строителю приходится иметь дело как с отдельными минералами, так и с горными породами , являющимися основой образования грунтов . Поэтому необходимо знать основные сведения об образовании горных пород и минералов . Все горные породы состоят из минералов .

Минералы – это природные тела, образующиеся в результате физикохимических процессов, протекающих в земной коре. Каждый минерал является носителем определенных свойств, которые отражают термодинамические условия его образования. Свойства минералов выражаются в их химическом составе и физическом строении. Минералы могут состоять как из одного химического элемента (сера, алмаз, графит), так и из соединения различных химических элементов (кварц, слюда, ортоклаз). Большая часть минералов , находится в твердом состоянии, но они могут быть жидкими (ртуть, вода)и газообразном (метан, сероводород).

В настоящее время известно около 7000 названий минералов , в т.ч. и искусственных. Из этого количества около 2500 являются самостоятельными минералами, большая часть которых встречается редко. Основную массу горных пород составляют около 50 минералов, которые поэтому и называются породообразующими.

По условиям образования минералов можно выделить группы:

-Первичные, образованные при застывании магмы:

-Вторичные, образованные вследствие химического и биологенного разрушения первичных минералов и последующего их наполнения;

-Видоизмененные, образованные преобразования первичных и

вторичных минералов под действием высоких температур и давлений. Все минеральные массы образовались под действием разнообразных геологических процессов, поэтому условия, при которых образовались минералы, отличаются большим разнообразием и сложностью. Каждый минерал может существовать в природе лишь при определенных условиях, из которых главнейшее – температура и давление. При изменении этих

условий минеральное тело либо разрушается, либо видоизменяется.

По источнику энергии, за счет которой образовались минеральные массы, минералы подразделяются на три главные генетические группы:

-Эндогенные (образовавшиеся в результате внутренних (эндогенных) процессов);

-Экзогенные (образовавшиеся в результате внешних (экзогенных) процессов);

18

- Метаморфические	(преобразованные), образовавшиеся в результате
изменения условий	своего	первоначального (эндогенного	или
экзогенные ) существования.

Такое строгое деление на три генетические группы более закономерно для горных пород. Однако, учитывая, что их составной частью являются минералы, эти процессы генезиса рассматриваются одновременно и при объяснения образования массивов горных пород.

Эндогенные процессы связаны с глубокими частями земной коры, для которых характерны высокие температуры (1200-13000С) и большие давления (300000-800000 МПа). На глубинах 60-200 км в определенных условиях вещество Земли может расплавиться, образуя локальные скопления магмы. Это многокомпонентный силикатный расплав, содержащий летучие вещества и пары воды. В основном магматические скопления происходят за счет радиоактивных процессов. При остывании магмы в этих условиях происходит ее кристаллизация - т.е. зарождение и образование кристаллов. Образование при этом минералы обладают большой плотностью, твердостью и повышенной стойкостью к воде, кислотам и щелочам.

Таким образом, магматическое минералообразование связано с остыванием магмы на глубине при постепенном падении давления и температуры.

Экзогенные (поверхностные) процессы связаны с верхними зонами земной коры, которые характеризуются относительно низкими

температурами и давлениями. Остывание магмы					в этих условиях
происходит	быстро,	ее	вещество	не	успевает	полностью
выкристаллизоваться. Кроме того, первичные магматические						породы	и
минералы	подвергаются	воздействию		комплекса сложных		процессов,
связанных с взаимодействием литосферы				с гидросферой и биосферой. Это

приводит к разрушению первичного магматического материала, который в дальнейшем подвергается воздействию различных химических агентов атмосферы, гидросферы и биосферы. Появляются новые минеральные соединения, которые являются более устойчивыми для сложившихся условий. Минералы и горные породы, образованные таким путем, называются осадочными и подразделяются на химические и органогенные. Экзогенные минералы разнообразны по своим свойствам. Большинство из них имеют низкую твердость и активно взаимодействуют с водой.

Метаморфический процесс связан с изменением осадочных и магматических пород и минералов на глубине 6-10км при высоких давлениях и значительных температурах. По существу происходит перерождение ранее образованных минералов (Эндогенные и Экзогенные ). В этих условиях

19

минералы изменяют свое первоначальное состояние, проходят перекристаллизацию, приобретая прочность и плотность. Образованные в таких условиях минералы, называются метаморфическими

Строение минералов

Большинство минералов – кристаллические, состоящие из кристаллов, а небольшая их часть – аморфные (аморфные минералы ) .

Кристаллические вещества (кристаллы) имеют определенный порядок расположения частиц (атомы, ионы, молекулы). Пространственное расположение этих частиц образует кристаллическую решетку, которая характеризует структуру кристалла. для каждого минерала характерно определенное пространственное расположение атомов, ионов, молекул, поэтому каждый минерал имеет свою кристаллическую решетку.

Внешним признаком кристалла является его правильная геометрическая форма, ограниченная плоскостями – гранями, прямыми – ребрами (линии пересечения граней ) и точками пересечения ребер - вершинами. Каждому кристаллу присуще определенное количество вершин, ребер, граней определенного типа. Это определяет форму кристалла, как правило, многогранника – куб, призма, октаэдр и т.д. Поэтому ряд минералов можно определить по внешнему виду (например: галит, галенит, графит, слюды).

Кристаллическое вещество всегда анизотропное, т.е. имеет различные свойства по разным направлениям.

В отличие от кристаллического вещества аморфное характеризуется беспорядочным расположением составляющих его элементарных частиц. В аморфных минералах физические свойства (теплопроводность, твердость, силы сцепления, светопреломление и т.д.) во всех направлениях одинаковы, т.е. они изотропны. Однако аморфное состояние минералов является неустойчивым, поэтому с течением времени они становятся к кристаллическими.

Химический состав минералов.

Основой классификации минералов является химический состав. По этому признаку различают на 10 классов минералов:

-Силикаты

-Оксиды

-Гидрооксиды (гидроокислы)

-Карбонаты

-Сульфаты

20