Конспект лекций по геологии

Последние строят в виде больших железобетонных лотков на опорах над дорогами для перепуска селевого потока.

1

2

3

Рис. 3.10. Укрепление дна

оврагов с помощью плотин:

1 – каменные запруды; 2 – дно оврага; 3 – склон оврага

1 2

а

3 1

б

Рис. 3.11. Укрепление берегов рек:

а – струенаправляющей дамбой; б – полузапрудами; 1 – направление течения; 2 – дамба; 3 – буны

3.7. Геологическое воздействие ледников и ледниковые отложения

Ледниками называются образованные на суше движущиеся массы льда. Движение ледников обусловлено, главным образом, пластическим течением льда при наличии значительной разницы давлений. Течение льда вызвано наклоном поверхности, по которой он движется. Но ледник может двигаться и по горизонтальной поверхности. Во время движения ледники выполняют большую геологическую работу. Они механически разрушают горные породы, переносят разрушенный материал и откладывают его в определенных местах, формируя разнообразные ледниковые отложения.

Современные ледники делятся на материковые и горные. Они занимают площадь 16,3 млн км2, что составляет 11% поверхности суши. Материковые ледники размещаются в полярных областях. Среди наиболее известных – Антарктический и Гренландский ледники. Площадь первого равняется 13,2 млн км2, второго – 1,65 млн км2. Толща льда Антарктического ледника в среднем равняется 1720 м, Гренландского – 2300 м. Таким образом, в этих ледниках сконцентрирована основная масса льда на суше. Воды, которая содержится в этих льдах, было бы достаточно для повышения уровня океана на 50 м. Скорость движения льда в материковых ледниках небольшая: до 1,5 м/сут, но в отдельных местах она может достичь 30 м/сут. Горные ледники образуются в горах. Они занимают относительно небольшие площади: на Кавказе – 2 тыс. км2, в Средней Азии – 11 тыс. км2. Здесь распространены долинные ледники: Инильчек на Тянь-Шане длиной 70 км, им. Федченко на Памире – 77 км, Дихсу на Кавказе – 15 км и др. Толщина льда в таких ледниках может превышать несколько десятков метров, а скорость движения колеблется от 0,1 до 7 м/сут.

Образование и геологическое воздействие этих объектов можно рассмотреть на примере горных ледников. В горах выше от снеговой линии, в межгорных котловинах и долинах накапливается снег, который не успевает растаять

61

летом. Под своим весом он уплотняется и превращается сначала в пористый (фирновый), а потом – плотный, крепкий лед. При значительной мощности лед начинает течь по долине вниз. Конец ледника, опускаясь ниже от снеговой линии, тает.

Обычно в горном леднике можно выделить зоны: а – таяния, б – движения и в – питания (рис. 3.12). Если количество льда больше растаявшего,

	то зона	таяния	перемещается ниже –	ледник наступает.			Если же эта зона
		а	б	в	перемещается		выше	–	ледник
					отступает. Но зона таяния может
			1		определенное		время	находиться
					на одном месте. В толще ледника
					и на его поверхности содержится
	3	2			значительное		количество		обло-
					мочного материала разного раз-
					мера – от глинистых частиц до
					огромных глыб-валнов. Этот ма-
	Рис. 3.12. Схематический разрез горного				териал	движется с ледником во
			ледника:		время	вспахивания		(экзарации)
	1 – ледник; 2 – концевая морена; 3 – зандро-
					дна долины, по которому он те-
	вые поля; зоны: а – таяния; б – движения;
	в – питания				чет, а	также	при	сдвижении

обломков со склонов долины на ее поверхность. На поверхности ледника откладываются и мелкие частицы, которые переносятся ветром. Отложение, которое формируется вследствие движения ледника, называется мореной. Морена откладывается во время таяния ледника. Различают конечные и основные морены. Первые возникают при стационарном положении конца ледника в виде пряди холмов. Эти морены включают не отсортированный, но перемытый водой материал – гравий, гальку, валуны.

Основные морены образуются во время отступления ледника. При этом материал, который перемещается вместе с ледником, откладывается вдоль пути его отступления. Основные морены состоят из суглинков и глин с включениями крупнообломочного материала.

В зоне таяния ледника берут начало многочисленные водные потоки, которые выносят и откладывают за прядью конечных морен пески, супеси и суглинки, образуя песчано-глинистые (зандровые) поля.

Все, что было сказано о горных ледниках, касается и ледников материковых. Но процессы в материковых ледниках происходят в значительно больших масштабах. Особый интерес вызывают материковые ледники четвертичного периода. Ученые К.К. Марков и И.П. Герасимов выделяют такие обледенения этого периода: лихвинское, днепровское и валдайское (рис. 3.13).

Наибольшим обледенением было днепровское. Главным центром обледенения считается Скандинавский полуостров, где толща льда достигала 3 тыс. м.

Четвертичные обледенения начались около 500 тыс. лет тому назад. Со времени последнего прошло 12 тыс. лет. Все это время обледенения изменялись межледниковыми эпохами. Хорошо сохранились следы воздействия последнего, валдайского, обледенения.

62

			БАРЕНЦЕВОЕ МОРЕ
		Мурманск
	Ладожское оз.		Онежское оз.	І	ІІ
				ІІІ
Таллинн	Санкт-Петербург
Рига			Ярославль
Вильнюс			Москва	Н. Новгород
Минск
		Воронеж
Львов	Киев
				Волгоград
				Астрахань
		Азовское море
ЧЕРНОЕ		МОРЕ
Рис. 3.13. Карта четвертичных обледенений (составлена до 1990 г.)

На территории Карелии, на Кольском полуострове в углублениях, выпаханных ледником, образовались многочисленные озера. Магматические породы, которые вышли на поверхность, были обработаны движущимся льдом. Таким образом, сформировались пряди конечных морен высотой до 100 м, которые тянутся иногда на сотни километров, и другие объекты такого рода: озы, камы, друмлины. Все это создает характерный ледниковый ландшафт. Здесь же встречаются озерно-ледниковые отложения, включающие ленточные глины, в которых чередуются очень тонкие пласты (доли сантиметра или несколько сантиметров) глин и мелких песков. Восточнее размещены толщи основных морен, а дальше на значительных пространствах водно-ледниковые (флювиогляциальные) отложения из песков, гравия, гальки и суглинков. Суглинки перекрывают ранее образованные ледниковые отложения и потому называются покровными. Мощность их не превышает 12 м. Водно-ледниковые отложения по составу напоминают аллювиальные.

63

Причины прошлых обледенений еще не выяснены. Наиболее возможными могут быть изменения в очертаниях суши и направления движения морских течений, которые формируют определенные климатические условия. Например, Гренландия и сейчас покрыта льдом, а некоторые районы Якутии с более низким температурным балансом от него свободны. Причина состоит в том, что в Якутии выпадает очень мало снега и он не может накапливаться.

3.8. Геологическое воздействие ветра и эоловые отложения

Горизонтальное движение воздуха в тропосфере из мест с высоким давлением в места с низким давлением называется ветром. Ветер оказывает на поверхности материков значительное геологическое воздействие. Прежде всего, он развевает мелкие частицы продуктов выветривания (глинистые, пылеватые и песчаные), перемещая их в зависшем состоянии и перекатывая по поверхности. Этот процесс называется дефляцией. Но ветер, перенося в зависшем состоянии мелкие частицы, разрушает ими горные породы также механически. Такой процесс получил название корразии. Расстояния, на которые переносятся мелкие частицы путем перекатывания и в зависшем состоянии, обусловлены размером последних и силой ветра. Ветер при скорости 10 м/с может перемещать частицы размерами до 1 мм, а при скорости 20 м/с – размерами 5 мм. Песчаные частицы переносятся на десятки и сотни километров. Маленькие частицы, глинистые и пылеватые могут перемещаться ветром на сотни и даже тысячи километров. Объем переносимого ветром материала бывает очень значительным. Например, ураганные ветры, которые дуют из Афганистана, известные под названием «афганцы», приносят в Каракумы массу пыли.

Геологическое влияние ветра особенно заметно в тех районах, где вследствие сухого климата и отсутствия растительного покрова преобладает физическое выветривание, а ветры, которые дуют постоянно, часто достигают большой силы.

Материал, который переносится ветром, выпадает и с течением времени накапливается на местности. Так возникают эоловые отложения. К ним принадлежат эоловые пески и толщи лесса. Первые зачастую залегают в пустынях. Пустыни Каракумы и Кызылкум занимают площадь 1 млн км2. Кроме того, много эоловых песков имеют значительное распространение вдоль берегов морей и озер, а также в долинах больших речек. Большие площади эти пески занимают на побережье Прибалтики, а также в долинах рек Волги, Днепра и Дона. В этих местах вследствие перемещения песка ветром возникают своеобразные пряди холмов, которые в пустынях называются барханами, а на побережье – дюнами. В плане барханы имеют серпообразную форму (рис. 3.14) и высоту 20 – 30 м. Наветренная сторона бархана пологая (5 – 14°), а подветренная – крутая (30 – 33°).

В отличие от барханов, дюны – это вытянутые валы с округлыми вершинами высотой до 30 м. У них, как и у барханов, наветренная сторона пологая, а подветренная крутая.

64

а

Рис. 3.14. Барханы:

а – план; б – разрез; 1 – направление ветра

Барханы и дюны под влия-

	нием господствующих ветров пере-	1
	мещаются в направлении движения
	песка из наветренной в подветрен-
	ную сторону.	б
	Такие подвижные пески при-
	чиняют большие убытки экономи-

ке, поскольку захватывают ценные земли, затрудняют эксплуатацию дорог, каналов, засыпают строения

и сооружения. Скорость перемещения барханов и дюн разная: от нескольких до 20 м в год. Наблюдаются также случаи перемещения их со скоростью до нескольких метров в сутки. Подвижные пески имеют обычно рыхлый состав, что следует учитывать, проектируя здания и сооружения, в особенности гидротехнические.

Борьбу с подвижными песками ведут, главным образом, путем насаждения леса, кустарника и травы. В пустынных районах с этой целью используют саксаул. В районах с более влажным климатом – сосну.

Толщи лессов формируются в условиях сухого климата вследствие отложения и накопления пылеватого и глинистого материала, который приносят ветры из пустынь и других районов, а также как результат развеивания продуктов выветривания. В составе лесса преобладают пылеватые частицы. В процессе накопления материала в толще происходит слабая цементация частиц углекислым кальцием. В то же время, отмирая, частички растений предопределяют наличие там крупных пор – макропор. Вследствие этого лесс является пористой породой. Цвет лесса – палевый. Лесс распространен на Украине и в Средней Азии. Большие площади заняты им в Китае. Лесс имеет своеобразное свойство: при замачивании под нагрузкой он уменьшается в объеме, проседает. Это усложняет возведение на его толщах зданий и сооружений.

3.9. Геологическое воздействие моря и морские отложения

Море также оказывает значительное геологическое влияние на среду – как разрушительное, так и созидательное. В наше время площади, которые занимают моря и океаны, можно разделить на три части: материковая отмель (шельф) – до глубины около 200 м (8,4 % площади); материковый склон – на глубинах от 200 до 2400 м (9,3 %), океаническое ложе вместе с глубоководными впадинами – на глубинах свыше 2400 м (82,3 %) (рис. 3.15).

В пределах мелкого моря выделяют литоральную и неритовую зоны, причем первая занимает ту прибрежную часть, которая заливается водой во время прилива и освобождается от нее после отлива. Разрушительное воздействие происходит в литоральной и частично неритовой зонах, его следствием является размыв берегов волнами прибоя. Этот процесс называется абразией.

65

Волны прибоя формируются в процессе прилива и отлива, а также за счет прибрежных течений. Под влиянием ветра в море возникают волны, высота которых может достигать 15 м. Если они приближаются к берегу, то вследствие близости дна, разрушаются и сталкиваются с потоком воды, отраженным берегом, который движется им навстречу. При этом получается заплеск, высота которого превышает высоту волны. Масса воды направляется к берегу и ударяет в него. Действие массы воды на береговую стенку бывает очень сильным. Например, давление волн Черного моря возле г. Туапсе достигает 57 кПа, а волн Атлантического океана возле северных берегов Англии – 380 кПа. В результате берег разрушается и формируется волноприбойная терраса размывания до глубины 20 м (рис. 3.16). Разрушительная работа волн усиливается наличием песка, гравия, гальки и более крупных обломков, которые вместе с водой бьют в береговую стенку. В то же время происходит разрушение обломочного материала. Часть волноприбойной террасы от уреза воды к береговой стенке называется пляжем.

	3	4	5	6
		2		1
2400 м	200 м

		1
3		2
	5	6
4

Рис. 3.15. Схема дна Мирового океана:		Рис. 3.16. Волноприбойная терраса
1 – уровень моря; 2 – пляж; 3 – береговая		размывания:
стенка; 4 – материковая отмель; 5 – конти-	1	– материковая отмель; 2 – неритовая зона;
нентальный склон; 6 – ложе Мирового океана	3	– литоральная зона; 4 – волноприбойная
	терраса размывания; 5 – прилив; 6 – отлив

Если суша в данном месте находится в состоянии покоя, то через определенное время разрушение берега волнами прибоя прекратится, поскольку даже самые большие волны не будут достигать береговой стенки. Если же суша опускается, то море будет непрерывно наступать на сушу, разрушая берега. Скорость этого процесса зависит от их геологического строения, состава пород, высоты и направления движения волн. Например, скорость разрушения берега Черного моря возле г. Одессы, содержащего известняк-ракушечник, равна 1,5 – 2 м, а отдельных участков берега Азовского моря из глинистых пород – 12 м в год. В то же время скорость разрушения состоящих из скальных пород берегов Кольского полуострова в районе г. Мурманска составляет лишь доли сантиметра в год.

Обломочный материал пляжа и волноприбойной террасы (песок и галька) может перемещаться вдоль берега под влиянием волн, которые набегают на берег под определенным углом. Это нужно принимать во внимание при строительстве защитных сооружений – волноотбойных стенок, подводных волноломов и запруд (рис. 3.17).

66

Однако		в море преобладают
созидательные		геологические влия-
ния. Известно, что основная масса
осадочных	пород		образовалась	в	а
море. Отложения продуктов вывет-
ривания, которые попадают в море с
поверхности материков, а также ма-
териалов, которые образовались во
время разрушения берегов, есть на					б
всех участках дна морей и океанов.					Рис. 3.17. Сооружения для защиты берега моря:
На материковой отмели, в ли-					а – волноотбойная стенка; б – подводный
торальной зоне и верхней части не-					волнолом
ритовой зоны откладывается обломочный материал: сначала валуны, галька,
гравий, а потом пески крупные и помельче. Здесь же могут образовываться
известняки–ракушечники и формироваться коралловые рифы. В нижней части
неритовой зоны и в верхней части континентального склона откладывается
тонкозернистый материал, в котором преобладают частицы с размерами 0,1–
0,01 мм. Эти отложения содержат также ракушки–фораминиферы и прочие
организмы.
В нижней части материкового склона и в ложе океана откладывается
наиболее тонкозернистый минеральный и органический (ракушки-форамини-
феры) материал с частицами размером меньше чем 0,01 мм. Это разнообраз-
ные илы: глинистые, известняково-глинистые, кремнисто-глинистые, вулкани-
ческие.
Интересно, что в морских отложениях минувших эпох, которые теперь
расположены на суше, находят элементы, характерные для материкового
склона. Это свидетельствует о том, что моря, которые ранее были на нынешних
материках, имели небольшую глубину.

3.10. Отложения озер и болот

Озерами называются углубления на поверхности суши, заполненные водой. Эти углубления бывают разного происхождения. Например, озера Байкал и Иссык-Куль образовались на месте больших впадин (грабенов). Углубления Ладожского, Онежского и других многочисленных озер возникли вследствие воздействия ледников. Углубление Сарежского озера на Памире образовалось как результат перекрытия ущелья р. Бартанг обвалом в 1911 г. Многие озера (Эльтон, Баскунчак, Челкар и т. п.) сформировались на месте провалов и пустот в легкорастворимых водой породах. Озера возникают также в старицах равнинных рек. Озера бывают и в дельтах больших рек. Построенные людьми большие и маленькие водохранилища, в сущности, являются искусственными озерами.

Геологическое влияние больших озер (Каспийского и Аральского морей, озер Байкал, Ладожского, Онежского и др.) в целом напоминает воздействие

67

моря. В частности, наблюдается интенсивное разрушение берегов волнами прибоя в условиях переменного уровня воды. В небольших озерах происходит преимущественно накопление осадков.

Отложения пресных озер содержат в основном обломочный материал (гальку, гравий, пески и глинистые породы) и органический ил (сапропель), образовавшийся из остатков мелких животных и растительных организмов. Берега таких озер имеют буйную растительность, остатки которой постепенно их заполняют. Так происходит заболачивание озер. В пресных озерах химическим и биологическим путем откладывается также гидроксид железа – лимонит (озерная железная руда). В отложениях соленых озер (например Северного Крыма, Прикаспийской низменности) преобладают галоиды, сульфаты и углекислая известь, которые выпадают в осадок летом при повышении их концентрации.

Болота – это переувлажненные участки суши. Они бывают низменными и верховыми. Низменные болота наиболее часто возникают на месте озер в долинах рек. Остатки осоки, рогоза, камыша и гипсовых мхов, которые здесь растут, служат материалом для образования торфа.

Верховые болота формируются на междуречных пространствах, где в условиях избыточного атмосферного увлажнения растут мох сфагнум, кукушкин лен и т. п. Из остатков этих растений тоже образуется торф. Торф верховых болот отличается от торфа низменных болот низкой зольностью и высокой калорийностью. Много торфяных болот в Карелии, Полесье, а также в Западной Сибири (Васюганские болота), их появление было обусловлено равнинным рельефом этих территорий, влажным климатом и наличием на небольшой глубине водонепроницаемых пород.

3.11. Четвертичные и коренные отложения

Элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, ледниковые, эоловые, морские и озерно-болотные отложения формировались на протяжении всей геологической истории. Осадки, входящие в эти отложения, постепенно видоизменялись и превращались в осадочные горные породы – обломочные, органогенные и химические. Преобразование осадков в горные породы происходит главным образом под влиянием уплотняющего давления верхних пластов и в результате цементации их разными веществами. Причем цементация может происходить как за счет веществ, которые там содержатся, так и под влиянием веществ, привнесенных извне. Завершающий этап процесса видоизменения осадков, во время которого они превращаются в породы скального типа, называется диагенезом. Конечно, не все осадки проходят этот этап. Отложения из крупнообломочных, песчаных и глинистых пород не испытывают влияние диагенеза.

Отложения, которые образовалось в последний, четвертичный, период, получили название четвертичных отложений. Они почти повсюду залегают возле поверхности земной коры пластом толщиной до нескольких десятков

68

метров. Лишь в отдельных местах толщина четвертичных отложений достигает сотен метров. Большинство пород в четвертичных отложениях не успели пройти этап диагенеза, и потому они содержат нескальные породы. Именно с этими породами наиболее часто имеют дело строители. В отличие от пород четвертичного периода, породы и отложения, образованные раньше, называются коренными. По ряду причин коренные породы могут выходить на поверхность или располагаться на небольшой глубине, как, например, граниты днепровских порогов в Запорожье.

3.12. Плывуны и особенности возведения на них зданий и сооружений

Плывунами называются такие насыщенные водой грунты, которые при определенных условиях переходят в текучее состояние и приобретают свойства жидкости. Это значит, что их сопротивление сдвигу становится равным нулю. В текучее состояние могут переходить пески, супеси, а иногда некоторые суглинки и илы.

Ученый А.Ф. Лебедев разделил плывуны на ненастоящие (псевдоплы-

вуны) и настоящие (истинные плывуны). К псевдоплывунам относят пески,

которые переходят в текучее состояние под влиянием движения воды. Оно возможно в местах выхода на поверхность артезианских вод или воды, которая фильтруется в основаниях плотин и дамб, а также при открытом водоотводе из котлованов. Изменение гидрогеологического режим движения воды может возникнуть также в толщах песков рыхлого строения после их динамического уплотнения, например, при землетрясении. Вследствие разрежения песков во время землетрясения фундаменты домов и сооружений углубляются в них. Возможно разрежение затопленных откосов, выполненных из песка земляных плотин, дамб, транспортных насыпей в поймах рек и т. п.

Особенностью псевдоплывунов есть то, что они, имея значительную водопроницаемость, хорошо отдают воду. Поэтому при снижении гидравлического градиента они быстро переходят из текучего состояния в стабильное.

В отличие от псевдоплывунов, истинные переходят в текучее состояние преимущественно вследствие нарушения в них структурных тиксотропно-коа- гуляционных связей под влиянием ударных и вибрационных нагрузок. Такие особенности истинных плывунов можно объяснить содержанием в них коллоидных частиц. Они содержатся в пылеватых песках, супесях, частично в суглинках, илах и способны формировать гелеобразные системы, которые под ударными и вибрационными воздействиями переходят в суспензии. Это и приводит к их разжижению. Но спустя некоторое время, после своеобразного «отдыха», суспензии снова становятся гелеобразными и нарушенные структурные связи возобновляются. Такие преобразования называются тиксотропией. Фильтрационное давление в этом процессе не имеет большого значения. Поскольку большая часть воды в настоящих плывунах находится в связанном

69

состоянии и удалить ее тяжело, то возобновление их устойчивости является сложной задачей.

Признаки истинных плывунов такие: большая плотность (1,8 – 2,2 т/м3), низкая водопроницаемость (kf = 0,01 – 0,5 м/сутки), цементация минеральных частиц при высыхании, образование стойкой суспензии при взбалтывании

вводе.

Вусловиях ненарушенного залегания типичные истинные плывуны, чаще всего пылеватые пески, относятся к малосжимаемым грунтам, поэтому могут быть основанием зданий и сооружений. Но опасность их перехода в текучее состояние создает серьезные затруднения во время строительства. Если в производственных зданиях и сооружениях устанавливают оборудование, которое создает ударные и вибрационные нагрузки, то возникает опасность разжижения плывунов в основаниях и возникновение больших осадок фундаментов. Чтобы не допустить этого, фундаменты изготовляют с пружинными амортизаторами или вибропрокладками.

Значительные трудности возникают во время рытья строительных котлованов. Работа ковша экскаватора при выемке грунта разжижает плывун и приводит к дополнительному его поступлению в котлован снаружи. В этом случае объем земляных работ увеличивается иногда в 2 – 3 раза. Возникает опасность разрушения домов, которые расположены рядом. В связи с этим котлованы начали обустраивать с применением водопонижения.

Для водопонижения в грунтах с коэффициентом фильтрации 1 – 2 м/сут могут быть использованы легкие иглофильтровые установки, например, ЛГУ-3 или ЛГУ-5 (схема на рис. 3.18). Основная составная часть установки – иглофильтры длиной 8,5 м. В нижней части они имеют приемочное звено диаметром 60 мм с клапаном и латунной сеткой. Иглофильтры погружают в грунт с помощью подмыва или пневмозабойника. Расстояние между иглофильтрами рассчитывают, исходя из необходимой величины снижения уровня воды и водопроницаемости грунта. Иглофильтры соединяются с коллекторной трубой. На этой трубе есть муфты, расстояние между которыми составляет 0,75 м, куда можно подключать шланги от иглофильтров. Воздух и вода отбираются из коллекторной трубы с помощью насосного агрегата. Во время работы иглофильтровой установки уровень воды в середине контура снижается на 4,5 – 5 м.

Вгрунтах с низкой водопроницаемостью (kf = 0,01 – 3 м/сут) применяют установки вакуумного водопонижения, например УВВ-М, которые могут откачивать воду и воздух при высоком вакууме во всасывающем коллекторе.

Вгрунтах, коэффициент фильтрации которых kf < 1 м/сутки, но которые практически не отдают воду, применяют электроосушение (электроосмотическое водопонижение). Оборудование, необходимое для проведения электроосушения, состоит из легкой иглофильтровой установки, источника постоянного тока с напряжением 60 В, комплекта труб или металлических стержней. Принципиальная схема установки показана на рис. 3.19.

70