62

Конспект лекций по Инженерной геологии

Лекция 1.Введение. Общие сведения о Земле.

1.1. Инженерная геология (иг), ее задачи и содержание. Иг как наука о рациональном использовании и охране геологической среды

Инженерная геология сформировалась как наука геологического цикла в 20 – 30 годах ХХ века в связи с запросами различных видов строительства – транспортного, промышленного, энергетического и др. Были созданы специализированные изыскательские организации, инженерно-геологические исследования стали необходимой стадией проектирования и строительства. ИГ, включающая на этом этапе грунтоведение и инженерную геодинамику, стала изучаться в вузах. В последующие 1940…70-е гг. она интенсивно развивалась применительно к решению проблем строительства в сложных геологических условиях транспортных сооружений, крупных ГЭС и ТЭС, атомных электростанций и др. Содержание ИГ расширилось за счет обобщения закономерностей инженерно-геологических условий обширных территорий (регионов); региональная ИГ стала третьей составной частью инженерной геологии.

В настоящее время (с 1980-х гг.) инженерная геология рассматривается как наука о геологической среде (ГС), т.е. верхней толще земной коры, ее охране и рациональном использовании. Это обусловлено резким ростом нагрузки на природную среду по многим причинам: рост численности населения в целом, городского в особенности; энерговооруженности и производительных сил общества; масштабов возводимых сооружений и т.д. Соответственно возрастает нагрузка на геологическую среду и растет опасность ее реакций на критические техногенные воздействия. Примерами таких реакций являются «наведенные» землетрясения при заполнении больших водохранилищ и закачке воды в глубокие скважины; выбросы пород, газа в глубоких шахтах и рудниках, приводящие иногда к авариям с человеческими жертвами; подтопление грунтовыми водами и наоборот, истощение глубоких водоносных горизонтов и др. Особенно велик уровень техногенных воздействий в больших городах.

Для России с ее огромной территорией (17,08 млн км²) и разнообразием природных условий значение ИГ особенно велико для всех видов строительства, разработки месторождений полезных ископаемых, надежной эксплуатации сооружений.

1.2.Общие сведения о Земле

Земля имеет сложную форму геоида, но упрощенно представляется шаром, слегка сплюснутым вдоль полюсов (относительное сжатие около 1:300) со средним радиусом 6371 км. Поэтому строение Земли можно характеризовать совокупностью внешних и внутренних геосфер. К внешним относятся атмосфера, гидросфера и биосфера – область распространения жизни, включая все ее формы до микроорганизмов и бактерий.

Внутренние геосферы – земная кора, литосфера, мантия и ядро (рис.1.1). Вся деятельность человека протекает в верхней толще земной коры (ЗК). В ней выделяют три слоя: осадочный, мощностью до 15 км, а в среднем 3…4 км; гранитный, до 35 км (в океанической ЗК он отсутствует); базальтовый. Мощность ЗК около 70 км, глубже до 2900 км идет мантия, затем ядро. Верхний слой мантии 4 состоит из твердых пород (литифицированная мантия), как и ЗК; вместе они называются литосферой. Установлено, что под литосферой на отдельных участках верхней мантии породы находятся в состоянии расплава (астеносфера 5). С этим связано проявление на Земле вулканической деятельности и разнообразных движений ЗК. Все геосферы взаимосвязаны: например, атмосферные явления влияют на изменения горных пород и характер земной поверхности (рельеф); процессы в литосфере и биосфере влияют на состав атмосферы и т.д.

Лекция 2. Минералы, магматические, метаморфические и осадочные горные породы.

2.1. Определения и основные сведения.

Земная кора состоит из горных пород, представляющих собой агрегаты, то есть соединения нескольких (иногда одного) минералов. Минералом называется природное образование, относительно однородное по внутреннему строению, химическому составу и физическим свойствам. Большая часть минералов имеет кристаллическое строение, когда составляющие их частицы – атомы, ионы – располагаются в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Для отдельного кристалла это проявляется правильной формой многогранника – куба, призмы, октаэдра и др. Лишь некоторые минералы имеют некристаллическое, аморфное строение.

Обычной и наиболее важной формой существования минералов в ЗК являются горные породы. Более редки отдельные кристаллы или их сростки (друзы). Встречаются и другие формы: конкреции – округлые минеральные агрегаты радиально-лучистого строения; секреции – результат заполнения минералом пустот в горных породах с нарастанием его от стенок к центру; оолиты – мелкие сферические образования; натеки в виде желваков, почек, сталактитов и т.п.

Всего известно более трех тысяч минералов, но основную массу пород ЗК составляют несколько десятков наиболее распространенных минералов, называемых породообразующими. Знание их свойств и умение выделить их в конкретной породе имеют важное значение.

Минералы и горные породы образуются в ходе разнообразных процессов, протекающих в земной коре и на ее поверхности. По характеру энергии, порождающей процессы, они делятся на эндогенные, связанные с внутренней энергией Земли и экзогенные – с внешней, главным образом солнечной энергией. Основными эндогенными процессами минерало- и породообразования являются магматизм и метаморфизм. Магматизмом называется внедрение в толщу ЗК огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) или излияние ее на земную поверхность в виде лавы с последующим остыванием и затвердеванием. Горные породы, составленные образующимися таким образом минералами, называются магматическими (МГП).

Метаморфизмом называются процессы изменения ранее возникших минералов и горных пород в новых условиях их существования, под действием высоких давления и температуры, а также химически активных жидкостей и газов. Образующиеся породы называются метаморфическими (ММГП).

Экзогенные минералы образуются на земной поверхности и на небольшой глубине вследствие преобразования эндогенных минералов, кристаллизации и осаждения солей из водных растворов, а также в результате жизнедеятельности животных и растительных организмов, накопления их остатков. Такой процесс минералообразования называется осадочным, а возникающие при этом горные породы называются осадочными (ОГП).

По химическому составу минералы подразделяются на 10 классов: силикаты (наиболее распространены минералы магматического происхождения - полевые шпаты ортоклазы и плагиоклазы, слюды, оливин, авгит, роговая обманка; метаморфического – тальк, хлорит, серпентин; осадочного – каолинит, монтмориллонит, гидрослюды), оксиды (кварц, корунд, халцедон, кремень), гидроксиды (лимонит, опал), карбонаты (кальцит, доломит), сульфиды (пирит), сульфаты (гипс, ангидрит), галоиды (галит, сильвин, флюорит), фосфаты (апатит), вольфраматы, самородные минералы; породообразующие минералы принадлежат к первым восьми классам.

Во многих случаях минерал можно определить по его физическим свойствам, к которым относятся: форма кристаллов; оптические свойства – цвет, блеск, прозрачность; спайность, то есть способность раскалываться или расщепляться с образованием гладких блестящих плоскостей; характер излома; плотность, твердость и др.

По плотности различают минералы легкие ( ≤2,5г/см³), тяжелые ( >= 4) и средней плотности при изменении  в указанных пределах. Для определения твердости минералов пользуются шкалой Мооса, в которой каждый последующий из приведенных эталонных минералов царапает предыдущий, т.е. превышает его по твердости на один балл: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз, корунд, алмаз. Последние три минерала относятся к редким, так что из перечисленных породообразующих минералов к твердым относятся полевой шпат (6) и кварц (7); к мягким тальк (1) и гипс (2); остальные имеют среднюю твердость.

Из сопоставления средних плотностей пород ЗК и Земли в целом (соответственно 2.7 и 5,52 т/куб.м.) следует, что к центру плотность вещества возрастает. Растут также давление и температура.

В породах ЗК установлены все химические элементы. Наиболее распространены кислород (46,8), кремний (27,3), алюминий (8,7); в скобках указаны массовые доли элемента (кларки). Далее идут железо (5,1), кальций (3,6), натрий и калий (по 2,6), магний (2,1), водород (1,0). На долю всех остальных приходится менее одного процента. Отсюда ясно, что в химическом составе пород ЗК будут преобладать перечисленные элементы.

Рис. 1.1. Внутренние геосферы

Из физических полей Земли большое значение имеют тепловое, гравитационное, магнитное; закономерности последних используются в геофизических методах, применяемых в инженерной геологии.

Тепловой режим Земли формируется за счет внешней энергии, в основном солнечной, и внутренней, связанной с процессами в мантии и ядре. На поверхности действует солнечное тепло, и соответственно имеют место колебания температуры – суточные, сезонные, годовые и вековые. На глубине 10…15 м они постепенно затухают, и далее располагается зона постоянных температур, примерно равных среднегодовой для данной местности. С глубины 40…50 м сказывается влияние внутренней энергии и температура растет. Количественно ее рост характеризуют указанием геотермической ступени (ГС) или геотермического градиента (ГГ). ГС – это расстояние в глубину, на котором температура увеличивается на один градус Цельсия. ГГ – это возрастание температуры на 100 метров глубины. Очевидно соотношение ГС = 100/ГГ. В среднем ГС равна 33 м, но в общем она меняется от 5 до 100 м. Например, для Москвы ГС = 59 м, для Петербурга только 20 м; различие объясняется более близким к поверхности для последнего расположением кристаллических пород и наличием в них глубоких разломов. Учет роста температуры с глубиной имеет непосредственное практическое значение при строительстве тоннелей, шахт, бурении скважин. Так, при проходке Северо-Муйского тоннеля на БАМе температура достигала 40⁰, Симплонского тоннеля в Альпах (на глубине 2690м) - 50⁰, что значительно осложняло строительство.

Очень большое практическое значение имеет устойчивость минералов к выветриванию. В этом отношении они подразделяются на очень устойчивые – кварц, мусковит; устойчивые – ортоклаз, альбит, т.е. полевые шпаты с большим содержанием кремнекислоты (кислые); умеренно устойчивые – кислые плагиоклазы, авгит, роговая обманка, биотит и др.; малоустойчивые – основные плагиоклазы (с малым содержанием кремнекислоты), оливин, пирит. Некоторые другие сведения о влиянии минералов на строительные свойства горных пород будут приведены далее.

2.2. Магматические горные породы (мгп)

С учетом условий образования МГП могут быть интрузивными (глубинными) и эффузивными, или излившимися. Для интрузивных характерно медленное остывание магмы, при котором происходит полная ее раскристаллизация. Образующиеся породы имеют зернистую полнокристаллическую структуру и плотную текстуру (граниты, сиениты, диориты, габбро). Формы залегания таких пород – батолиты, лакколиты, штоки, жилы и др. (рис.2.1).

Рис. 2.1. Формы залегания интрузивных МГП:

1 – батолит; 2 – шток; 3 – лакколит; 4,5 – жилы (4 – пластовая или силл; 5 – секущая или дайка)

При эффузивном магматизме магма вытекает на поверхность земли из трещин в ЗК или из кратеров вулканов. Процесс твердения по сравнению с интрузиями ускоряется и образующиеся породы имеют порфировую (с кристаллами в виде отдельных вкраплений в общей стекловатой массе) или стекловатую структуру; текстура может быть как плотной, (порфиры, порфириты, диабазы), так и пористой – липариты, трахиты, андезиты, базальты, пемза. В зависимости от рельефа, объема и свойств лавы эффузивные породы образуют купола (а очень вязкие кислые и ультракислые лавы даже обелиски), потоки, покровы (рис.2.2).

Все МГП широко применяются в различных областях строительства. Из интрузивных наиболее распространенная порода – гранит, а из эффузивных – андезиты и базальты.

Рис. 2.2. Формы залегания эффузивных МГП:

1- купол; 2 – покров; 3 - поток

При рассмотрении образцов МГП представляется, что все они обладают большой прочностью и практически несжимаемы. Однако перенести такое представление на массивы МГП в природных условиях не всегда возможно. Это связано с трещиноватостью пород, причем трещины имеют различную природу. Уже при остывании и твердении магмы из-за неравномерного сокращения объема появляются трещины отдельности, разбивающие массив на блоки различной формы, специфической для разных пород – матрацевидной для гранитов, столбчатой и шаровой для базальтов и др.

Далее ослабляющее влияние на породы оказывает процесс выветривания. В результате отдельности разбиваются трещинами выветривания на еще более мелкие части. Проникающие в трещины вода, кислород, углекислота, микроорганизмы взаимодействуют с минералами. При этом в массиве МГП могут появиться совершенно несвойственные им минералы – например, глинистые, карбонаты и др.

Еще одним типом являются трещины, возникающие вследствие изменения напряженного состояния массивов пород, называемые трещинами разгрузки. Наконец, тектонические движения приводят к появлению тектонических трещин большой протяженности и раскрытия. Заполняются трещины материалом, совершенно измененным по сравнению с исходными породами.

Трещиноватость в некоторых случаях полезна, облегчая разработку пород, дробление их, изготовление щебня и т.п. В то же время при возведении тяжелонагруженных сооружений может оказаться необходимым удалить выветрелый слой породы или упрочнить массив нагнетанием в трещины цементного раствора (цементация).