Геология лекции. Конспект лекций для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 270800. 62 Строительство

• Название: Конспект лекций для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 270800. 62 Строительство
• Анкор: Геология лекции.docx
• Дата: 10.04.2018
• Размер: 7.71 Mb.
• Имя файла: Геология лекции.docx
• Тип: Конспект лекций; #17901
• страница: 6 из 9

4.1.1 Выветривание

Начнем мы с выветривания – универсального процесса, который идет всегда и везде. На поверхности суши все горные породы медленно изменяются и разрушаются, под влиянием колебаний t, химического воздействия воды, кислорода, СО₂ атмосферы, органических веществ, выделяемых растениями и животными. Все многообразие изменений называется выветриванием. Различают три типа выветривания – физическое и химическое и биологическое.

Физическое – состоит в распаде минералов и пород на обломки без изменения их химического состава.

Выделяют: Механическое выветривание – замерзание воды в трещинах (морозное выветривание), механическая сила ветра и удары песчинок.

Температурное выветривание – суточные и сезонные перепады температуры.

Все минералы имеют разные теплопроводные свойства. Начинают проявляться сжимающие и растягивающие силы. Образование микротрещин. Растрескивание и образование обломков. Потом они измельчаются. Наиболее сильно проявляется в горах, в пустынях.

Химическое – проникает глубоко. Порода изменяется до неузнаваемости. Большая часть минералов разлагается и превращается в другие, большей частью в глинистые.

Главные факторы – свободный кислород, СО₂, органические вещества и особенно вода. Основные химические реакции, протекающие при химическом выветривании – окисление, карбонатизация, гидролиз, гидратация.

Окисление – (присоединение кислорода). Пирит FeS₂+О₂+Н₂О= сульфат железа + серная киcлота.

Карбонатизация – отнятие углекислотой оснований от минералов с образованием солей угольной кислоты (т.е. карбонатов).

Гидролиз – гидроксил–ион воды (ОН^-) отнимает от минералов металлы, на место которых становится ион водорода. Пример, разложение полевых шпатов:

К₂Аl₂Si₁₆O₁₆+(2+4)H₂O+CO₂ =H₄Al₂Si₂O₉+K₂Co₃+4SiO₂4H₂O

Гидратация – присоединение к минералам молекул воды.

Ангидрит CaSO₄+2H₂O = CaSO₄·2H₂O (гипс), увеличение V на 30 % !

Биологическое выветривание сочетает в себе черты механического и химического выветривания. К механическому выветриванию можно отнести, например, разрушение горных пород корнями растений или моллюсками-сверлильщиками. Различные роющие животные и насекомые улучшают вентилируемость почвы, что способствует процессам выветривания на более глубоких горизонтах.

К химическому выветриванию следует отнести процессы жизнедеятельности лишайников, мхов и других растений способных извлекать различные элементы со значительных глубин, до 40–50 м., и концентрировать их в своей биомассе.

Часть разреза горных пород, в которой породы сильно изменены, называется корой выветривания. А эти новообразованные породы, оставшиеся на месте, называются элювиальными отложениями.

Неизмененные или слабоизмененные породы – «материнские».

В наше время – в северных и средних широтах, где происходит физическое выветривание – образуется грубообломочный элювий (щебень, дресва, пески). В тропических широтах преобладает химическое и биологическое выветривание, образуются глины, дисперсные породы. В геологической истории существовали периоды с таким жарким и влажным климатом. Урал – типичный, уникальный регион, где развита древняя кора выветривания. В мезозое и палеогене были периоды, когда господствовал влажный тропический и субтропический климат. Это были периоды мощного корообразования. В результате на месте горных пород образовался элювий (глинистые породы), мощности которых составили первые десятки метров eMz.

В зависимости от преобладающих минералов, образовавшихся в результате выветривания, различают профили – гидрослюдистый, каолинитовый, монтмориллонитовый.

Разные породы имеют разную устойчивость к выветриванию. Наиболее устойчивы к выветриванию плутонические (интрузивные) породы, в первую очередь кислые – граниты, затем диориты (средние), пироксениты, габбро, наиболее слабые ультраосновные. Наиболее хорошо выветриваются – эффузивные и метаморфические горные породы (особенно сланцы).

Останец – отдельно возвышающаяся скала, оставшаяся при выветривании благодаря локальному развитию более крепких разностей пород – «Каменные палатки» на Шарташе, (рис 21), «Чертово городище» (ри. 22).



Рис. 21 Каменные палатки (фото с сайта http://virlib.eunnet.net/Ekaterinburg)



Рис. 22 Чертово городище (фото с сайта http://mad-ptah.com)

Самые мощные коры выветривания наблюдаются по тектоническим нарушениям и, особенно на контакте карбонатных пород с другими.

На Урале коры выветривания развиты на Восточном склоне, с ними связаны полезные ископаемые – золото, редкие металлы; строительные полезные ископаемые – глины кирпичные, каолиниты и пр.

Коры выветривания – надежные основания для строительства за счет остаточных связей в минералах. Быстро теряют свои свойства при промерзании-оттаивании и при обводнении.

Глины в зоне выветривания:

– раскрытие существующих и образование новых трещин,

– разрыхление, следовательно, увеличение пористости,

– появление новых минералов.

Таким образом, ухудшение физико-механических свойств грунтов в зоне выветривания, что, в свою очередь, приводит к уменьшению сопротивления сдвигу и увеличению сжимаемости. Поэтому важно – не допускать простоя котлованов.

Отрицательное свойство – набухание при замачивании монтмориллонитовых глин.

Меры борьбы:

– покрытие горных пород непроницаемыми для агентов выветривания материалами,

– пропитывание пород различными веществами (жидкое стекло, гудрон, цемент) для устойчивости,

– нейтрализация (соль) – дорогой метод,

– планировка территории – отвод воды.

4.1 2. Геологическая деятельность ветра

Ветер – один из важнейших экзогенных геологических факторов (скорость ветра достигает 250 км/час). Ветер везде, его геологическая деятельность сдерживается растительным покровом. Поэтому он наиболее проявлен в пустынях.

Корразия (сдирание) – процесс механической эрозии, обтачивания, истирания, шлифования и высверливания массивов горных пород движущимися массами обломочного абразивного материала, перемещаемого ветром. Ветер турбулентен. Засасывает песчинки и переносит. Пески ударяются в горные породы и выбивают из нее частицы (рис. 23).



Рис. 23 Корразия, изменение современной облицовки

Дефляция (выдувание) – ветровой снос рыхлых продуктов (рис. 24).



Рис. 23 Дефляция ( фото с сайта http://studlab.sfedu.ru)

Пример – впадина Катар в Ливии – 300 км в длину до 150 км в ширину до 100–200 м в глубину.

Усиление деятельности ветра возникает вследствие вырубок леса, кустарников, нарушения почвенно-растительного слоя.

Перенос песков и аккумуляция образует дюны, барханы. Песчаные пустыни. Пески постоянно движутся.

Эоловые отложения переносятся: – по воздуху (легкие); – по поверхности перекатыванием частиц (крупные).

Борьба: химические методы, закрепление склонов растительностью, щиты от заносов (зимой вдоль дорог), планировка территорий, проектирование «безаккумулятивных» форм сооружений, пропускающих движущийся песок.

Нагрузка ветра влияет на высотные сооружения – раскачивание.

4.1.3. Геологическая деятельность атмосферных осадков

Под текучими водами понимаются все воды поверхностного стока на суше, от дождевых струй до больших рек. В деятельности текучих вод различают три этапа: разрушение (размыв), перенос продуктов разрушения, переотложение (аккумуляцию).

Процессы выветривания, деятельность ветра, деятельность текучих вод, деятельность льда (ледники), все это будет называться денудацией, т.е. рельеф земли формируется под воздействием процесса денудации (обнажаю).

Охарактеризуем эти процессы в цифрах: средняя скорость водной денудации континентов – 0,05 мм/год; в горах (например, Ср. Азия) – 0,44 мм/год в отдельных частях до 1,6 мм/год. Реками транспортируется в океаны 17,6 млрд.т минерального вещества в год.

Прочие поверхностные стоки – атмосферные осадки (дождь и снег). Часть испаряется, часть просачивается, а основное стекает вниз по склону. Это так называемый площадной (плоскостной) смыв (сток) – площадная эрозия. Другая часть через мелкие ручейки переходит в реки – это русловый сток. Реки врезаются в поверхность суши. Такая работа (процесс) называется эрозией, а поскольку она идет по линии, то говорят линейная эрозия (долины рек, овраги, промоины).

Площадный смыв (площадная эрозия) – происходит перемещение элювиальных осадков вниз по склону, их переотложение на склоне (возникновение делювиальных отложений).

Делювий (dQ) – продукты выветривания перемещенные водными потоками, накапливающиеся на склонах и у их подножия, состав – суглинки со щебнем и дресвой. Цвет – бурый, коричневато–бурый. Самый распространенный генетический тип отложений. Нормальные основания для фундаментов. Коричневые глины, керамзитовое сырье. Конуса выноса – пролювий (рQ) по действием гравитационной силы. Сели.

Овраг – вытянутое понижение рельефа на склоне, образованное струйчатой эрозией (долина для временных водотоков).

Условия для образования: ливневые осадки, наличие толщи легко размывающихся пород (суглинки, лессы), отсутствие растительного покрова.

В овраге различают устье, ложе и вершину. Овраг растет вершиной вверх по склону.

Предельная отметка, до которой возможен размыв – местный базис эрозии (река, в которую впадает временный водоток).

Длина оврагов от первых метров до десятков км. Глубина до 20–30 м.

В профиле: вначале V-образный, по мере врезания и выработки профиля равновесия, становятся U-образный. Затем размыв засыхает, дно становится плоским, зарастает, умирает – превращается в балку. Но поверхность продолжает жить – местный базис эрозии.

Лесомелиоративные мероприятия – лесозащитные полосы (регулирует поверхностный сток), посев трав на склонах оврагов.

Строительство водорегулирующих сооружений.

Укрепление участков активного размыва – бетонирование, засыпка и др.

Распашка только параллельно склонам.

Сель – кратковременный разрушительный поток, перегруженный грязекаменным материалом. Объем массы достигает десятков миллионов м³. Страшная угроза. Различают зоны селей: это площадь водосбора, канал стока и район конуса выноса.

Различают: грязекаменные, грязевые и водно-каменные потоки.

Причины: ливневые дожди, бурное снеготаяние, спуск горных озёр, деятельность человека (подрезка склонов) и землетрясения.

Меры борьбы: наблюдение, прогнозирование, отвод воды, растительность, селерегулирующие сооружения (пропускать сель в обход защищаемого здания), селенаправляющие (пропуск селя вдоль объекта), селеотстойники – дамбы.

Снежные лавины – обрушение массы снега с горных склонов с крутизной от 15^о до 50^о (падающие и соскальзывающие).

Подразделяются на мокрые (снег с водой в весенний период) – скорость 20–50 км/час, и сухие (временное потепление, образование потом корки) – скорость – 100 км/час. Сопровождаются образованием воздушной волны, производящей большие разрушения.

По характеру движения подразделяются: осовые – снежные оползни на склонах южной экспозиции, большая площадь; лотковые – узкой полосой; прыгающие – падает с обрыва в долину.

Причины: накопление осадков, разница температур, лыжники, землетрясения, звуковые колебания.

Меры борьбы: террасирование склонов, посадка леса, направляющие подпорные стенки, дороги в галереи, обстрел козырьков.

4.1.4 Геологическая деятельность рек

Река – постоянный водоток, в который стекаются все временные ручьи.

Бассейн реки – площадь, с которой стекает вода к данной реке.

Основные этапы геологической деятельности реки:

– эрозия (разрушение),

– перенос продуктов разрушения,

– переотложение (аккумуляция).

Линейная эрозия – временные ручейки дают жидкость более крупным, т.е. в свою очередь речкам. Образуется – река. Очевидно, что разрушительная работа текучих вод тем больше, чем больше масса воды и чем быстрее ее течение, которое пропорционально крутизне ложа, по которому она течет, движение воды может быть ламинарным или турбулентным.

В руслах рек оно всегда турбулентно. Так вот эти завихрения, вращения создают подъемную силу, которая переносит (мелкие и тонкие), волочатся по дну (крупные), а также переносит часть веществ в растворенном виде. Тем самым водный поток производит разрушающую дно силу – эрозия, эродирует – линейная эрозия. Итак, результатом деятельности водных потоков является образование эрозионных долин или просто речных долин. Впечатляющий пример – гранд-каньон (USA, Колорадо) глубина 2 км (рис.25).



Рис. 25 Большой каньон (фото с сайта http://www.countryofcanyons.ru)

Но, протекая в долине, река, кроме глубокой эрозии, подмывает (размывает) и берега долины – это называется боковая эрозия. Отсюда: глубинная эрозия вырабатывает продольный профиль, а боковая – поперечный профиль.

Базис эрозии и профиль равновесия.

Невыработанный профиль – сильный уклон. Сильное течение. Выработанный профиль – наши основные реки, особенно в Зауралье. Спокойное течение. Выработка профиля продолжается до тех пор, пока не устанавливается динамическое равновесие потока, т.е. соглашение между эрозией, аккумуляцией и мощностью водного потока. Это профиль равновесия. То есть профиль равновесия – это нижняя граница, до которой может идти врезание долины при данных геологических условиях, данном гидрогеологическом режиме потока и при данном положении общего базиса эрозии. Энергия потока ослабевает, донная эрозия уменьшается и река начинает размывать берега – боковая эрозия.

Базис эрозии есть как общий, для всей речной системы, так и местный – по профилю самой реки и сама река для ее притоков.

Речные долины подразделяются на симметричные и ассиметричные.

Классификация форм речных долин: каньон (ущелья), U-образная, V-образная, корытообразная.

Элементы долины реки.



Рис. 26 Элементы долины реки

1 – коренные породы, 2 – склон, 3 – русло, 4 – пойма, 5 – первая надпойменная терраса,

6 – вторая надпойменная терраса, 7 – старица, 8 – дно.

Русло – часть долины, занятая водным потоком;

Пойма– часть долины, заливаемая водой во время весеннего паводка (низкая – ежегодно, высокая – раз в 10 лет);

Надпойменные террасы – уступы на склоне долины реки (продольные вдоль склонов долин в виде горизонтальных площадок, поперечные – порождают водопады). По слагаемому материалу террасы делятся: эрозионные (характерны для горных рек), цокольные (покрытые небольшим слоем аллювия) и аккумулятивные или аллювиальные (вложенные и наложенные);

Старица – изолированная часть русла реки;

Дно низшая часть долины.

Тальвег – условная линия, соединяющая самые глубокие точки дна.

При изысканиях для проектирования сооружений одним из обязательных условий является определение уровней воды:

Расчетный горизонт высоких вод – средний из наибольших уровней по многолетним наблюдениям;

Наивысший горизонт – выше не поднимался 10–15 лет;

Меженный – самый низкий.

Кроме эрозии (углубления) река еще и производит откладывание материала – это аккумуляция (накопление). Т.е. в развитие долины (реки) есть цикл эрозия – аккумуляция и т.д. Таким образом, развитие циклично. В основе всего тектоника – изменение общего базиса эрозии. Теперь эта река аккумулирует: чередование высокой и нижней воды – половодье (паводок) – межень. Наибольшая работа в паводок в русле (скорость большая) осаждается только галька, гравий, песок: русло переполняется водой и выходит из берегов, несет много мелких частиц, которые осаждаются, образуя слоистые супеси, суглинки.

Река извивается: это называется меандрирует. Меандра – старица – озерцо – болотце – глины – торф.

Аллювиальные отложения (аQ) – отложения, сформированные постоянными водными потоками (реками).

В русле – пески, гравий, галечник, валуны – русловой аллювий (фация);

В пойме – суглинки, супесь (во время половодий) – пойменный аллювий (фация).

В старице – глины, торф, илы с растительными остатками – старичный аллювий (фация).

Река ведет боковую эрозию. Старый аллювий (террасы) уничтожается и большей частью долины асимметричные.

Строительные свойства аллювиальных отложений

Русловой (а) – хорошие основания для тяжелых сооружений и мостов.

Если русловой (а) перекрывается пойменным и старичным – свайные основания.

Древний пойменный (а) – просадочные свойства.

Современный пойменный (а) (высокая влажность) – низкая несущая способность.

Старичный (а) – слабые грунты (песчаные подушки, сваи).

Особенность аллювиальных отложений – неоднородность толщ, наличие линз (грунты с различной сжимаемостью).

Инженерно-геологические характеристики (физико-механические свойства) аллювия различны: ряд – русловые (r) – пойменные (pr) – старичные (st). Скажем при строительстве моста – быкидолжны опираться, естественно, лучше всего на коренные породы, в крайнем случае (если мощность большая) на r-аллювий. Далее – подмыв берегов – это прогноз, чтобы мост устоял. От подмыва – укрепления, дамбы, берегоукрепительная стена и пр.

Полезные ископаемые – весь спектр стройматриалов – песок, гравий, глины, суглинки. Кроме того: Au, Pt, алмазы, циркон, агаты и многое другое.