Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Биосфера – особая оболочка, куда входит растительный и животный мир Земли. Она расположена в атмосфере, гидросфере и в земной коре. К внутренним оболочкам Земли принадлежат: ядро, мантия и кора. Ядро имеет радиус 3470 км. Оно делится на внешнее и внутреннее. Плотность вещества в нем очень высокая и достигает в центральной части 9 – 11 т/м 3 при давлении 0,30 – 0,35 млн МПа и температуре не выше 4000 °С. Данные о составе этого вещества очень приблизительны. Считают, что вещес- 10 тво во внешнем ядре находится в расплавленном состоянии, а внутреннее ядро твердое. Это подтверждается расчетами возможности плавления вещества при определенных значениях давления и температуры, а также тем, что поперечные упругие волны, которые могут распространяться лишь в твердых телах, сквозь ядро не проходят. Мантия – это оболочка, которая окружает ядро; ее толщина около 2900 км. Выделяют нижнюю и верхнюю мантии. Плотность вещества мантии колеблется от 3,3 т/м 3 на границе с земной корой до 5,6 т/м 3 на границе с ядром. Температура в этих границах повышается от 1000 до 2300 °С. Вещество мантии находится в твердом состоянии, но в верхней ее части на глубинах 100 – 200 км под материками и 50 – 100 км под океанами находится размяг- ченный пласт, в котором возникают очаги расплавов. Расплавленное вещество поднимается к поверхности, оказывая непосредственное влияние на земную кору. Вещество верхней мантии богато железом и магнием. Кора – поверхностная оболочка Земли, которая имеет среднюю плот- ность 2,7 т/м 3 . Толщина ее под дном океанов составляет 5 – 6 км, а в пределах материков она равняется в среднем 35 км. В горных районах толщина земной коры достигает 70 км. 71% земной коры покрыто водой, 29% занимает суша. Температура в земной коре колеблется от 100 °С на глубине 5 – 6 км до 1000 °С на границе с мантией. Земная кора отделяется от мантии так называемой поверхностью Мохоровичича. На этой поверхности плотность вещества при переходе от земной коры к мантии увеличивается скачкообразно. В земной коре выделяют три пласта: осадочный, гранитный и базальтовый. Строение земной коры не- одинаково под океанами и в пределах материков. Под океанами гранитного пласта в составе земной коры нет. Пласты земной коры образованы из горных пород, составными частями которых являются различные минералы. Процесс формирования земной коры, связанный с образованием горных пород, происходил на протяжении всей геологической истории планеты. Земная кора образована из магматических, осадочных и метаморфических горных пород. Магматические породы возникли в результате твердения в толще земной коры или на ее поверхности магмы, которая поднималась из очагов рас- плавов в верхней мантии. Осадочные породы образовались в результате накоп- ления продуктов разрушения всех пород, которые раньше существовали. Метаморфические породы являются продуктами видоизменения магматичес- ких и осадочных пород под влиянием высокой температуры и давления. На материках выделяют такие значительные площади земной коры, как платформы, складчатые системы и пояса. Платформы имеют складчатый фундамент метаморфических и магмати- ческих пород, которые перекрываются относительно молодыми осадочными породами. Главными структурными элементами платформы являются щиты и плиты. Щиты – это участки, где породы, которые образуют фундамент, выхо- дят на поверхность или лежат на небольшой глубине. На участках плит поро- 11 ды фундамента значительно углублены, а осадочные имеют большую толщину. Складчатые системы и пояса характеризуются тем, что на этих террито- риях толщи осадочных пород смяты в складки, прорезаны трещинами и со- держат внутри и на поверхности массивы магматических пород. Это свойствен- но горным районам. Складчатые системы и пояса образовались в разное время на месте глубоких морских впадин вследствие сложных и продолжительных процессов накопления осадочных пород, смятия их в складки и общего подня- тия. Платформы – это наиболее устойчивые части земной коры, а складча- тые системы и пояса – движущиеся. Ученые считают, что под фундаментами платформ, складчатыми системами и поясами на глубине 5 – 10 км залегает гранитный пласт, а на глубинах 15 – 20 км – базальтовый. В этих массивах сосредоточены основные массы магматических пород. В пределах Русской платформы выделяют Балтийский и Украинский щиты, Московскую, Днепров- ско-Донецкую, Польско-Литовскую, Прикаспийскую и другие впадины, а так- же Воронежский, Белорусский и прочие выступы; в пределах Сибирской платформы – Анабарский и Алданский щиты, Тунгусскую, Вилюйскую, Анга- ро-Ленскую и прочие впадины. Складчатые системы и пояса – это горные районы (Карпаты, Крым, Кавказ и т. п.). В решение вопросов, связанных с изучением строения земной коры, внесли большой вклад ученые Д.В. Наливкин, А.Д. Архангельский, М.С. Шатский, М.М. Страхов, В.В. Белоусов и др. Температурный режимземной коры определяется теплотой, которую она получает от Солнца (внешняя) и от мантии (внутренняя). Поступление внутренней теплоты в пределах материков и океанов одинаково. Внешняя теплота оказывает непосредственное влияние на земную кору лишь в пределах материков. На материках в зависимости от распределения температур выде- ляют три зоны, а именно: зоны сменных, постоянных температур и зону, в которой температура повышается с глубиной. Зона сменных температур имеет толщину от 6 в тропиках до 15 – 25 м в средних широтах. До этой глубины в горных породах наблюдаются годовые колебания температур. Возле этой зоны поверхности такие колебания достигают 100 °С. В средних широтах есть слой этой зоны, который зимой промерзает, толщиной до 2,5 м. Ниже находится зона постоянной температуры, которая равняется среднегодовой в соответствующих географических пунктах. Например, для Киева она состав- ляет +7,2 °С. Зона температур, которая повышается с увеличением глубины, формируется под влиянием внутренней теплоты Земли. Это повышение имеет определенную закономерность. Глубина, на которой температура повышается на 1°С, называется геотермической ступенью. Среднее её значение составляет 33 м, но в разных местах она изменяется от 5 до 150 м. На Северном Кавказе геотермическая ступень равна 12 м, а в Белоруссии – 86,5 м. Особенности распределения температур в земной коре надо учитывать при решении практических задач, связанных со строительством. Выбирая глу- бину заложения фундаментов, следует принимать во внимание промерзание 12 пород зимой, а также наличие вечномерзлых пород. 1.3. Минералы, их классификация и физические свойства Все горные породы состоят из минералов. Минерал – это самородный элемент или естественное химическое соединение, которое имеет своеобразный комплекс физико-химических свойств. Известно свыше 2000 минералов. По химическому составу их разделяют на 9 классов. Данные о характерных для каждого класса минералах приведены в табл. 1.1. Количество большинства минералов в земной коре незначительно, и лишь около 50 из них составляют основную массу горных пород и поэтому называются породообразующими. Таблица 1.1 Классификация минералов по химическому составу Класс Группа Минерал Химический состав Силикаты Оксиды Гидроксиды Карбонаты Сульфаты Сульфиды Фосфаты Галоиды Самородные элементы Полевые шпаты Пироксены Амфиболы Слюды Хлориты Глинистые минералы Плагиоклаз Ортоклаз Авгит Роговая обманка Мусковит Биотит Оливин Тальк Каолинит Монтмориллонит Кварц Магнетит Опал Лимонит Кальцит Доломит Гипс Ангидрит Пирит Апатит Галит Сильвин Графит Алмаз Сера Золото Na 2 O·Al 2 O 3 ·6SiО 2 K 2 O·Al 2 O 3 ·6SiО 2 Са·Аl 2 О 6 Сложный К 2 O·3Аl 2 O 3 ·6SіО 2 ·2Н 2 O К 2 O·6FеО·АІ 2 О 3 ·6SіО 2 ·2Н 2 О 2Fe·SiО 2 4SiО 2 ·3MgO·H 2 O 2H 2 О·Al 2 О 3 ·2SiO 2 AlMg 2 (OH) 2 (Si 4 O 10 )·nH 2 O SiO 2 Fe 3 O 4 SiО 2 ·nН 2 O Fe 2 O 3 ·H 2 O СаСО 3 СаСО 3 ·МgСО 3 CaSO 4 ·2H 2 O CaSO 4 FeS 2 Ca 5 (F, C1)[PO 4 ] 3 NaCl KC1 C C S Au По условиям образования минералы можно поделить на три группы: первичные – возникшие при остывании магмы; вторичные – сформированные вследствие химического и биогенного разрушения первичных минералов и последующего накопления продуктов разрушения; видоизмененные – возникшие в результате преобразования первичных и вторичных минералов 13 под влиянием высокой температуры и давления. Большинство минералов имеет кристаллическое строение и лишь незна- чительная часть – аморфное. В кристаллах мельчайшие частицы вещества – атомы, ионы и молекулы – размещаются в определенном порядке, образуя кристаллические решетки. Кристаллы обычно имеют форму многогранников: кубов, октаэдров, призм и др. Поверхности, которые ограничивают кристалл, называются гранями; линии образованные при пересечении граней – реб- рами; точки пересечения ребер – вершинами. Важным свойством кристаллов одного и того же минерала есть одинако- вость углов между соответствующими гранями. Это позволяет различать мине- ралы путем измерения этих углов. При этом форма граней и их размеры могут быть разными. Минералы в виде кристаллов правильной формы находят редко. Чаще они бывают в виде кристаллических зерен или представляют собой сплошные кристаллические массы. Обычно кристаллические зерна минералов образуют полиминеральные породы. Например, гранит состоит из кристал- лических зерен кварца, ортоклаза и слюды. Мономинеральные породы состоят из сплошных кристаллических масс минералов. Так, мрамор образуется из кальцита. Главными физическими свойствами минералов являются цвет, блеск, прозрачность, излом, спайность, твердость, плотность. Цвет минералов бывает разный. Выделяют светлые и темные минера- лы. Цвет черточки, которую оставляет минерал на неглазированной фарфо- ровой пластинке, отражает его цвет в виде порошка. Блеск зависит от способности минерала преломлять и отражать лучи света. Он бывает металлический, стеклянный, перламутровый, шелковис- тый, жирный и т. п. Минералы без блеска называются матовыми. Прозрачность –это свойство тонкой пластинки минерала пропускать свет. Минералы бывают прозрачные, способные просвечиваться и непрозрач- ные. Излом получается при раскалывании минералов; он бывает раковис- тый, шершавый, неровный, зернистыйи т. п. Спайность – это способность минерала раскалываться при ударе в одном, двух, трех, четырех или шести направлениях с образованием плоских поверхностей. Различают такие градации спайности: весьма совершенная, совершенная и несовершенная. Например, слюда имеет весьма совершенную спайность в одном направлении, поскольку легко разъединяется на отдельные лепестки. Несовершенную спайность имеют магнетит, кварц и др. Твердость характеризуется сопротивлением минерала давлению или резанию. Существует стандартная шкала твердости, которая состоит из десяти эталонных минералов, размещенных в порядке увеличения их твердости: тальк – 1, гипс – 2, кальцит – 3, флюорит – 4, апатит – 5, ортоклаз – 6, кварц – 7, топаз – 8, корунд – 9, алмаз – 10. Царапая исследуемый материал эталонным, можно установить относительную твердость первого. Плотность минералов определяют в лабораторных условиях. Минералы 14 плотностью до 3,5 т/м 3 принадлежат к группе легких, от 3,5 до 6 т/м 3 – к тяжелым, больше 6 т/м 3 – к очень тяжелым. Особые свойства, присущие некоторым минералам, таковы: двойное преломление лучей, магнитность, запах, вкус, растворимость, горючесть и т. п. Рассмотренные свойства дают возможность распознавать минералы в полевых условиях с помощью специальных справочных пособий-определи- телей. Пользуясь ими, по совокупности свойств определяют название минерала. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение геологии как учебной дисциплины. 2. Сформулируйте цель и задачи изучения инженерной геологии. 3. Какую форму имеет планета Земля? 4. Какие внешние оболочки окружают Землю? 5. Из каких внутренних оболочек и поверхностей состоит Земля? 6. Какой слой горных пород отсутствует в земной коре под океаном? 7. Содержание какого химического элемента преобладает в атмосфере Земли? 8. Между какими двумя внутренними оболочками Земли расположена по- верхность Мохоровичича? 9. Зона каких температур расположена ближе всего к земной поверхности? 10. Что называют геотермической ступенью? 11. Сколько классов минералов принято выделять по химическому составу? 12. Какая оболочка атмосферы прилегает непосредственно к земной поверх- ности? 13. Какой минерал имеет самую низкую твердость? 14. Каким образом образовались первичные минералы? 15. Какой блеск бывает у минералов? 16. Какой цвет бывает у минералов? 17. Что называют спайностью минералов? 18. Каким образом возникли видоизмененные минералы? 19. Сколько природных спутников имеет планета Земля? 20. Какие свойства минералов относятся к особенным? 21. От чего зависит блеск минералов? 15 ЛЕКЦИЯ 2 ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: изучить происхождение и отличительные призна- ки горных пород, общие законы их образования, возраст и шкалу геологичес- кого времени, составные компоненты и структурные связи грунтов, их физические характеристики и классификацию 2.1. Горные породы, их происхождение и отличительные признаки Горные породы – это агрегаты или смеси минералов. Они могут состоять преимущественно из одного минерала (мономинеральные) или из определен- ного соотношения частей двух и более минералов (полиминеральные). Известно около 1000 горных пород. По происхождению (генезису) их делят на три группы: магматические – возникли вследствие остывания магмы; осадочные – образовались в верхней части земной коры после разрушения других пород и жизнедеятельности растений и животных; метаморфические – сформировались в результате последующих изменений магматических и оса- дочных пород под влиянием высокой температуры и давления. Отличительными признаками горной породы является минералогический состав, структура и текстура. В составе горных пород преобладают мине- ралы класса силикатов. На их долю приходится 85% всех горных пород земной коры. Минералогический состав определяет лишь вещество горной породы. Условия образования горных пород устанавливаются путем изучения их струк- туры и текстуры. Структура характеризует особенности внутреннего строения горной породы, обусловленные размерами, формой, количественным соотношением минералов, которые ее составляют, а также характером связей между частями породы. Структура магматической породы бывает полнокристаллическая (зернистая), полукристаллическая (кристаллы и аморфное вещество), аморфная (стекловидная). Для осадочных пород характерны обломочная, брекчиевидная, органогенная, смешанная и прочие структуры (рис. 2.1). |