Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Закон изменения энергонасыщенности горных пород с увеличением глубины залегания По мере погружения горных пород в недра литосферы и перехода от аморфных, тонкодисперсных и обломочных во все более крупнокристал- лические их энергонасыщенность уменьшается. Следствия из второго закона: 1. Ниже крупнокристаллического и малоэнергонасыщенного гранита не могут залегать породы, энергонасыщенность которых больше, чем у гранита. 2. Ниже крупнокристаллического и малоэнергонасыщенного гранита могут находиться породы, энергонасыщенность которых меньше, чем у гранита. 3. Ниже крупнокристаллического и малоэнергонасыщенного гранита не может образоваться и находиться магма – расплавленное высоко- энергонасыщенное вещество. По этой причине там нет признаков выделяемых современной геологией магматических пород, потому что нет магмы. Это воображаемый, отсутствующий в реальности мир. То, чего нет, признаков иметь не может. 4. Из-под гранита не поднимается глубинная (эндогенная) энергия любого происхождения: остаточная тепловая, гравитационная, радио- активного распада и любая другая. В противном случае на глубине были бы высокоэнергонасыщенные аморфные вещества, их к поверх- ности сменяли бы мелкокристаллические – кристаллические сланцы, затем среднекристаллические – гнейсы, а на поверхности литосферы формировались и были бы устойчивыми крупнокристаллические граниты, кварциты, мраморы. В природе все наоборот. Общеизвестно, что крупнокристаллический и малоэнергонасыщенный гранит обра- зуется на глубине, где, стало быть, энергии мало, а, попадая на поверхность литосферы, он разрушается до глины и аморфного опала (рис. 2.6). 24 5. Энергия для геологических процессов сосредоточена там, где распо- ложены высокоэнергонасыщенные аморфные породы, т. е. на поверх- ности литосферы. Это солнечная энергия! 6. В процессе кристаллизации и перекристаллизации с увеличением раз- мера кристаллов тепловая энергия из преобразуемых горных пород выделяется не равномерно, а уменьшаясь с увеличением глубины. глина аргиллит кристаллический сланец гнейс гранит Рис. 2.6. Количество освобождающейся тепловой энергии при перекристаллизации вещества литосферы на глубине Человеку начала XXI в., думается, не сложно понять логическую выдер- жанность сформулированных законов и следствий из них. Труднее соглашаться с полученными результатами, потому что они противоречат общепринятым геологическим представлениям. Наверное этого не будет в будущем при знакомстве с геологией XXII в. К тому времени мышление людей при по- знании литосферы изменится с дедуктивного на индуктивное. Ничто общепри- нятое не будет довлеть над разумом. Все нужно будет доказывать. Один из способов познания и объяснения реального мира литосферы показан на при- мере выведения законов изменения структуры и энергонасыщенности горных пород. Вывод об отсутствии глубинной энергии у человека начала XXI в. вызывает чувство раздражения. Как можно говорить о непоступлении с глубин тепловой эндогенной (внутренней) энергии, когда из вулканов при извержении выливается или выбрасывается расплавленная лава? Она ведь точно подни- мается из недр каменной оболочки к ее поверхности! Есть еще гейзеры, источники термальных вод и др. Однако такая аргументация наличия глубин- ной энергии не имеет отношения к науке. Приведем несколько примеров, когда очевидное не является истинным. 1. Небо закрылось темной тучей (облаком), и пошел град. Что, облако сложено градинками? Нет, оно состоит из капелек воды! 2. Из трубы котельной выходит дым. Разве в котле дым? Нет, дым образуется при неполном сгорании дров, угля или мазута! Так и лава может формироваться в недрах каменной оболочки земного шара вследствие преобразования погружающихся осадков, насыщенных акку- мулированной солнечной энергией. 25 Если рассматривать Землю в целом как планету, то отчетливо видно, что атмосфера, состоящая из газов, постоянно движущихся со скоростью сотен метров в секунду, вмещает в себя энергонасыщенные вещества. Ниже атмос- феры расположена гидросфера. Молекулы в ней также постоянно переме- щаются, но со значительно меньшей скоростью (несколько миллиметров в секунду), чем газы в атмосфере. Атмосфера и гидросфера покрывают лито- сферу – каменную оболочку. Атомы в кристаллах, минералах и горных поро- дах, которые ее образуют, не меняют своего местоположения, т.е. энергона- сыщенность вещества литосферы меньше энергонасыщенности вещества гидросферы и тем более атмосферы (табл. 2.4). Саму литосферу, начиная от поверхности, составляют аморфные породы, которые с увеличением глубины сменяются все более крупнокристаллически- ми. Энергонасыщенность аморфных пород, у которых атомы находятся на больших расстояниях друг от друга, чем в кристаллах, превышает энергонасы- щенность кристаллических пород. Игнорировать данные табл. 2.4 об энерго- насыщенности вещества разных геосфер при решении вопроса о наличии глу- бинной энергии в литосфере неправомерно. Таблица 2.4 Изменение энергонасыщенности вещества геосферы Элементы геосферы Состав Скорость перемещения атомов (молекул) Энергонасыщенность Атмосфера Газы Сотни метров в секунду Высокая Гидросфера Вода Несколько миллиметров в секунду Средняя Литосфера Минералы, горные породы, аморфные на поверхности, на глубине крупнокристаллические Не перемещаются Низкая, уменьшающаяся с увеличением глубины Закон изменения химического состава горных пород Чтобы сформулировать закон изменения химического состава горных по- род по мере погружения их в недра литосферы, необходимо знать химический состав исходного вещества, подвергающегося перекристаллизации с увеличе- нием размера кристаллов, и конечного. Исходным служит вещество слоистой оболочки, которое находится вблизи поверхности литосферы. Конечными наблюдаемыми продуктами перекристаллизации являются граниты и кварциты. Кальцит мрамора с увеличением глубины залегания замещается силикатами, а затем и кварцем (табл. 2.5). По мере погружения в недра литосферы и перехода горных пород от аморфных, тонкодисперсных и обломочных во все более крупнокристалли- 26 ческие их химический состав изменяется: увеличивается содержание окси- да кремния (в граните, а также оксидов натрия и калия) и уменьшается содержание оксидов алюминия, железа, магния и кальция (а в кварците оксидов натрия и калия). Таблица 2.5 Изменение химического состава горных пород, % Части литосферы SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 FeO MgO CaO Na 2 O K 2 O Слоистая оболочка 58,11 15,40 6,70 2,44 3,10 1,30 3,24 Базальт 50,00 16,48 4,22 6,80 6,30 9,72 2,78 1,24 Гранит 70,00 14,30 1,54 1,58 0,74 1,82 3,62 4,02 Кварцит 100,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Выведем следствия из этого закона: 1. Ниже гранита могут быть породы, в которых содержание оксидов алюминия, железа, магния и кальция меньше, чем в граните. 2. Ниже гранита не могут находиться породы, в которых содержание оксидов алюминия, железа, магния и кальция больше, чем в граните. 3. Базальт не может лежать ниже гранита и тем более кварцита, поскольку в нем мало кремнезема и очень много оксидов алюминия, железа, магния и кальция. Ранее мы отмечали, что по структуре и энергонасыщенности базальт не может находиться ниже гранита. А в какой части литосферы место базальта по химическому составу? Поскольку в базальте содержится до 50% оксида кремния, то есть меньше, чем в веществе слоистой оболочки, то его место именно там, в том числе по структуре и энергонасыщенности. 4. При цементации, а затем и перекристаллизации образований слоистой оболочки, с увеличением глубины в кристаллические породы из слоистых отложений, сначала рыхлых, а затем сцементированных в огромном количестве выделяется минерализованная вода, а также различные газы – летучие вещества. Количество освобождающихся летучих веществ с погружением в недра уменьшается. При цемента- ции глины в аргиллит воды будет значительно больше, чем при перекристаллизации аргиллита в кристаллический сланец (рис.2.7). 27 глина аргиллит кристаллический сланец гнейс гранит Рис. 2.7. Количество освобождающихся летучих веществ при перекристаллизации вещества литосферы на глубине Установленные геологические законы строения литосферы позволяют логически выдержанно и научно доказательно объяснять процессы, которые в ней происходят. 2.3. Возраст пород и шкала геологического времени Горные породы образовывались в разное время, на протяжении всей гео- логической истории планеты. Сначала возникли магматические породы, потом осадочные и метаморфические. Каждая горная порода имеет определенный воз- раст. Данные о возрасте горных пород необходимы для систематизации их отложений и составления геологических карт и разрезов. Горные породы, образованные одновременно в похожих условиях, имеют приблизительно оди- наковые свойства. Различают относительный и абсолютный возраст горных пород. Относительный возраст определяют стратиграфическим и палеонто- логическим методами. Стратиграфический метод позволяет установить относи- тельный возраст осадочных пород в данном месте, в условиях ненарушенного залегания. При этом нижний пласт старше того, который находится над ним. Палеонтологический метод дает возможность определить относительный воз- раст осадочных пород по закаменелым остаткам организмов, которые там на- ходятся. Для этого пригодны лишь те виды ископаемых организмов, которые быстро изменялись в процессе эволюции. Эти организмы называются руково- дящими ископаемыми. Примером могут быть моллюски-аммониты. Так мож- но определить относительный возраст как в условиях когда залегание осадоч- ных пород нарушено, так и в случаях, когда эти породы расположены в разных местах. Например, наличие определенного вида аммонитов в толще осадочных пород Европы и Северной Америки указывает на то, что эти породы образова- лись одновременно. В отдельных случаях можно определять относительный возраст магматических пород. Если вмещающая порода имеет следы плавле- ния, то магматическая порода образовалась позже, чем первая. В случае отсут- ствия таких следов раньше образовалась магматическая порода. Абсолютный возраст горных пород определяют радиологическими методами, среди которых наиболее распространен аргоновый метод. Ортокла- зы и слюды содержат химический элемент калий, в составе которого есть около 0,011 % слаборадиоактивного нуклида 40 К. Этот нуклид нестойкий. Продуктом 28 его распада (период полураспада 40 К равен 1,92 млрд лет) является нуклид 40 Аr. Возраст горных пород определяется по отношению 40 Аr/ 40 К. Содержимое 40 Ar в минералах и породах определяют спектрометрическим методом, содержание 40 К – химическим способом. Установлено, что возраст горных пород соответ- ствует возрасту минералов, то есть времени их кристаллизации. Исклю- чением являются осадочные обломочные породы, в которых минералы старше их самих. Абсолютный возраст древнейших магматических пород Кольского полуострова и Приднепровья, определенный аргоновым методом, равен 3,5 млрд лет. Возраст планеты Земля – не меньше 4,5 млрд лет. В зависимости от относительного и абсолютного возраста горных пород вся геологическая история Земли (принято считать, что ее продолжительность составляет 3,5 млрд лет) по времени была разделена на 5 эр. Толщи горных пород, которые образовались в то время, разделяют на 5 групп. Эры делят на периоды, группы – на системы, периоды в свою очередь на эпохи (с делением на века, столетия), а системы – на отделы (с делением на ярусы). На базе этих данных было сформировано две шкалы: геохронологическая и стратиграфи- ческая, то есть по времени и по отложениям. В современной интерпретации они показаны в табл. 2.6. Там же приведены главнейшие этапы геологической истории. Расположение горных пород разного возраста в земной коре отражают на обзорных, региональных и детальных геологических картах. Геологические карты составляют по данным геологической съемки, которые наносят на топографическую основу. Обзорные геологические карты имеют масштаб от 1:5000000, а детальные – до 1:100000 и больше. Распространение горных пород или толщ, которые образовались в определенное время, обозначают с помощью штриховки и индексов. Геологические карты дополняют разрезами и их используют в инженерно-геологических исследованиях, где они являются исходными документами и основанием для составления инженерно-геоло- гических карт и разрезов. Таблица 2.6 Геохронологическая и стратиграфическая шкала геологической истории Земли Эра (группа) В оз ра ст, м лн ле т Период (система) Основные этапы геологической истории Название Продолжи - тель нос ть , м лн ле т В ре м я на ча ла , м лн ле т 1 2 3 4 5 6 Кайнозой- ская 70 Четвертичный (антропогено- вый) 1 1 Появление и развитие человека. Материковое обледенение в север- ной части Русской и Сибирской платформ 29 Продолжение табл. 2.6 1 2 3 4 5 6 Неогеновый Палеогеновый 24 45 25 70 Окончательное формирование Альп, Карпат, Кавказа, Копетдага и Памира (альпийская складчатость) На Тянь-Шане, Алтае и Саянах появляются поднятия и впадины. Формируется впадина оз. Байкал Мезозой- ская 155 Меловой Юрский Триасовый Пермский 70 45 40 45 140 185 225 270 Начало образования в меловом пе- риоде Альп, Карпат, Кавказа, Копетдага и Памира. Продолжается формирование платформ. Море на европейской части страны в мело- вом периоде располагается узкой полосой Появляются сначала Саяны, Куз- нецкий Алатау, Алтай, хребты За- байкалья, Становой хребет, а позд- нее Урал, Тянь-Шань и др. Палеозой- ская 345 Каменно- угольный Девонский Силурийский Ордовикский Кембрийский 50 80 20 60 90 320 400 420 480 570 Горообразующие процессы сопро- вождаются интенсивным проникно- вением магмы в толщу земной коры и изливом ее на поверхность Активность внутренних процессов периодически сменяется состоянием покоя. В каменноугольный период море занимает всю европейскую часть страны. Формирование плат- форм за счет геосинклиналей Протеро- зойская 1280 1850 Земная кора нестойкая. Происходят огромные вулканические изверже- ния (взрывы) и интенсивные горо- образующие процессы Архейская 1650 3500 30 2.4. Составные компоненты и структурные связи грунтов Под грунтамистроители понимают рыхлые и скальные горные породы, а также техногенные образования, которые служат основанием зданий и соору- жений, средой для размещения в ней подземных объектов, а также материалом для их возведения. Далее рассмотрим лишь рыхлые грунты, которые отличаются, в первую очередь, раздробленностью, дисперсностью и пористостью. Под раздробленностью имеют в виду свойство грунтов состоять из от- дельных частиц (зерен), связи между которыми или вообще отсутствуют, или же их прочность на много порядков ниже прочности самих частиц. Под дис- персностью понимают то, что частицы, из которых состоят грунты, имеют разный размер. А пористость означает, что объем, занятый грунтом, не сплошь заполненный частицами, а между ними остается свободное про- странство, занятое газами и жидкостью. Перечисленные признаки во многом предопределяют и строительные свойства грунтов: под нагрузкой уменьшается пористость, которая обусловливает сжимаемость грунтов; водопроницае- мостьдемонстрирует их фильтрационные свойства; трение между частицами при деформировании происходит лишь в точках их контакта и отражает прочностьгрунта в целом. Грунты рассматривают в неразрывной связи с условиями их образования. На суше возникновение грунтов связано с элювиальными, делювиальными, пролювиальными, аллювиальными, эоловыми, ледниковыми процессами. Морские отложения накапливаются на дне, и вследствие регрессии моря оказы- ваются на суше. Разнообразие условий формирования грунтов обусловлено характером отложения осадков (седиментацией), а также последующим их укреплением (диагенезом). Например, в осадочных нескальных грунтах со временем, вследствие уплотнения под нагрузкой от расположенных выше пластов, могут происходить процессы выдавливания избыточной воды, кристаллизации кол- лоидных и химических осадочных веществ, которые сопровождаются резким усилением цементационных связей и литификацией (окаменением) грунтов. При этом они переходят в осадочные скальные грунты: крупнообломочные – в конгломераты, брекчии; песчаные – в песчаники; глинистые – в алевро- литы и аргиллиты. В общем случае грунт состоит из трех компонентов (фаз): твердых минеральных частиц; жидкости (воды) и газа (обычно воздуха). Соотношение между этими компонентами тоже предопределяет свойства грунтов. Если все поры в грунте заполнены водой, то он является двухкомпо- нентной (двухфазной) системой. Такой грунт еще называют грунтовой массой. В мерзлом грунте содержится также лед (пластическое тело). Такой грунт можно считать четырехкомпонентной (четырехфазной) системой. В некоторых грунтах присутствуют и органические вещества в виде растительных компо- нентов или гумуса. |