учебное пособие геология инженерные изыскания. Учебное пособие к практическим и лекционным занятиям для студентов очной и заочной форм обучения всех строительных специальностей
 Скачать 2.75 Mb.
|
|
1.3. Сейсмические явления. Землетрясения Мощное проявление внутренних сил Земли, выраженное колебаниями земной поверхности при прохождении сейсмических волн от подземного источника энергии называют землетрясением. Они происходят почти непрерывно. Специальные приборы регистрируют в течении года более 100 тысяч землетрясений. Существуют три типа сейсмических волн [1]: Продольные волны. Они сжимают и растягивают породу, создавая в ней напряжение в направлении распространения волн. Они проходят со скоростью звука через твердые и жидкие среды. Рис.1.4. Схема землетрясений. 1 – продольные волны, 2 – поперечные волны, 3 – поверхностные волны Поперечные волны - сдвигают частицы вещества в стороны под прямым углом к направлению движения волны со скоростью около 4,5 км/сек. Они распространяются только в твердых средах. Поверхностные волны имеют период колебания больше, чем волны продольные и поперечные. Их называют волнами тяжести. Тектонические сейсмические явления возникают как на дне океанов, так и на суше. В связи с этим различают моретрясения (цунами) и землетрясения. Очаг зарождения сейсмических волн называется гипоцентром. По глубине залегания гипоцентра различают землетрясения: поверхностные – от 1 до 10 км глубины, коровые – 30 - 50 км и глубокие от 100 до 700 км. Последние находятся уже в мантии земли и связаны с движениями, происходящими в глубинных зонах планеты. Наиболее разрушительными являются поверхностные и коровые землетрясения. Непосредственно над гипоцентром на поверхности земли располагается эпицентр. На этом участке сотрясение поверхности 11 происходит в первую очередь и с наибольшей силой. От гипоцентра во все стороны расходятся сейсмические волны, по своей природе являющиеся упругими колебаниями. Действие сейсмических волн или, иначе говоря, продолжительность землетрясений, обычно проявляется в течение нескольких секунд, реже минут. Иногда наблюдаются длительные землетрясения (на Камчатке в 1923 г. землетрясение продолжалось с февраля по апрель – 195 толчков). В районе Алма-Аты, начиная с 1887 г., землетрясение продолжалось около трех лет – более чем 600 толчков. В настоящее время за землетрясениями ведутся постоянные наблюдения при помощи специальных приборов – сейсмографов, которые обеспечивают автоматическую запись колебаний земли в виде сейсмограмм, которые позволяют качественно и количественно оценивать силу землетрясений. 2. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХРОНОЛОГИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ Земля имеет очень длительную и сложную историю развития, которая запечатлена в горных породах, последовательно возникавших в недрах Земли и на ее поверхности. Восстановление истории Земли и объяснение причин ее развития составляет предмет исторической геологии. Эта наука устанавливает связь развития органического мира с развитием всей земной коры. Специальными ее дисциплинами являются стратиграфия, палеонтология, палеогеография. Установление возраста горных пород необходимо для оценки их свойств и определения положения среди других пород. Возраст горных пород определяется с помощью 2-х методов: абсолютной и относительной геохронологии. Геохронология – шкала геологического времени или схема последовательности событий в истории Земли [1]. Метод абсолютной геохронологии основан на изучении скорости распада радиоактивных изотопов различных химических элементов. Относительная геохронология – это определение возраста одной породы относительно другой породы, старше она или моложе ее. Определение относительного возраста породы решается наукой палеонтологией, на основании изучения отложений древних животных и растений, заключенных в горных породах. В истории земли происходило постоянное изменение животного и растительного мира от примитивного к более совершенному. Каждому отрезку геологического времени были характерны определенные группы растительного и животного мира. Отложения, слагающие известную нам часть земной коры делятся на 5 групп: архейскую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Группы – это наиболее крупные подразделения толщ 12 горных пород, слагающих земную кору, каждая из которых по времени формирования соответствует своей эре. Самая древняя, охватывающая наиболее ранние стадии развития земной коры – архейская эра. В эту эру на Земле еще не могли быть животные и растительные организмы. Начало ее не известно, а конец определяется ориентировочно – 2 млрд. 800 млн. лет до наших дней. Продолжительность ее не менее миллиарда лет. Протерозойская эра, начавшаяся 2 млрд. 800 млн. лет назад, длилась свыше 2 млрд. лет. В начале протерозоя появились простейшие, самые примитивные виды растительных организмов, от которых до нас дошли остатки водорослей, беспозвоночных животных. Палеозойская эра продолжалась около 330 млн. лет Растительный и животный мир в эту эру быстро развивался: появились хвощи, папоротники, плауны, амфибии, пресмыкающиеся и примитивные рыбы; в середине палеозоя появились насекомые и рептилии. Широко развиты из позвоночных кораллы, плеченогие. Мезозойская эра продолжалась свыше 170 млн. лет. Животные и растения более высокоорганизованные, но все еще значительно отличающиеся от современных. В мезозое достигли расцвета гигантские пресмыкающиеся (динозавры. летающие птеродактили). Высота отдельных животных доходит до 5 м, а длина 20 м. Появляются птицы и млекопитающие. В растительном мире появляются хвойные, саговые. Кайнозойская или неозойская эра (эра новой жизни), сменившая мезозойскую 67 млн. лет назад, продолжается и в наши дни. Животные и растения становятся все более похожими на ныне существующих. Для нее характерно развитие млекопитающих, птиц, костных рыб, господство брюхоногих и пластинчато-жаберных моллюсков, расселение двудольных растений по всему земному шару. В эту эру развитие животного мира ознаменовалось появлением человекообразной обезьяны, а 2-3 млн. лет назад – появление разумного существа – человека. Эры делятся на более мелкие отрезки времени – на периоды. Архейская A и протерозойская Pr эры имеют местные подразделения, международная шкала для них не выработана. Палеозойская Pz эра разбивается на шесть периодов снизу вверх – кембрий Cm, ордовик O, силурий S, девон D, каменноугольный C, пермь P; мезозойская Mz – на три: триас T, юр J, мел Cr; кайнозойская Kz – на три: палеоген Pg, неоген N, антропоген Q (четвертичный). Название периодам палеозойской эры, кроме каменноугольного, даны по имени тех мест, в которых впервые были описаны их осадки с характерными остатками организмов. Каменноугольный период назван так потому, что именно в это время впервые в истории Земли появилась 13 богатая растительность, давшая начало каменноугольным месторождениям. Триас – значит тройной. Отложение этого периода мезозоя по составу горных пород резко делятся на три различных отдела. Название второго периода мезозоя происходит от Юрских гор в Восточной Франции, где соответствующие отложения были впервые описаны. Меловой период назван так потому, что именно в это время в истории Земли накопились в больших количествах отложения чистого мела. Название периодов неозойской эры установлены по характеру развития животного мира этой эры. В палеогеновом периоде (по греч. палеосс – древний, генос – род) мы встречает остатки позвоночных млекопитающих совершенно вымерших. Позвоночные неогена по своему развитию уже более или менее приближается к совершенным млекопитающим (неос по греч. – новый). И наконец, антропогенный или четвертичный период, который начался 1,8 млн. лет назад, характеризуется появлением человека (антропос по греч. – человек). Породы дочетвертичного возраста называются коренными, а четвертичного периода – покровными. В пределах коренных пород более древние породы обладают большей прочностью, чем молодые, а покровные образования имеют меньшую прочность, чем коренные. Таблица 2.1 Геохронологическая (стратиграфическая) шкала Эра (группа). Индекс. Продолжительность в млн. лет Период (система). Индекс. Продолжительность в млн. лет 1 2 Кайнозойская – К z , 67 Четвертичный – (Антропогеновый Q) 1,5-2 Неогеновый – N 24,5 Палеогеновый – Р g , 41,0 Мезозойская – М z , 173 Меловой – С r , (К), 70 Юрский – J, 58,0 Триасовый – Т, 45,0 Палеозойская – Рz, 330 Пермский – Р, 45,0 Каменноугольный – С, 55-75 Девонский – D, 50-70 Силурийский – S, 30,0 Ордовикский – О, 60,0 Кембрийский – С m , 70,0 Протерозойская 2 млрд. лет Архейская - А Более 1000 14 Четвертичный период делится на голоцен Q 4 (современные отложения) и плейстоцен, который в свою очередь подразделяется на верхнечетвертичный отдел Q 3 , среднечетвертичный Q 2 и нижнечетвертичный Q 1 . На территории Татарстана четвертичный период представлен Калининскими отложениями Q 3 , Московскими Q 2 , Днепровскими Q 2 и Окскими Q 1 . Четвертичный период характеризуется периодическим наступлением ледниковых эпох и сменяющих их межледниковий. Обширное материковое оледенение периодически охватывало большую часть Северного полушария, покрывая почти трехкилометровой толщей льда. 3. ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ Минералы – природные химические соединения, являющиеся продуктом различных физико-химических процессов, протекающих в земной коре. Все горные породы представляют собой плотные или рыхлые агрегаты, состоящие из минералов. Современная минералогия (наука, изучающая минералы) насчитывает несколько тысяч минералов. Однако в горных породах постоянно встречаются всего около 100 минералов. Минералы, входящие в состав горных пород в количестве, большем, чем 1 %, называются породообразующими. 3.1. Физические свойства минералов Каждый минерал обладает постоянным химическим составом и определенным внутренним строением. Эти две важные особенности обуславливают физические свойства минералов. Главнейшими из них являются: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск), показатели твердости, спайность, излом, плотность [1]. Внешняя форма минералов разнообразна. Твердые минералы встречаются в природе либо в виде кристаллов, имеющих форму многогранников, либо в виде неправильных по форме зерен или сплошных масс, также сложенных кристаллическим веществом, либо в виде аморфных (некристаллических) масс. Цвет зависит от химического агента – носителя окраски. Цвет для очень многих минералов строго постоянен. Их условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.). Окраска одного и того же минерала может быть весьма изменчива, что зависит от посторонних примесей: например кварц может быть бесцветным и прозрачным (горный хрусталь), непрозрачным (молочный кварц), фиолетовым (аметист), серым (дымчатый кварц), черным (морион) и др. Некоторые минералы (лабрадор) меняют цвет в 15 зависимости от условий освещения, приобретая красивую радужную окраску. Прозрачность – способность минералов пропускать сквозь себя свет. Выделяют три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит и др.), полупрозрачные (гипс, халцедон и др.) и непрозрачные (пирит, графит и др.). Блеск – способность поверхности минералов отражать в различной степени свет. Блеск может быть металлическим и неметаллическим, который в свою очередь может быть стеклянным (кварц, силикаты), жирным (тальк), шелковистым (селенит, асбест), матовым, перламутровым (слюда), алмазным и т.д. Твердость – способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Твердость минералов оценивается относительно твердости эталонных минералов, расположенных в порядке возрастания по 10-балльной шкале твердости Мооса: 1. Тальк 6. Плагиоклаз 2. Гипс 7. Кварц 3. Кальцит 8. Топаз 4. Флюорит 9. Корунд 5. Апатит 10. Алмаз Спайность – способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием ровных, гладких и блестящих плоскостей раскола. Излом характеризует вид поверхности минерала, получающейся при разбивании и раскалывании. Различают излом по спайности (кальцит), раковистый (кварц), землистый (каолинит) и др. Плотность минералов различна и колеблется в пределах от 0,6 до 19 г/см 3 . К легким относятся минералы с плотностью 0,6 – 2,5 г/см 3 : нефть, уголь, сера, гипс. Средние имеют плотность до 4 г/см 3 – кальцит, кварц. К тяжелым минералам относятся руды металлов. Минералы могут обладать рядом других физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и т.д. 3.2. Классификация минералов Классификация минералов основана в основном на их химическом составе [1]: 1. Самородные элементы. 2. Сульфиды. 3. Сульфаты. 4. Окислы и гидроокислы. 16 5. Карбонаты. 6. Галоиды. 7. Силикаты. 8. Фосфаты. 9. Вольфрамиты. 1. Самородные элементы – в эту группу входят минералы, представляющие простые тела, находящиеся в природе в свободном состоянии, т.е. минерал этой группы состоит из одного химического элемента. Самородные элементы подразделяются на две группы: а) металлоиды: сера S, алмаз C, графит C; б) металлы: платина, медь, золото, серебро. 2. Сульфиды – к этой группе относится многочисленное количество минералов, представляющих соединения металлов, преимущественно цветных, с серой (пирит FeS 2 ). Все сульфиды являются ценными полезными ископаемыми и представляют большой интерес для различных отраслей промышленности, так как представляют собой руды цветных металлов и как носители золота. 3. Сульфаты – соли серной кислоты (гипс CaSO 4 ∙2H 2 O, ангидрит CaSO 4 ). Этот класс объединяет до 260 минералов, происхождение которых связано с водными растворами. Характеризуются небольшой твердостью, светлой окраской, хорошо растворяются в воде. 4. Оксиды и гидрооксиды – к этому классу относятся окислы, то есть соединения элементов с кислородом, и гидроокислы, в составе которых присутствуют, кроме окисла, еще элементы воды в виде ОН или Н 2 О: кварц SiO 2 , опал SiO 2 ∙nH 2 O, лимонит Fe 2 O 3 ∙nH 2 O. На долю этих минералов приходится до 17% всей массы земной коры, а химический элемент – кремний Si самый распространенный на нашей планете после кислорода. 5. Карбонаты – соли угольной кислоты – кальцит CaCO 3 , доломит CaMg (CO 3 ) 2 , магнезит MgCO 3 . Происхождение связано с водными растворами, т.е. они выпадали в осадок из морских или океанических вод. Из кальцита состоят многие осадочные и метаморфические породы (известняк, мрамор), скелетные части (раковины) животных. 6. Галоиды – соли фтористой, соляной (галит NaCl), бромистой, йодистой кислоты. Эти минералы являются очень важными и применяются в пищевой, химической и металлургической промышленности. 7. Силикаты. К классу силикатов относятся огромное количество минералов: роговая обманка, авгит, оливин, слюды (биотит, мусковит), глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда), полевые шпаты (ортоклаз, плагиоклаз). На долю их приходится примерно одна 17 треть числа известных в природ минеральных видов. Силикаты составляют 75% земной коры. Многие силикаты являются важнейшим породообразующими минералами не только во всех магматических горных породах, но также в метаморфических и осадочных. Глинистые минералы выделяются из класса силикатов по следующим признакам: высокая дисперсность – степень раздробленности, размер частиц <0,001 мм; способность к ионному обмену; гидрофильность – способность минералов вмещать в себя воду и увеличиваться в объеме (набухание); пластичность – при увлажнении переходят в пластичную форму. Глинистые минералы являются породообразующими, являются важной составляющей частью глинистых пород: глина, суглинок, супесь. Отличительной способностью полевых шпатов является то, что под воздействием на них атмосферных агентов воды они сравнительно быстро химически разлагаются, образуя новые соединения, в частности глинистый минерал – каолинит. Минералы класса фосфатов, вольфрамитов встречаются гораздо реже, чем другие. 3.3. Контрольные задания по теме «Породообразующие минералы» Из числа названных ниже минералов необходимо выделить растворимые в воде. Вари- анты Минералы Вари- анты Минералы 1 Кварц, каолинит, галит, кальцит 9 Кварц, плагиоклаз, галит, доломит 2 Мусковит, гипс, доломит, опал 10 Ортоклаз, кальцит, доломит, пирит 3 Роговая обманка, лимонит, ангидрит, галит 11 Доломит, сера, ангидрит, авгит 4 Биотит, графит, доломит, гипс 12 Ортоклаз, галит, оливин, кальцит 5 Кварц, пирит, галит, кальцит 13 Опал, мусковит, кальцит, флюорит 6 Гематит, кальцит, гипс, пирит 14 Лимонит, гипс, каолинит, кальцит, сера 7 Доломит, кальцит, ангидрит, галит 15 Авгит, доломит, ангидрит, флюорит 8 Ортоклаз, галит, флюорит, кальцит 16 Галит, оливин, ортоклаз, биотит 4. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ Геологическому исследованию подвергаются в основном каменные массы, слагающие земную кору, называемые горными породами [1]. 18 Горные породы – естественные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел. Непосредственным изучением горных пород занимается особая отрасль геологии, выделившаяся в самостоятельную дисциплину и называемая петрографией (греч. "петрос" – камень). Петрография описывает состав горных пород, их строение, условия залегания, а также их происхождение и изменения, вызываемые различными факторами. Состав породы определяется минералами, слагающими породу (породообразующие минералы). Если порода состоит из одного минерала – мономинеральная порода (известняк состоит из кальцита), а если из нескольких минералов – полиминеральная (гранит – из полевых шпатов, кварца, роговой обманки и слюды). Строение породы определяется структурой и текстурой. Структура – это строение породы, которое определяется формой и размером зерен, а также степенью кристалличности пород. По степени кристалличности выделяются следующие структуры: полнокристаллическая; полукристаллическая; некристаллическая. Полнокристаллическая или зернистая структура – порода целиком состоит из кристаллов (зерен). Структура характерна для глубинных пород (гранит). Полукристаллическая или порфировая структура – на основном стекловатом фоне выделяются отдельные вкрапления кристаллов (порфирит), характерна для излившихся пород. Некристаллическая или стекловатая структура характерна для излившихся пород (вулканическое стекло, обсидиан). По размерам зерен различают структуры крупно-, средне-, мелкозернистые. Структура является признаком породы, определяющим его прочность, наиболее прочные породы с мелкозернистыми структурами. Текстура – сложение пород, которое определяется расположением зерен в породе и степенью заполнения пространства. По расположению зерен различают следующие текстуры: однородная; неоднородная. Однородная или массивная текстура – все зерна в породе располагаются равномерно и без какой-либо видимой закономерности (гранит). По степени заполнения пространства различают плотные и пористые текстуры: глубинные породы – плотные; излившиеся породы – пористые. Горные породы не имеют химических формул. Они оцениваются валовым химическим анализом: SiO 2 – 49-52 %, Al 2 O 3 – 10-14 %, |