Инженерная геология (иг), ее задачи и содержание. Иг как наука о рациональном использовании и охране геологической среды
Инж. Геология - наука, изучающая свойства горных пород, грунтов, природные-геологические и техногенно-геологические процессы в верхних горизонтах ЗК в связи со строительной деятельностью человека.
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. Особенно велик уровень техногенных воздействий в больших городах.
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; гранитный, до 35 км (в океанической ЗК он отсутствует); базальтовый. Мощность ЗК около 70 км, глубже до 2900 км идет мантия. Верхний слой мантии состоит из твердых пород, как и ЗК; вместе они называются литосферой. В ядре выделяют его внешнюю оболочку (2900 – 5000 км) и само ядро. В них и нижней мантии протекают процессы движения и преобразования вещества, приводящие к выделению внутренней – эндогенной – энергии Земли. Она проявляется в образовании минералов и горных пород, структур литосферы и ЗК, рельефа, т.е. характера поверхности последней. Таким образом, имеет место взаимодействие всех перечисленных геосфер.
В породах ЗК установлены все химические элементы. Наиболее распространены кислород (46,8), кремний (27,3), алюминий (8,7). 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. 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. В среднем ГС равна 33 м.
Рис. 1.1. Внутренние геосферы
3. Минералы и горные породы. Процессы их образования, классификации, основные свойства. 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. Всего известно более трех тысяч минералов, но основную массу пород ЗК составляют несколько десятков наиболее распространенных минералов, называемых породообразующими. 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. Эндогенные: Магматизмом называется внедрение в толщу ЗК магмы или излияние ее на земную поверхность в виде лавы с последующим остыванием и затвердеванием. Горные породы – 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 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). Классификация по хим составу:
-силикаты (содержащие кремний: шпаты, слюды, оливин, авгит, тальк),
-оксиды и гидроксиды (кварц, корунд, халцедон, кремень, лимонит, опал),
-карбонаты (соли натрия, меди, магния: кальцит, доломит),
-сульфиды (производные сероводорода: пирит),
-сульфаты (соли серной кислоты: гипс, ангидрит),
-галоиды ( фтористые и хлористые соединения: галит, сильвин, флюорит),
-фосфаты (соли и эфиры фосфорных кислот: апатит),
-вольфраматы.
Во многих случаях минерал можно определить по его физическим свойствам, к которым относятся:
-форма кристаллов;
-оптические свойства – цвет, блеск, прозрачность;
-спайность, т.е. способность раскалываться или расщепляться с образованием гладких блестящих плоскостей;
-характер излома; плотность, твердость и др.