Конспект лекций по Инженерной геологии
Лекция 1.Введение. Общие сведения о Земле.
1.1. Инженерная геология (иг), ее задачи и содержание. Иг как наука о рациональном использовании и охране геологической среды
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. Примерами таких реакций являются «наведенные» землетрясения при заполнении больших водохранилищ и закачке воды в глубокие скважины; выбросы пород, газа в глубоких шахтах и рудниках, приводящие иногда к авариям с человеческими жертвами; подтопление грунтовыми водами и наоборот, истощение глубоких водоносных горизонтов и др. Особенно велик уровень техногенных воздействий в больших городах.
Для России с ее огромной территорией (17,08 млн км2) и разнообразием природных условий значение ИГ особенно велико для всех видов строительства, разработки месторождений полезных ископаемых, надежной эксплуатации сооружений.
1.2.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, а в среднем 3…4 км; гранитный, до 35 км (в океанической ЗК он отсутствует); базальтовый. Мощность ЗК около 70 км, глубже до 2900 км идет мантия, затем ядро. Верхний слой мантии 4 состоит из твердых пород (литифицированная мантия), как и ЗК; вместе они называются литосферой. Установлено, что под литосферой на отдельных участках верхней мантии породы находятся в состоянии расплава (астеносфера 5). С этим связано проявление на Земле вулканической деятельности и разнообразных движений ЗК. Все геосферы взаимосвязаны: например, атмосферные явления влияют на изменения горных пород и характер земной поверхности (рельеф); процессы в литосфере и биосфере влияют на состав атмосферы и т.д.
Из сопоставления средних плотностей пород ЗК и Земли в целом (соответственно 2.7 и 5,52 т/куб.м.) следует, что к центру плотность вещества возрастает. Растут также давление и температура.
В породах ЗК установлены все химические элементы. Наиболее распространены кислород (46,8), кремний (27,3), алюминий (8,7); в скобках указаны массовые доли элемента (кларки). 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. Отсюда ясно, что в химическом составе пород ЗК будут преобладать перечисленные элементы.
Рис. 1.1. Внутренние геосферы
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. Очевидно соотношение ГС = 100/ГГ. В среднем ГС равна 33 м, но в общем она меняется от 5 до 100 м. Например, для Москвы ГС = 59 м, для Петербурга только 20 м; различие объясняется более близким к поверхности для последнего расположением кристаллических пород и наличием в них глубоких разломов. Учет роста температуры с глубиной имеет непосредственное практическое значение при строительстве тоннелей, шахт, бурении скважин. Так, при проходке Северо-Муйского тоннеля на БАМе температура достигала 400, Симплонского тоннеля в Альпах (на глубине 2690м) - 500, что значительно осложняло строительство.