ослаблено настолько, что способно проявлять ползучесть. Это по­

казывает, что астеносфера в масштабах геологического времени ве­

дет себя как вязкая жидкость. Таким образом, литосфера способна

к движению относительно нижней мантии за счет ослабленности

астеносферы. Важным фактом, подтверждающим возможность пе­

ремещения литосферных плит, является то, что астеносфера выра­

жена глобально, хотя ее глубина, мощность и физические свойства

варьируют в широких пределах. Мощность литосферы меняется от нескольких километров под рифтовыми долинами срединных оке­ анических хребтов до 100 км под периферией океанов, а под древ­ ними щитами мощность литосферы достигает 300-350 км.

Глава 2

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Земная кора имеет два основных источника тепла: от Солнца

и от распада радиоактивных веществ в своей нижней части на

границе с верхней мантией. В недрах же Земли температура уве­ личивается с глубиной от 1300 ·с в верхней мантии до 3700 ·с в центре ядра. Увеличение температуры происходит по адиабатиче­

скому закону: оно зависит от сжатия вещества под давлением

при невозможности теплообмена с окружающей средой.

В земной коре различают три температурные зоны: 1- пере­ менных температур; li - постоянных температур; П1нараста­

ния температур (рис. 4). Изменение температур в зоне перемен­

ных температур определяется климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубинах около 1,5 м, а го­ довые (сезонные)- на глубинах 20-30 м. Для средних широт ха­

рактерна кривая а (летний период) и кривая б (зимний период).

В зимний период в зоне 1 образуется также подзона промерзания (JA), где температура опускается ни­

24

ны и глубину промерзания; величину промерзания при этом кор­

ректируют по типу горных пород, например песок промерзает

больше, чем глина; 2) величину промерзания можно определять по

формулам или 3) использовать многолетние (более 10 лет) наблю­

дения за промерзанием земли в данном районе.

Знание величины промерзания позволяет строителям опреде­ лять необходимую глубину заложения фундаментов объектов и

подземных водонесуmих коммуникаций.

По мере утлубления в землю влияние сезонных колебаний

темпера1}'р уменьшается и на глубине примерно 15-40 м нахо­

дится зона постоянной темпера1}'ры, которая соответствует сред­

негодовой темпера1}'ре данной местности. Под Москвой эта зона начинается на глубине 20 м, около Санкт-Петербурга с 19,6 м.

Зона постоянных температур может быть использована при

различных видах подземного строительства.

В пределах зоны IIJ температура с глубиной возрастает. Вели­ чина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называет­ ся геотермическим градиентом, а глубина, при которой температу­ ра повышается на 1 ·с, - геотермической ступенью. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м. Непосредствен­

ные измерения показали, что величина геотермической ступени на

разных участках Земли колеблется довольно в широких пределах:

Монче1}'НДра - 6,54 м, Донецкий бассейн - 30,68 м и т. д.

Закономерное нарастание температуры с глубиной справедли­

во лишь до некоторой глубины. Исследования последних лет по­ казали, что в Москве на глубине 1630 м она достигает +41 ·с, а в Прикаспии на глубине 3000 м- уже +108 ·с.

Нарастание температуры с глубиной следует учитывать при проектировании сооружений глубокого заложения, особенно при

активно развивающемся в последние годы освоении подземного

пространства городов, хранилищ различного рода промытленных

отходов, особенно радиоактивных, при строительстве метрополи­

тенов.

Глава 3

МИНЕРАЛЬНЫЙ И ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЙ СОСТАВ

ЗЕМНОЙ КОРЫ

Земная кора сложена горными породами. Минералы входят в

состав горных пород, хотя иногда создают и свои отдельные

скопления. Прежде чем дать характеристику минералам и гор­

ным породам, следует заметить, что в строительном производстве

25

одновременно используют минеральные образования как природ­

ного, так и искусственного происхождения. Поэтому после опи­

сания минералов даются некоторые сведения по искусственным

минералам, а после горных пород - по техническим каменным

материалам. Минералы изучает наука минершюгия, а горные по­ роды - петрография.

МИНЕРАЛЫ

В настоящее время следует различать два вида минералов:

1) природного происхождения, рождение которых связано с про­

цессами в земной коре; 2) искусственного происхождения, кото­

рые возникли в процессе техногеиной деятельности человека (в

том числе и целенаправленной).

1. Природные минералы. Под этими минералами понимают минеральные образования, сформировавшиеся в результате геохи­

мических процессов, протекающих в земной коре. Каждый мине­

рал имеет определенный химический состав, структуру и свои

физические свойства.

Иногда в земной коре минералы встречаются в виде самосто­

ятельных скоплений, создавая ценные месторождения полезных

ископаемых, но чаще входят в состав горных пород. Минералы определяют физико-механические свойства горных пород, по­ этому с этой точки зрения представляют наибольший интерес для инженеров-строителей.

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разно­

видностей. Большинство из них встречаются редко и лишь не­

многим более 100 минералов встречаются часто и в достаточно

больших количествах, входят в состав тех или иных горных по­

род. Такие минералы называют породообразующими.

Каждый минерал имеет определенное внутреннее строение и

присущие только ему внешние признаки и характеризуется свои­

ми свойствами (рис. 5). Все это обусловливается условиями тех

геологических процессов, в которых рождаются минералы. Каж­

дый минерал может существовать в природе лишь в определен­

ных термодинамических условиях. При изменении этих условий

минеральное тело видоизменяется или разрушается.

Происхождение минералов. Условия, в которых образуются ми­

нералы в природе, отличаются большим разнообразием и слож­

ностью. Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из маг­

мысиликатного огненно-жидкого расплава. Таким путем обра-

26

б

Р и с. 5. Формы существования минералов:

а- кристаллическая; б- аморфная; с- кристаллаподобная

зуются, например, кварц и различные силикаты. ЭIЩогенные ми­ нералы обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде,

кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс свойственен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше и в море. В

первом случае их создание связано с процессом выветривания,

т. е. разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры на эJЩогенные минералы. Таким образом образуют­ ся глинистые минералы (гидрослюда, каолинит и др.), различные

железистые соединения (сульфиды, оксиды и др.). Во втором

случае минералы формируются в процессе выпадения химиче­

ских осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.). В экзо­

генном процессе ряд минералов образуется также за счет жизне­

деятельности различных организмов (опал и др.).

Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В боль­

шинстве случаев они имеют низкую твердость, активно взаимо­

действуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфический процесс. Под воздействием высоких темпе­

ратур и давлений, а также магматических газов и воды на неко­ торой глубине в земной коре происходит преобразование мине­

ралов, ранее образовавшихся в экзогенных процессах. Минералы

изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовыва­

ются, приобретают плотность, прочность. Так образуются многие

минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит и др.).

Структура. Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристал­

лическое строение, в котором атомы расположены в строго опре­

деленном порядке, создавая пространствеиную решетку. Благодаря

27

рис. 7. Кристаллографическая характеристика минералов

Спайность - способность минералов раскалываться или рас­ щепляться по определенным направлениям с образованием плос­ костей раскола. Это свойство обусловлено внутренним строением кристаллов и не зависит от их внешней формы.

Излом характеризует поверхность разрыва и раскалывания минералов. Различают излом по спайности (кальцит), ракови­

стый (кварц), землистый (каолинит) и др.

Плотность минералов различна и колеблется в пределах от

0,6 до 19 r/см3• Наиболее распространенные значения находятся

в пределах от 2,5 до 3 гfсм3 •

Минералы могут обладать рядом других физических свойств:

хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и т. д.

Для отдельных минералов эти свойства могут быть характерными

признаками, например галит (поваренная соль)- соленый, сера

имеет запах при горении и т. д.

Классификация минералов. Основана в основном на их хими­ ческом составе. Все минералы разделяют на 10 классов (табл. 4).

Ниже дается краткая характеристика основных классов мине­ ралов, которые имеют наибольшее распространение в земной ко­

ре (рис. 9, 10, 11, 12, 13, 14).

Силикаты - наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов, являющихся основной составной частью большин­ ства магматических и метаморфических пород. Среди силикатов

вьщеляют группы минералов, характеризующиеся некоторой об­

щностью состава и строения,- полевые шпаты, пироксены, амфи-

31

болы, слюды, а также оливин, тальк, хлориты и глинистые мине­ ралы. Все они по своему составу алюмосиликаты (рис. 15).

минералов, на их долю приходится до 17 % всей массы земной

коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимо­

нит.

Карбонаты. К ним относятся более 80 минералов. Наиболее

распространены кальцит, магнезит, доломит. Происхождение в

основном экзогенное и связано с водными растворами. В кон­

такте с водой они немного снижают свою механическую проч­ ность, хотя и слабо, но растворяются в воде, разрушаются в кис­

лотах.

Сульфаты. Этот класс объединяет до 260 минералов, проне­ хождение которых связано с водными растворами. Характеризу­ ются небольшой твердостью, светлой окраской. Сравнительно хо­ рошо растворяются в воде. Наибольшее распространение имеют

гипс и ангидрит. При соприкосновении с водой ангидрит перехо­

дит в гипс, увеличиваясь в объеме до 33 %.

Сульфиды насчитывают до 200 минералов. Типичный предста­ витель пирит. Сульфиды в зоне выветривания разрушаются, по­

этому их примесь снижает качество строительных материалов.

Галоиды содержат около 100 минералов. Происхождение свя­ зано в основном с водными растворами. Наибольшее распростра­ нение имеет галит. Может быть составной частью осадочных по­

род, легко растворяется в воде.

Минералы классов фосфатов, вальфраматов и самородных эле­

ментов встречаются гораздо реже, чем другие.

Радиоактивпость минералов. Различные радиоактивные хими­

ческие элементы (238U, 232Th, Ra и др.) содержат 97 природных

32

о 2 3 4 5

б

Рис. 14. Формы кристаллических решеток алмаза (а) и графита {6)

минералов. В минералах техногеиных материалов моrут присугст­

вовать также искусственно созданные радиоактивные химические

элементы - технеций, прометий, нептуний и др. Минералы и

материалы с содержанием радиоактивных элементов дают излуче­

ние, интенсивность которого зависит от типа и количества этих

элементов. Покажем это на примерах.

1. Минералы: эшинит содержит 232Th до 30%, малое излуче­

ние; пирохлор - 238U до 17 %, большое излучение.

2. Минералы с различным содержанием шu: урапит-до

30 %, малое излучение; торбернит - до 60 %, большое излучение;

карбонитдо 64 %, большое излучение.

Радиоактивные минералы наиболее часто присугствуют в гра­ нитах и глинах, которые мoryr иметь довольно высокую «фоно­

вую•> радиоактивность, в то время как известняки и кварцевый песок обычно имеют низкую радиоактивность.

2. Искусственные минералы. В результате производственной

деятельности человеком создано более 150 искусственных мине­

ралов. В настоящее время промышленность получает два вида

искусственных минералов: аналоги и техногенные. Аналоги - это повторение природных минералов (алмаз, корунд, горный хрус­

таль и др.). Техногенныеэто вновь созданные минералы с напе­

ред заданными свойствами (например, злит - вяжущие свойства,

муллит-огнеупорность и т. д.). Такие минералы входят в состав

35