- •ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
- •Введение. Основные задачи и значение инженерной геологии
- •Глава 1. Основные сведения о Земле
- •§ 1. Происхождение Земли
- •§ 2. Форма, масса и плотность Земли
- •§ 3. Строение Земли
- •ЧАСТЬ II. МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
- •§ 1.3. Метаморфические процессы минералообразования
- •§ 2. Строение минералов
- •§ 3. Химический состав минералов
- •§ 5. Классификация и распространенность минералов
- •§ 1. Структура и текстура горной породы
- •§ 2. Магматические горные породы
- •§ 3. Осадочные горные породы
- •§4. Метаморфические горные породы
- •ЧАСТЬ III. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕКТОНИКЕ
- •§ 1. Колебательные движения земной коры
- •§ 2. Складчатые и разрывные движения
- •§ 3. Ненарушенное и нарушенное залегание горных пород
- •§ 1. Трещиноватость горных пород
- •§ 2. Геометрические элементы тектонических разрывов
- •ЧАСТЬ IV. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ
- •ЧАСТЬ V. ГРУНТОВЕДЕНИЕ
- •ЧАСТЬ VI. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
- •Глава 1. Виды подземных вод
- •Глава 2. Химический состав подземных вод
- •Глава 3. Законы движения подземных вод
- •§ 1. Связь расхода и напора подземного потока
- •§ 2. Общие условия движения подземных вод
- •§ 3. Методы определения коэффициента фильтрации
- •Глава 4. Воздействие подземных вод на горные породы и грунты
- •§ 1. Гидростатическое и гидродинамическое давление в нескальных грунтах
- •§ 2. Явление плывунности
- •ЧАСТЬ VII. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
- •Глава 1. Выветривание и связанные с ним явления
- •§ 1. Виды выветривания
- •§ 2. Меры борьбы с процессами выветривания
- •§ 3. Геологическая деятельность ветра
- •Глава 2. Геологическая деятельность атмосферных и поверхностных вод
- •§ 1. Виды речных долин и русловых отложений
- •§ 2. Методы борьбы с негативными последствиями геологической деятельности атмосферных и поверхностных вод
- •§ 1. Ледники, моря и озера. Защита берегов
- •§ 2. Неблагоприятные процессы и явления, возникающие на искусственных водохранилищах и меры борьбы с ними
- •Глава 4. Суффозия механическая и химическая. Плывуны. Методы борьбы с суффозией и плывунами
- •§ 1. Суффозия механическая и химическая
- •§ 2. Методы борьбы с суффозией и плывунами
- •Глава 5. Движение грунтов на склонах и откосах. Меры предупреждения и борьбы с оползнями
- •§ 1. Движение грунтов на склонах и откосах
- •§ 2. Меры предупреждения и борьба с оползнями
- •Глава 6. Процессы и явления, связанные с промерзанием и оттаиванием грунтов
- •Глава 7. Просадочные явления
- •Глава 8. Процессы и явления, возникающие в грунтах под сооружениями
- •ЧАСТЬ VIII. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
- •Глава 1. Стадии проектирования
- •Глава 2. Методы инженерно-геологических исследований
- •Глава 3. Инженерно-геологические исследования для гидротехнического строительства
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •СОДЕРЖАНИЕ
17
Основные сведения о Земле
величина сжатия |
1:298,7 |
радиус экватора |
6378245м |
радиус полярный |
6356863м |
длина окружности меридиана |
40008550м |
объем Земли |
1,083х1012км3 |
масса Земли |
5,98х1027г |
плотность Земли |
5,517г/см3 |
плотность литосферы |
2,705г/см3 |
возраст Земли |
около 4,7млрд. лет |
средняя температура Земли (как планеты) |
277°К (+4°С) |
площадь поверхности Земли |
510,1х106км2 |
площадь суши |
148,94х106км2 |
площадь мирового океана |
361,16х106км2 |
масса гидросферы |
1,422х1024г |
объем мирового океана |
1372х106км3 |
масса атмосферы |
5,098х1021г |
масса биосферы |
5х1018г |
ЧАСТЬ II. МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Глава 1. Минералы
Минераламиназываютоднородныепосоставуистроениюприродныевещества, образовавшиесяврезультатефизико–химическихпроцес- сов, протекающих в земной коре и на ее поверхности.
Этовбольшинствесвоемтвердые, главнымобразомкристаллические тела, являющиеся составными частями горных пород и руд. Впрочем, оченьнезначительнаячастьминераловвстречаетсяивжидком(Hg, H2O) и в газообразном (метан, H2S) состоянии.
С химической точки зрения минерал – более или менее однородное тело, отвечающее определенному химическому составу.
Физическикаждыйминералтакжехарактеризуетсяболееилименее определенными, присущими ему свойствами.
Минералымогутсостоятьизодногохимическогоэлемента(Au, S, Hg, C, Pt и др.) или из химических соединений различной сложности.
Размеры минеральных агрегатов могут быть различны: от очень больших, массой в десятки тонн, до микроскопических. Как уже было сказано, большинство минералов имеет кристаллическое строение, но встречаются и аморфные минералы.
18
Известно несколько тысяч минералов (от 4000 до 6000-7000 по разным источникам), но только около450 изних широко распространены в природе. Из них всего несколько десятков минералов составляют основную массу горных пород и называются породообразующими.
Наукаминералогияизучаетморфологию(внешнийоблик), химический состав, примеси, внутреннюю структуру минералов. Не меньшее значение имеет определение физических свойств минералов, что важно как с практической точки зрения, так и для их диагностики. И, наконец, минералогияизучаетпроисхождение(генезис) минераловизакономерности распространения их в природе.
§ 1. Геологические процессы минералообразования
Минерал– этопродуктприродныхфизико-химическихпроцессов. По источнику энергии процессы минералообразования разделяются на две большие группы.
Эндогенные(гипогенные, глубинные) процессыминералообразова-
нияпротекаютвнедрахЗемлиисвязанысмагматическойдеятельностью. Процессызастываниямагмыведуткобразованиюразличныхмагматическихгорныхпород, аотделяющиесяотмагмыгазовыеиводныерастворы переносят различные вещества, которые, при определенных условиях, выделяются в виде минералов.
Экзогенные(гипергенные, поверхностные) процессыпроисходятна поверхности Земли или вблизи нее, а также в атмосфере и гидросфере. Этипроцессысвязанысфизическимихимическимразрушениемгорных породиминералов, ивызываютобразованиедругихгорныхпородиминералов, устойчивыхвусловияхповерхностиЗемли. Сюдажеотносятся биогенныепроцессы– процессы, связанныесжизнедеятельностьюорганизмов.
Минералыигорныепороды, возникшиеврезультатеэндогенныхи экзогенныхпроцессов, приизменениифизико-химическихусловийвне- драхЗемлииспытываютпреобразование(метаморфизм). Приэтомвозникают новые минералы и горные породы, которые называются метамор-
фические.
§ 1.1. Эндогенные процессы минералообразования
Процессы, связанныесдеятельностьюмагмы. Магма(отгреческого«тесто») – многокомпонентныйсиликатныйрасплав, содержащийводяные пары и летучие вещества. Очаги магмы связаны с глубокими частями земной коры, где отмечаются высокие температуры (до 1200°С) и давления в несколько тысяч МПа.
Эндогенныепроцессыподразделяютсянасобственномагматические, пегматитовые, пневматолитовые и гидротермальные. Все эти про-
19
цессы обусловлены дифференциацией магмы – разделением первичной магмынавторичныесоставляющие, различающиесяпохимическомусоставу и физическому состоянию.
Магматическиепроцессы– те, прикоторыхминералыобразуютсянепосредственноприкристаллизациимагмы; образующиесяминералы называютсямагматическимиилиизверженными. Взависимостиотместа (глубины) кристаллизациимагмыизверженныеминералыподразделяются на интрузивные (когда магматический расплав застыл на глубине в несколькодесятковкилометроввусловияхвысокихтемпературидавлений) и эффузивные (когда расплав застыл в непосредственной близости от поверхности или излился на поверхность Земли). Последний процесс наблюдается при извержениях вулканов; излившуюся на поверхность магму называют лавой.
Магмаостываетнаглубинеприпостепенномпонижениидавления итемпературы, вызывающемрасщеплениерасплаваилимагматическую дифференциацию. Дифференциацияподразделяетсянагравитационную, когдаболеетяжелаячастьрасплавапостепенноопускаетсявниз, авверхнихчастяхмагматическогоочагаскапливаетсялегкаячасть, икристаллизационную, когда более тугоплавкие минералы начинают кристаллизоваться первыми, а более легкоплавкие пока остаются в расплаве и кристаллизуютсяпозднее. Вгорнойпороде, образующейсятакимпутем, одниминералыобладаютправильнымиочертаниямизерен(хорошовыкристаллизовавшиеся), адругиеминералывынужденызаполнятьпромежуткимеждузернамипервых, какбыцементируяих. Гравитационнаяикристаллизационная дифференциации, как правило, осуществляются одновременно.
Кромеописаннойвышепоследовательнойкристаллизацииминералов– одинзадругим, впорядкеуменьшенияихтемпературыплавления, возможна и одновременная полная кристаллизация из магматического расплава нескольких компонентов. Магма, поднимаясь к поверхности Земли, ассимилирует(захватываетирасплавляет) различныегорныепороды, что ведет к изменению ее химического состава и возникновению новых разновидностей магматических горных пород.
Пегматитовый процесс минералообразования является завершающей стадией собственно магматического процесса, когда основная часть расплава уже кристаллизовалась и только в верхних частях остывающего массива концентрируется расплав, представленный наиболее легкоплавкими компонентами и насыщенный летучими соединениями.
Пегматиты– жильныетела, близкиепосоставукпервоначальной магме, ноотличающиесяотсобственномагматическихобразованийформой, строением и набором минералов.
20
Процессидетнаглубине3-8кмпритемпературе300-900°С; обязательнымусловиемдляобразованияпегматитовявляетсяпостоянствовысоких температуры и давления и состава расплава.
При этих условиях образуются кристаллы-гиганты, например: в Мамскоммассиве(Иркутскаяобл.) обнаруженыкристаллыслюды– мусковитамассойв1тонну; пластиныслюды– биотитамогутдостигатьразмеровв7м2 (Норвегия); кристаллыминераласподумена– литиевойруды могутвырастатьдо14мвдлину(ЮжнаяДакота, США); кристаллыполевогошпата– до100 тонн(Карелия); кристаллыдрагоценноготопаза– до 117кг (Волынский район, Украина).
Пневматолитовый процесс минералообразования ("пневма" от греческогогаз) этопроцессобразованияминераловизгазовойфазы. На позднихэтапахкристаллизациимагмывозможноотделениегазовотмагматическогорасплава(вследствиеуменьшениявнешнегодавления). При возгонкегазовпотрещинамиполостямвмещающихпородониохлаждаются, реагируют с вмещающими породами с образованием минералов. Продукты пневматолиза – пневматолиты разделяются на глубинные и вулканические. Первыеобразуютсянаглубинеоколо3кмпритемпературе 400-600°С; вторые – в трещинах лавовых покровов и кратерах вулканов за счет газов, вырывающихся в атмосферу при извержениях.
Гидротермальныйпроцессминералообразования. Гидротермы– горячие водные растворы, отделяющиеся отмагмы или образующиеся в результате сжижения газов (на завершающей стадии пневматолитового процесса). Критическая точка воды - 374°С, поэтому гидротермальные процессы возможны только при температуре ≤ 374°С в широком диапазонедавлений. Гидротермывыносятизмагматическогоочагацелыйряд соединений металлов, кроме того, они могут заимствовать из окружающих пород различные вещества. Причина движения гидротермальных растворов – разность давлений. Гидротермальныйпроцесс не ограничиваетсяотложениемминераловвтрещинахиобразованиемжильныхтел. Гидротермы, какигазы, просачиваютсясквозьвмещающиегорныепороды, химическиреагируютснимиизамещаютих, привносяновыесоединения. При этом образуются так называемые метасоматические тела.
§1.2. Экзогенные процессы минералообразования
Вповерхностной зоне земной коры происходит мощный процесс разрушения горных пород и минералов. Совокупность явлений химического и физическогоразрушения пород иминералов носит общее назва-
ние выветривание.
Продукты выветривания могут переноситься водными и воздушнымипотоками назначительныерасстояния. Некоторыеминералыипо-
21
родыприэтоммогутпереходитьврастворимигрироватьврастворенном виде, достигаяморейиокеанов. Вопределенныхместахземнойкорыэти продуктысоответственноихгидродинамическойигидрохимическойактивностибудутвыпадатьвосадок. Этотпроцессноситназваниеосадоч-
ный.
Процессывыветриванияприводяткмеханическомуразрушению ихимическомуразложениюпородиминералов. Агентамивыветривания являются вода и ветер, колебания температуры, кислород и углекислый газвоздуха, жизнедеятельностьмикроорганизмов. Интенсивностьвыветривания зависит от климата, рельефа местности, химического состава разрушаемых пород и минералов.
Врезультатефизическоговыветриванияпроисходитмеханическое разрушение пород и минералов – их дезинтеграция. Образующийся обломочныйматериаллибоостаетсянаместе, либопереноситсяводнымии воздушными потоками. Новых минералов при этом не образуется.
Прихимическомвыветриваниипроисходитхимическоеразложениеминералов, иобразуютсяновыеминералы, устойчивыевновыхусловиях. Следуетотметить, чтопри разложениипород, содержащихсиликатыиалюмосиликаты, происходитвыносрастворимыхпродуктов(солиK, Na, Ca, Mg), а труднорастворимые – глинозем и кремнезем (Al2 O3 и Si О2) остаются на месте.
Средипроцессовхимическогоразложенияминераловглавноезначение имеет процесс окисления, который осуществляется при наличии свободногокислорода, обычновприсутствииводы. Свободныйкислород атмосферыирастворенноговводевоздухаявляетсячрезвычайноактивным химическим реагентом. Наиболее интенсивно процессы окисления протекаютвотношенииэлементов, обладающихразличнойвалентностью ипоступающих наповерхностьЗемли(взонувыветривания) взакисной форме. Особенноэтокасаетсяжелеза– элементаширокораспространенного. Характернымпримеромокислительногопроцессаявляетсявзаимодействие кислорода и воды с сульфидами:
Пирит FeS2+ nO2+mH2O→ →FeSO4→Fe2(SO4)3→Лимонит Fe2O3 . nH2O
В первой стадии получается сульфат закиси железа FeSO4 , который, подвергаясь дальнейшему окислению, переходит в сульфат окиси железа Fe2(SO4)3 . Последний, в свою очередь, является неустойчивым и переходит в водную окись железа – лимонит. Таким образом, из пирита получаетсянаиболееустойчивоевусловияхповерхностиЗемлисоединение железа - лимонит.