Читаем Геология онлайн бесплатно

В настоящее время объемы промышленного и гражданского строительства увеличиваются, а также усложняются объекты строительства, повышается высотность зданий, расширяется подземное строительство. Часто строительство приходится вести в пределах уже существующей застройки, проводить реконструкцию старых зданий, которая требует дополнительного исследования основания сооружения, и на ранее неиспользуемых землях ввиду сложных инженерно-геологических условий. В связи с этим возрастает необходимость точного и экономически обоснованного проектирования, невозможного без грамотного применения инженерно-геологических исследований природных условий территорий будущего строительства.

При подготовке бакалавров по основным образовательным программам, составленным в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 08.03.01 «Строительство» дисциплина «Геология» изучается в рамках модуля «Инженерное обеспечение строительства».

В соответствии с учебными планами подготовки бакалавров по образовательным траекториям «Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций», «Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций», «Городское строительство и хозяйство», «Проектирование зданий», «Проектирование и эксплуатация систем теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования», «Проектирование, изготовление и монтаж конструкций зданий и сооружений», «Теплоснабжение и вентиляция», «Технология и организация промышленного и гражданского строительства», «Проектирование и возведение объектов промышленного и гражданского строительства», «Экспертиза и управление недвижимостью», «Экспертиза инвестиционно-строительного проекта и управление недвижимостью», «Водоснабжение и водоотведение», «Гидропневмосистемы в строительстве и промышленности», «Стоимостной инжиниринг в строительстве» рабочая программа дисциплины «Геология» предусматривает 18 часов лекций, 18 часов лабораторных работ, две контрольные работы и расчетно-графическую работу.

В результате изучения дисциплины «Геология» студенты должны:

– знать основные требования нормативной документации в строительстве в области проектирования и градостроительства; способы и методы инженерно-геологических изысканий; законы геологии, гидрогеологии; генезис и классификацию пород и грунтов;

– уметь анализировать воздействие окружающей среды на материал в конструкции; применять нормативную документацию для разработки технических заданий на проектирование и инженерные изыскания; решать простейшие задачи инженерной геологии; читать геологическую графику;

– демонстрировать навыки диагностики породообразующих минералов и горных пород, построения геологической графики.

Самостоятельная работа студентов по данной дисциплине складывается из следующих составляющих:

– изучение отдельных тем разделов программы дисциплины;

– подготовка к лекционным занятиям (мини-тест по каждому разделу дисциплины);

– подготовка к выполнению лабораторных работ;

– подготовка к контрольным работам (решение простых задач по инженерной геологии, работа с коллекциями минералов и горных пород на кафедре);

– выполнение расчетно-графической работы;

– подготовка к сдаче зачета.

Дисциплина «Геология» является комплексным курсом, объединяющим основные сведения из области общей геологии, гидрогеологии, грунтоведения, геодинамики, методики инженерно-геологических изысканий и других геологических дисциплин, которые в той или иной мере связаны с вопросами строительства:

– общая геология – наука, изучающая состав, строение Земли;

– историческая геология – наука, изучающая историю и закономерности развития земной коры;

– минералогия и петрография – науки о минералах и горных породах;

– геоморфология – наука, изучающая развитие рельефа поверхности земной коры, его происхождение и связи с геологическим строением;

– геодинамика – наука, изучающая процессы, протекающие в недрах Земли и на ее поверхности;

– грунтоведение – наука, изучающая физические и физикомеханические свойства грунтов;

– механика грунтов – наука, изучающая деформации и напряжения, возникающие в горных породах под действием внешних и внутренних сил;

– гидрогеология – наука о подземных водах, их составе, свойствах, происхождении;

– геокриология – наука, предметом изучения которой является зона многолетней мерзлоты в земной коре и все процессы и явления этой зоны, осложняющие строительное производство.

Горные породы (грунты) служат строительными материалами, средой для строительства и основанием зданий и сооружений. От взаимодействия сооружений с окружающей геологической средой зависит их долговечность и надежность.

Форма Земли – геоид. Трехосный эллипсоид вращения с полярным сжатием. R_э = 6378,16 км, R_п = 6356,78 км;

М = 6х10 ²⁴ кг; g = 9,8 м/с ².

Магнитное поле Земли ассиметрично под действием солнечного ветра. Форма его меняется, образуя сферу, которая защищает планету от жесткого излучения.

Оболочки Земли подразделяются на внутренние и внешние. К внешним оболочкам Земли относятся атмосфера, гидросфера и биосфера.

В состав атмосферы входят:

– тропосфера, высотой в полярных широтах до 10 км, до 12 км в умеренных и 18 км в тропических широтах; содержит 80 % всей массы атмосферного воздуха и 90 % водяного пара;

характеризуется возникновением облаков, развитием циклонов и антициклонов;

– стратосфера (до 55 км), у верхней границы зоны находится озоновый слой, являющийся защитой Земли от ультрафиолетового излучения Солнца;

– мезосфера (до 80 км); в ней находятся свободные радикалы возбужденных молекул, которые обусловливают свечение атмосферы (северное сияние);

– термосфера (до 700 км), температура до высоты 200 – 300 км возрастает до 150 °К;

– экзосфера (выше 700 км) – сфера рассеивания.

Химический состав атмосферы, %: 78,084 N₂, 20,946 O₂, 0,934 Ar, 0,035 СО₂, 0,002 – все остальные газы и водяной пар.

Гидросфера по площади занимает 71 % поверхности Земли, в ее составе: мировой океан, подземные воды, реки, моря, ледники и др.; 98 % – соленые воды, пресные – 2 %.

Биосфера – область распространения живых организмов, включает в себя земную кору, атмосферу и гидросферу.

К внутренним оболочкам Земли относятся ядро, мантия и земная кора.

Ядро состоит из внутреннего твердого ядра, которое вращается, имеет железо-никелевый (состав и радиус 1216 км), и внешнего жидкого ядра, состоящего из железа с радиусом ~ 3400 км. Температура ядра 4000–6000 °С, плотность до 14000 кг/м ³, во внешнем ядре - 9500–12300 кг/м ³.

Мантия занимает основной объем Земли (мощность до 2900 км). Делится на верхнюю (~900 км) и нижнюю (~2000 км). Мантия состоит из тяжелых минералов, богатых Fe и Mg. Они образуют соединения с SiO₂, силикаты (дуниты – породы ультраосновного состава). Плотность мантии 3300– 5000 кг/м ³, температура от 600–700 °С до 1500–1800 °С. Мантийное вещество находится в твердом состоянии, но в геологическом времени может обладать пластичностью, способностью к течению. Тепло передается от более нагретых частей к менее нагретым частям, т. е. внутри Земли происходит передача тепла от горячего ядра к приповерхностной зоне.

Земная кора – внешняя оболочка земли, ее мощность от 5 км под океанами и до 70 км – под континентами. Нижняя граница (по сейсмическим данным здесь наблюдается скачкообразное увеличение скорости распространения упругих волн) называется «слой Мохоровичича» или «Мохо».

Существует два типа земной коры океаническая и континентальная. Континентальная кора состоит из трех геологических слоев: осадочного чехла, «гранитного» слоя (породы гранитного состава) и базальтового (породы основного состава), мощность ее колеблется от 20 км (островные дуги) до 70 км (складчатые пояса). Океаническая кора имеет два слоя: осадочный чехол и базальтовый слой, мощность 5–6 км.

Земная кора имеет алюмо-силикатный состав, представленный в основном легкоплавкими соединениями. Химический состав Земной коры, %: О – 46,6; Si – 27; Al – 8,7; Fe – 5,1; Ca – 3,6; Na – 2,6; K – 2,6; Mg – 2,1; другие – 1,2.

Литосфера – жесткая внешняя оболочка земли, которая включает в себя земную кору и литосферную часть мантии (обладают одинаковыми физическими свойствами), подстилается астеносферой.

Астеносфера – пластичная оболочка мантии, где преобладают высокие температуры и появляются первые проценты расплава; в геологическом времени обладает свойствами очень вязкой жидкости.

Литосфера состоит из нескольких литосферных плит, которые движутся друг относительно друга по астеносфере за счет конвективных течений в мантии. Это перемещение называется тектоникой плит, в результате которой происходит непрерывное изменение земной коры – горные породы непрерывно разрушаются и формируются вновь.

Для изучения глубинных слоев земли применяют геофизические методы, основанные на разнице скоростей сейсмических волн при прохождении разных по плотности сред, где происходит преломление и частичное отражение волн. Верхняя часть земной коры изучается бурением сверхглубоких скважин (12,6 км на Кольском полуострове).

Земная кора имеет два источника тепла: Солнце и распад радиоактивных веществ на границе с мантией.

В земной коре выделяют три температурные зоны.

I – зона переменных температур до глубины 30 м, определяется климатом местности, в зимний период образуется подзона промерзания, которая зависит от климата и типа горной породы и определяется по карте в СНиП, по формулам или по многолетним наблюдениям, ее величина учитывается при расчете глубины заложения фундамента.

II – зона постоянных температур, распространяется до глубины 15–40 м и соответствует среднегодовой температуре местности.

III – зона нарастания температур, в которой температура возрастает с глубиной в зависимости от геотермического градиента. Геотермический градиент – величина возрастания температуры на каждые 100 м глубины. Геотермическая ступень – глубина, при которой температура повышается на 1 °С. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м.

Вопросы для самопроверки

1. Форма Земли, характеристика магнитного поля.

2. Строение Земли, характеристика внешних и внутренних оболочек, методы изучения.

3. Как называется огненно-жидкий силикатный расплав в недрах Земли?

4. Как называется оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии?

5. Как называется нижний слой атмосферы?

6. Тепловой режим земной коры (зона переменных, постоянных и нарастающих температур). В какой зоне изменение температур зависит от климата?

7. Для чего необходимо знание величины промерзания грунтов?

8. Геотермический градиент, геотермическая ступень.

Земная кора сложена горными породами, которые состоят из минералов. Изучением минералов занимается наука минералогия.

Минералы

Минерал (лат. minera – руда) – химическое соединение, образующееся в результате естественных физико-химических и геологических процессов в земной коре или на ее поверхности. В земной коре содержится несколько тысяч минералов и их разновидностей, но только около сотни из них наиболее часто встречаются и в больших количествах входят в состав горных пород. Эти минералы называются породообразующими. Минералы, содержание которых в породах незначительно (менее 5 %) называются акцессорными.

По способу образования минералы могут быть объединены в две группы:

– эндогенные минералы, образующиеся на различных глубинах за счет внутренней энергии Земли в результате кристаллизации магмы и преобразования первичных минералов в условиях высоких давлений и температур;

– экзогенные минералы, образующиеся за счет внешней (солнечной) энергии в результате процессов выветривания (воздействие атмосферы, гидросферы, биосферы) разнообразных пород. Каждый минерал обладает определенным химическим составом и определенной кристаллической структурой, т. е. закономерным расположением в пространстве элементарных частиц (молекул, атомов, ионов). В зависимости от особенностей химического состава и кристаллической структуры минералы образуют многогранники различной формы, называемые кристаллами. Эти характеристики минералов обусловливают все физические свойства, такие как цвет, блеск, твердость и т. д.

Полиморфными модификациями называются минералы, имеющие одинаковый химический состав, но различное внутреннее строение, структуру. Например, графит и алмаз – С; кальцит и арогонит – СаСО₃, их относят к различным минеральным видам.

Изоморфизмом (от греч. isos – равный и morphe – форма) называется свойство различных, но родственных по химическому составу веществ кристаллизоваться в одинаковых структурах при одном типе химической связи. Минералы с переменным составом могут объединяться в один минеральный вид, если непрерывно изменение состава минерала от одного крайнего члена к другому.

Иногда минералы имеют неупорядоченное строение, когда атомы и ионы, их составляющие, располагаются беспорядочно, хаотично. Минералы с таким строением называются аморфными.

Наиболее часто встречающимися формами выделения минералов в природе являются минеральные агрегаты – беспорядочные скопления минералов. Минеральные агрегаты бывают мономинеральными (греч. monos – один) и полиминеральными (греч. polys – многочисленный). При описании минеральных агрегатов отмечают размер отдельных зерен и их форму. По размеру слагающих их кристаллов агрегаты могут подразделяться на гигантозернистые – слагающие кристаллы более 3 см; крупнозернистые – 3–1 см; среднезернистые – от 1 до 0,3 см; мелкозернистые – менее 0,3 см, выделяются также скрытокристаллические агрегаты, отдельные зерна которых не видны невооруженным глазом. Формы кристаллов, слагающих минеральный агрегат, могут быть: изометричные, таблитчатые, дисковидные, уплощенные, листоватые, пластинчатые, столбчатые, шестоватые, игольчатые, волокнистые и т. д.

Физические свойства минералов

Минералы отличаются друг от друга по внешним признакам: цвету, блеску, форме и другим свойствам. Все физические свойства минералов находятся в прямой зависимости от их химического состава и кристаллической структуры. Для того чтобы распознать минералы в полевых условиях, не прибегая к специальным методам минералогического исследования и оборудованию, необходимо знать и уметь определить их основные физические свойства, которые можно использовать как диагностические признаки.

Оптические свойства