Инженерная геология

Инженерная  геология

Лекция №1: ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ  И ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ И ГИДРОЛОГИИ.

 

ИНЖЕНЕРНАЯ  ГЕОЛОГИЯ – дисциплина, которая изучает горные породы, геологические процессы и геологические особенности территорий с целью рационального использования и охраны геологической среды верхней части литосферы, где протекает инженерно-хозяйственная деятельность человека. В процессе изучения данной дисциплины рассматриваются вопросы:

– определения состава, строения, состояния и свойств горных пород (грунтов), условия их распространения;

– изучение как природных геологических процессов, так и возникающих в результате строительства и эксплуатации зданий и сооружений, мероприятия по обеспечению устойчивости последних и охране окружающей среды;

– исследование закономерности пространственного изменения инженерно-геологических условий и их оценка.

 

ГЕОЛОГИЯ  (греч. "гео" - Земля, "логос" - учение) – наука о Земле, ее составе, строении и развитии, о процессах, протекающих на ней, в ее воздушной, водной и каменной оболочках.

Основным объектом изучения геологии является литосфера (от греческого «литос» – камень), или наружная твердая оболочка Земли – земная кора. Геология оформилась в науку  в ХVIII в. и как одна из естественноисторических наук о Земле развивалась в тесной связи с физикой, химией, математикой механикой и др.

В настоящее время  геология является комплексной наукой, состоящей из многочисленных самостоятельных  дисциплин.

Непосредственным изучением  горных пород занимается особая отрасль  геологии, называемая петрографией (греч. "петрос" - камень). Петрография описывает состав горных пород, их строение, условия залегания, а также их происхождение и изменения, вызываемые различными факторами.

Химический состав, свойства и происхождение минералов изучает минералогия. Физические особенности внутреннего строения вещества минералов, находящегося в твердом кристаллическом состоянии, изучает кристаллография. Данные кристаллографии, минералогии, петрографии в сочетании с выводами других геологических наук служат базой геохимии. Она устанавливает закономерности распределения, сочетания и перемещения отдельных химических элементов и их изотопов в недрах Земли и на ее поверхности. У перечисленных выше дисциплин, изучающих материальный состав Земли, есть родственная наука – почвоведение, которая рассматривает самый поверхностный слой земной коры, обладающий плодородием.

К наукам, рассматривающим  вещественный состав Земли, относится  и учение о полезных ископаемых. Это отрасль геологии, изучающая условия образования, распространение и изменение месторождений полезных ископаемых в земной коре.

Под воздействием внутренних (эндогенных) сил, связанных с источниками  энергии внутри Земли и внешних (экзогенных) сил, обусловленных получаемой земной поверхностью солнечной энергией, земная кора и Земля в целом непрерывно изменяются, проходя ряд последовательных стадий развития. Комплекс наук, изучающих геологические процессы, изменяющие лик Земли, объединяет динамическая геология. Она рассматривает процессы, вызывающие изменение земной коры, формирование рельефа земной поверхности и обусловливающих развитие Земли в целом. Большое разнообразие объектов исследования привело к выделению из динамической геологии таких самостоятельных дисциплин, как вулканология, сейсмогеология и геотектоника.

Вулканология изучает процессы вулканических извержений, строение, развитие и причины образования вулканов и состав продуктов, ими выбрасываемых.  

Сейсмогеология – наука о геологических условиях возникновения и проявления землетрясений. 

Геотектоника (тектоника) – наука, изучающая движения и деформации земной коры и особенности ее строения, возникающие в результате этих движений и деформаций.

Земля имеет очень  длительную и сложную историю  развития, которая запечатлена в  горных породах, последовательно возникавших  в недрах Земли и на ее поверхности. Восстановление истории Земли и объяснение причин ее развития составляет предмет исторической геологии. Эта наука устанавливает связь развития органического мира с развитием всей земной коры. Специальными ее дисциплинами являются стратиграфия, палеонтология, палеогеография.

Стратиграфия устанавливает хронологическую последовательность образования горных пород земной коры, служащих главными документами прошлого. Для этой науки особое значение представляет палеонтология, которая изучает окаменелости, заключенные в горных породах и являющиеся остатками некогда существовавших животных и растений. По ним палеонтологи восстанавливают растительный и животный мир, существовавший на Земле в прошлые геологические эпохи. Палеонтология на основе изучения остатков вымерших животных и растений устанавливает возраст горных пород и делает возможным сопоставление разнородных толщ осадочных образований, возникших одновременно. Геологическое летоисчисление и периодизация геологической истории основаны на данных этой науки. Она имеет также большое значение для выяснения физико-географических условий, обстановки прошлых геологических эпох, что является задачей палеогеографии. Средством для этого выяснения служат горные породы и содержащиеся в них окаменелости.

Раздел исторической геологии, изучающий историю развития Земли в последний, так называемый четвертичный период, выделяется в  особую область – четвертичную геологию. Отложения, образующиеся в четвертичном периоде, как самые молодые и поверхностные, служат непосредственной основой для сельскохозяйственной и инженерной деятельности человека.

В ХХ веке особенно интенсивно стала развиваться новая наука - геофизика, применяющая физические методы изучения земной коры и земного шара в целом. Применение физических методов позволило уточнить строение глубинных недр Земли.

К важнейшим  геологическим наукам, занимающимся изучением практических вопросов, относятся гидрогеология и инженерная геология.

ГИДРОГЕОЛОГИЯ – наука о подземных водах. Она изучает их происхождение, состав и свойства, закономерности движения, условия залегания и распространения в земной коре. Гидрогеология возникла как прикладная наука, направленная на изучение минеральных источников, условий водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий. Постепенно создаются теоретические основы гидрогеологии и происходит становление различных ее научных и методических направлений.

В настоящее время гидрогеология оформилась в комплексную науку, в состав которой входят:

1) общая гидрогеология – изучающая происхождение подземных вод, их роль в земной коре, свойства, взаимодействие с горными породами, условия распространения.

2) динамика подземных вод – изучающая закономерности движения, количественную оценку и управление этим движением;

3) гидрогеохимия – изучающая строение, структуру, процессы формирования и изменения состава, миграцию химических элементов в подземных водах;

4) методика гидрогеологических исследований – учение о методах и приемах выявления гидрогеологических условий, запасах подземных вод, их качестве, режиме, движении в целях решения вопросов строительства ЗиС, водоснабжения, орошения осушения, поисков лечебных вод и т. д.;

5) гидрогеология месторождений полезных ископаемых, которая занимается изучением подземных вод в целях освоения месторождений полезных ископаемых;

6) учение о минеральных  водах – происхождение вод и формирование их состава, выявление месторождений, определение запасов;

7) радиогидрогеология – это изучение закономерностей формирования распространения и миграции в подземных водах радиоактивных элементов;

8) региональная гидрогеология – изучение закономерностей условий залегания, распространения и формирования подземных вод в конкретных регионах, связь с геологическими структурами земной коры и историей их развития с целью использования этих вод в народном хозяйстве.

Следует отметить, что  в последние годы в гидрогеологии  стали развиваться другие научные  направления в связи с производственной деятельностью человека, такие, как  техногенная гидрогеология, мелиоративная гидрогеология, гидрогеологические исследования на застроенных территориях и др.

ИНЖЕНЕРНАЯ  ГЕОЛОГИЯ получила широкое развитие в последние десятилетия. Эта наука изучает геологические процессы верхних горизонтов земной коры и физико-механические свойства горных пород (грунтов) в связи с инженерно-строительной деятельностью человека. Становление Инженерной геологии как самостоятельной отрасли геологии началось с ХIХ в, когда геология впервые стала находить свое применение для решения строительных задач.

На современном этапе  развития инженерная геология трудами  многих советских ученых стала крупным  научным разделом геологии. В ее состав входят:

1) грунтоведение – учение о грунтах;

2) динамическая инженерная  геология (или собственно инженерная геология) – учение о геологических процессах как природных, так и вызванных инженерной деятельностью человека;

3) региональная инженерная  геология – учение о закономерностях пространственного распространения инженерно-геологических условий.

Инженерная геология изучает природную геологическую обстановку местности (участка строительства) до начала строительства, а также определяет те возможные изменения, которые произойдут в геологической среде, в первую очередь в грунтах, как в процессе строительных работ, так и при эксплуатации зданий и сооружений. В наши дни ни одно здание или сооружение не может быть построено без соответствующих инженерно-геологических работ и гидрогеологических исследований.

В современных условиях инженеры-строители, как правило, сами не ведут инженерно-геологических и гидрогеологических работ – для этого существуют специализированные инженерно-геологические и гидрогеологические организации, но инженеры-строители в области водоснабжения и канализации должны знать, понимать и учитывать инженерно-геологические и гидрогеологические данные при проектировании и строительстве зданий и сооружений. Наиболее полный учет природных условий в строительстве позволяет выбирать наиболее экономичные и технически рациональные варианты ЗиС, обеспечивает высокую их устойчивость, надежную эксплуатацию, создает условия для решения вопросов охраны природной среды.

 

Лекция №2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МИНЕРАЛООБРАЗУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОДООБРАЗУЮЩИХ МИНЕРАЛОВ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ВИДЫ МИНЕРАЛОВ. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА НА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД.

 

Минералы – это природные тела, имеющие определенные химический состав и физические свойства, образующиеся в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре.

В земной коре минералы встречаются в виде самостоятельных скоплений, создавая ценные месторождения полезных ископаемых, но чаще входят в состав горных пород. Минералы определяют физико-механические свойства горных пород, поэтому с этой точки зрения представляют наибольший интерес для инженеров-строителей.

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разновидностей. Большинство из них встречаются  редко и лишь около ста минералов  встречаются часто и в достаточно больших количествах, входя в  состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими.

 

Основные виды минералообразующих процессов.

Каждый минерал имеет  определенное внутреннее строение и  какие-либо присущие только ему внешние  признаки, характеризуется своими свойствами. Все это обусловливается условиями тех геологических процессов, в которых рождаются минералы. Каждый минерал может существовать в природе лишь в определенных термодинамических условиях. При изменении этих условий минеральное тело видоизменяется или разрушается.

Условия, в которых  образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью.

Различают 3 основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный  процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы – силикатного огненно-жидкого расплава. Таким путем образуются, например, кварц и различные силикаты. Эндогенные минералы образуются плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный  процесс свойствен поверхности земной коры. В этом процессе минералы образуются на суше и в море. В первом случае их образование связано с процессом выветривания, т. е. с разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры на эндогенные минералы. Таким образом, образуются глинистые минералы (гидрослюда, каолинит и др.), различные железистые соединения (сульфиды, окислы и др.). Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.). В экзогенном процессе ряд минералов образуется также за счет жизнедеятельности различных организмов (опал и др.).

Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В большинстве  случаев они имеют низкую твердость, активно взаимодействуют с водой  или растворяются в ней.

Метаморфический процесс. Под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование минералов, ранее образовавшихся в эндогенных и экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность. Так образуются многие минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит и др.).

 

Классификация породообразующих минералов.