Инженерно-геологические процессы

          Гидролиз – наиболее важный процесс химического выветривания, т.к. путем гидролиза разрушаются силикаты и алюмосиликаты, которые слагают половину объема внешней части континентальной коры.

          Гидролиз – это обменное разложение вещества под влиянием гидролитической диссоциации воды, сопровождающееся разрушением одних и образованием других минералов. Наиболее характерен пример гидролиза полевых шпатов:

K[AlSi3O8] + nH2O + CO2 ® K2CO3 + Al4[Si4O10](OH)8 + SiO2 ´ nH2O 

 ортоклаз                                    в раствор            каолинит                     опал

       Дальнейший гидролиз каолинита приводит к его разложению и образованию латерита:    

Al4[Si4O10](OH)8 ® H2Al2O4 + SiO2 ´nH2O  Латерит

        Интенсивность процесса гидролиза, которому сопутствуют растворение и гидратация, зависит от климатических условий: - в умеренном климате гидролиз протекает до стадии образования гидрослюд;  - во влажном теплом климате – до стадии образования каолинита; - в субтропическом климате – до стадии образования латерита. Таким образом при гидролизе разрушаются силикаты, алюмосиликаты; на их месте накапливаются глинистые минералы, а за счет вытеснения катионов образуются свободные окислы и гидроокислы алюминия, железа, кремния, марганца.

         Латериты являются ценными рудами на алюминий. При перемыве латеритной коры выветривания и переотложении гидроокислов алюминия формируются месторождения бокситов.

Стадии химического выветривания

           В соответствии с приведенной последовательностью выделяются 4 стадии химического выветривания;

1.    Обломочная, при которой породы превращаются в рыхлые продукты физического выветривания;

2.    Обизвесткованного элювия (сиаллитная), когда начинается разложение силикатов, сопровождаемое удалением хлора, серы и обогащение пород карбонатами;

3.    Глин (кислая сиаллитная стадия), когда продолжается разложение силикатов и происходит отщепление и вынос оснований (Ca, Mg, Na,K), а также образование каолиновых глин на кислых породах и нонтронитовых – на основных;

4.    Латеритов (аллитная), завершающая стадия химического выветривание, на которой идет дальнейшее разложение минералов (отщепляются и выносятся окислы и гидроокислы алюминия и железа – гетит, гидрогетит и гиббсит, гидраргиллит).

Органическое выветривание

          Воздействие органического мира на горные породы сводится или к физическому (механическому) разрушению их, или к химическому разложению. Важным результатом органического выветривания (в совокупности с физическим и химическим) является образование почвы, отличительным свойством которой является ее плодородие.

Элювий и кора выветривания

           Элювий – это продукты выветривания, оставшиеся на месте своего образования. Все продукты выветривания, которые смещены с места образования вниз по склонам без участия линейного смыва, Ю.А. Билибин предложил назвать делювием, а коллювием Ю.А. Билибин назвал разновидность делювия, достигшую подножия склона и прекратившую движение.

Пример строения современного элювия можно представить в следующем виде (рис. 4).

        При нормальных условиях верхние слои элювия измельчены значительно сильнее, чем лежащие ниже. С глубиной продукты выветривания становятся все более и более грубыми. Самый нижний слой состоит из кусков, хотя и отделенных от породы, но залегает на месте образования. Глубже массивные породы разбиты лишь трещинами, количество которых уменьшается с глубиной.

        Элювий остается и сохраняется на уплощенных водораздельных поверхностях, а на склонах он начинает двигаться под тяжестью собственного веса и становится уже делювием.

Рис.4.   Строение  элювия

          Под корой выветривания понимается вся совокупность продуктов выветривания, залегающая на месте образования или перемещенных на небольшое расстояние и занимающие значительные площади. Нередко термин кора выветривания используют, когда выветривание прошло до стадии каолиновых глин или латеритов.  

        Термины «элювий» и «кора выветривания» почти синонимы. Различают современную кору выветривания и древнюю (ископаемую или погребенную), перекрытую молодыми породами.

        Состав и тип коры выветривания определяется составом коренных пород, климатом и стадией выветривания: 1 – Обломочная; 2 – Гидрослюдистая; 3 – Монтмориллонитовая (нонтронитовая); 4 – Каолиновая; 5 – Латеритная.

Геологическая роль выветривания

1. Выветривание – составная (основная) часть глобального процесса – денудации. И денудация и выветривание протекают селективно, т.е. избирательно. Различные горные породы и минералы в разных климатических условиях выветриваются с разной скоростью, что можно рассмотреть на примере простого строения участка земной коры (рис.5).

Рис. 5. Селективность денудации и выветривания

         В условиях влажного климата известняки будут подвергаться интенсивному растворению и выщелачиванию, и на их месте будут понижения в рельефе, а в местах выхода гранитов – возвышенности.

          В сухом жарком климате граниты будут разрушаться быстрее, чем известняки и на поверхности будут формироваться понижения в рельефе.

2. Выветривание – это начало формирования осадочных горных пород. На поверхности формируются различные обломочные породы: щебень, дресва, песок. Где-то накапливаются каолиновые глины, обогащенные Al; в море происходит отложение хемогенных осадков Fe и Mn, Ca, Mg, которые поверхностными и подземными водами вынесены с суши, а соли Na и K находятся в растворимом состоянии.

        Таким образом, первоначально сложенные по своему составу коренные породы в процессе выветривания дифференцируются на составные части, состав которых постепенно упрощается вплоть до элементного.

3. При выветривании образуются разнообразные полезные ископаемые: сульфидные руды, каолиновые глины, латериты, строительные материалы и др.

2.3. Карст

 
        Под карстом подразумеются явления, связанные с деятельностью подземных вод, выражающиеся в выщелачивании растворимых горных пород (известняков, доломитов, гипса) и образовании пустот (каналов, пещер) в породах, сопровождающиеся часто провалами и оседаниями кровли и образованием воронок, озер и других впадин на земной поверхности. 
В этом определении карстом назван процесс образования пустот в растворимых породах. Но часто карстом называют самые пустоты, образовавшиеся в породах в результате выщелачивания. Желая уточнить терминологию, процесс образования пустот в породах в результате выщелачивания называют карстообразованием или карстовым процессом, а пустоты—карстовыми пустотами.Тогда словом «карст» можно обозначать всю совокупность явлений, связанных с образованием в растворимых породах пустот, т. е. как процесс, так и его результаты. 
Из растворимых пород наиболее распространены известняки разного рода, доломиты, гипс, ангидрит, реже встречается каменная соль. В зависимости от растворимости породы ход развития карста при прочих равных условиях будет различным. Но процесс растворения зависит также и от свойств растворителя; поэтому, давая оценку растворимости пород, надо всегда иметь в виду и определенный состав растворителя. 
Известняки, доломитолиты, гипсолиты в большинстве случаев водопроницаемы только по трещинам. Поэтому и растворение вещества породы происходит только по стенкам трещин. И если бы не происходило перемешивания струй, то очень скоро непосредственно у стенок слои воды пришли бы в насыщенное состояние и процесс растворения мог бы продолжаться лишь при условии диффузного выравнивания состава воды. На самом деле вода двигается по трещинам с завихрением и со стенками соприкасаются все новые струи, что и поддерживает процесс растворения. Чем больше перемешивается двигающаяся вода, тем скорее исчерпывается ее растворяющая способность. При прочих равных условиях количество растворенной породы будет зависеть от количества прореагировавшей воды, т. е. от условий питания и фильтрации. 
Вблизи уступов и склонов возможна более сильная циркуляция подземных вод и развитие карстовых пустот бывает особенно сильным. Наверху склона и в прилегающих частях водораздельных пространств образуются воронки, колодцы, провалы, которые связаны с круто уходящими вглубь карстовыми ходами, обычно в направлении тектонических трещин. Внизу и у подножия склона, в виде пещер, выходят наружу горизонтальные ходы, проложенные водой большей частью по трещинам напластования. 
В разных породах карст развивается с различной скоростью: медленнее в карбонатных породах—известняках и доломитолитах, скорее в сульфатолитах—гипсолитах и ангидритолитах. Это различие в скорости развития карста позволяет по разному оценивать значение карста в разных породах—карбонатных и сульфатных. 

 
2.4. Абразия берегов морей, озер и водохранилищ

 
      Абразия берегов –процесс разрушения и сноса суши морским прибоем.     Проблема актуальна для крупных озер и водохранилищ. Волны моря, ударяясь о берег, непрерывно его подтачивают, подмывают и, таким образом, сглаживают все выступы и неровности. Таким путем вырабатывается более или менее широкая подводная волноприбойная терраса. По мере того как море проникает далее вглубь разрушаемой им суши, возрастает ширина этой террасы и уменьшается живая сила волн вследствие трения о ее поверхность. Если уровень моря повышается относительно прилегающего берега, разрушительная работа волн проникает дальше вглубь материка и ширина абразионной террасы возрастает (иногда до 10–20 км). При длительном повышении уровня моря (или опускания суши) море может далеко проникнуть вглубь материка (трансгрессия) или затопить обширные площади. Вновь поднявшаяся над уровнем моря часть суши, которая подверглась действию морской абразии, представляет собой слабо покатую в сторону моря абразионную равнину или абразионную платформу. 
Интенсивность абразии зависит от степени волнового воздействия, т. е. от бурности водоема. Важнейшим условием, предопределяющим абразионное развитие берега, является относительно крутой угол исходного откоса (больше 0,01) прибрежной части дна моря или озера. Абразия создает на берегах абразионную террасу или бенч (англ. bench), и абразионный уступ или клиф. Образующиеся при этом в результате разрушения горных пород песок, гравий, галька могут вовлекаться в процессы перемещения наносов и служить материалом для образования береговых аккумуляторных форм. Часть материала сносится волнами и течениями к подножью абразионно-подводного склона, образуя прислоненную аккумуляторную террасу. По мере расширения абразионной террасы абразия постепенно затухает (так как расширяется полоса мелководья, на преодоление которой расходуется энергия волн) и при поступлении наносов может смениться аккумуляцией. 
Причины усиления абразии берегов делятся следующим образом: 
За счет повышения уровня океана или локального опускания дна – 30–35 %; 
за счет климатически обусловленного усиления течений вустьях бухт и заливов–20%; 
За счет антропогенного вмешательства в естественный ход процессов в прибрежнойзоне–45–50%. 
 
2.5. Осыпи, оползни, обвалы

 
       Осыпи — скопление на склонах гор и скал камней, а также скопление обломков горных пород различного размера на склонах или у подножий гор и холмов. Состоят из слабо отсортированных обломков. Как правило, у подножий они самые крупные, в верхних частях осыпей мельче. Обломки горных пород по мере накопления постепенно перемещаются вниз по склону под влиянием силы тяжести. Осыпи образуются на склонах гор и у их подножий в результате физического выветривания. 
Оползни – скользящее смещение масс горных пород вниз по склону под влиянием силы тяжести. Возникают вследствие подмыва склона, сейсмических толчков, переувлажнения (особенно при наличии чередования водонепроницаемых и водоносных пластов пород). 
Чтобы образовался оползень, нужно выполнение ряда условий. Главное условие – наличие воды. Проникая в глубину горных пород, особенно глинистых, вода заполняет поры между частицами, уменьшает сцепление частиц, а заодно увеличивает тяжесть породы. Подчиняясь действию силы тяжести, набухшие от дождей глинистые породы (водоносные пласты) могут прийти в движение и поползти по склону. Еще более сильно могут воздействовать на глинистые породы подземные воды. Рыхлые отложения в таких породах (например, пески) они могут вымывать и тем самым увеличивать неустойчивость толщи пород, располагающихся выше. 
В отличие от оползней, обвал – почти мгновенное событие. Чтобы возник обвал, горный массив или его часть должны находиться в неустойчивом состоянии – когда достаточно небольшого толчка или сотрясения, чтобы порода раскрошилась на куски и глыбы, обрушивающиеся вниз. Для этого, во-первых, необходим сильно расчлененный горный рельеф с крутыми, нередко обрывистыми склонами. Во-вторых, породы должны быть основательно ослаблены трещинами, возникшими либо благодаря действию эндогенных (тектонических) сил, либо за счет экзогенных сил, например выветривания. 
 
Раздел 3.Региональная инженерная геология

 
3.1.Инженерно-геологически условия

 
        В процессеинженерно-геологических исследований собирают сведения о физико-географической обстановке, климате, растительности, животном мире, об опыте строительства и эксплуатации сооружений, экономике и т. д. Эти данные о свойствах сред, внешних по отношению к геологической (атмосферы, поверхностной гидросферы, биосферы искусственной среды), являются результатами исследований других наук. Инженерам-геологам они необходимы для оценки набора, характера и интенсивности взаимодействий других сред — систем с изучаемой литосистемой. Кроме того, они нередко используются для оценки свойств геологической среды (например, метод ландшафтных индикаторов при проведении среднемасштабной инженерно-геологической съемки). Взаимодействия геологической среды с другими средами проявляются в форме экзогенных геологических процессов. Для изучения процессов нужно знать, где, как, с какой интенсивностью и какие входы литосистемы взаимодействуют с элементами других систем. Знание набора взаимодействий, интенсивности и вклада каждого взаимодействия, характера и скорости изменения отношений, свойств и структуры геологической среды, обусловленных взаимодействиями с другими средами, дает надежную основу для понимания экзогенных геологических процессов и их количественного прогноза. Данные о свойствах других сред используются также для решения ряда вопросов, возникающих при планировании и проектировании сооружений (например, обоснование возможности и целесообразности строительства сооружений на данной территории с учетом экологического, экономического и других критериев эффективности). В процессе геологических работ (или исследований) изучают инженерно-геологические условия некоторой территории.  
        Инженерно-геологические условия определяют как совокупность геологической обстановки, имеющей значение для проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений. В число компонентов инженерно-геологических условий он включает: характер пород, условия их залегания и распространения в земной коре, гидрогеологические условия, влияющие на состояние и устойчивость пород, современные геологические процессы, как природные, так и вызванные инженерной или вообщехозяйственной деятельностью человека, влияющие на выбор места для строительства, конструкцию сооружения и методы производства строительных работ.

 
3.2. Инженерно-геологическое районирование

 
       Инженерно-геологическое районирование — последовательное деление территории на соподчинённые части (территории единицы), характеризующиеся всё более высокой степенью однородности по инженерно-геологическим условиям, в некоторых случаях с последующей классификацией выделенных единиц. 
Инженерно-геологическое районирование охватывает приповерхностную зону земной коры на глубину, отвечающую интересам отдельных видов инженерной деятельности, а выделяемые территории единицы представляют собой сложнопостроенные геологические тела (массивы пород) с содержащимися в них подземными водами, газами и сформировавшимися в их пределах физическими полями (гравитационным, геотермическим, электромагнитным и др.). Различают общее районирование, рассчитанное на все виды инженерно-хозяйственной деятельности (обычно осуществляется в масштабах 1:200 000 и мельче), и специальное — рассчитанное на определённый вид деятельности (открытые горные разработки, промышленное строительство и др.) или решение конкретной задачи (прогноз геологических процессов, проектирование природоохранных мероприятий и пр.). Основой инженерно-геологического районирования служит предварительно разработанная таксономическая система территории единиц. 
        При специальном инженерно-геологическом районировании учитываются признаки, определяющие условия решения конкретной инженерной задачи. Так, при открытых разработках последовательно учитываются мощность и строение толщи вскрышных пород, степень и характер обводнённости, механические свойства пород, интенсивность проявления и характер геологических процессов и др. 
         Инженерно-геологическое районирование может выполняться в трёх вариантах: региональное (осуществляет деление территории на части, каждая из которых получает развёрнутую индивидуальную характеристику); типологическое (дополнительно проводится классификация выделенных единиц); смешанное (крупные единицы выделяются как региональные, более мелкие — как типологические,образуя внутреннюю структуру крупных единиц). Последний вариант инженерно-географического районирования является наиболее распространённым. Объединение территориальных единиц в классы позволяет давать им обобщённую характеристику, составлять для них единые рекомендации по изысканиям и различным видам инженерных работ, осуществлять экстраполяцию, использовать метод инженерно-геологических аналогий и пр.