Предмет и задачи инженерной геологии

Введение. Предмет  и задачи инженерной геологии

Инженерная геология -  отрасль геологии, изучающая Земную кору в связи с инженерной деятельностью человека.

Земная кора - твердокаменная оболочка Земли.

Геология -   наука о   происхождении,  строении, развитии Земли,  основанная на  изучении горных пород и Земли в целом с привлечением данных фундаментальных наук.

Человек является геологической силой, преобразующей  Земную кору.

Масштабы инженерно-геологической деятельности человека.

15% суши  занято  промышленно-гражданскими сооружениями, 1 400 000 км железных дорог равны  25  долинам экватора Земли,  длина каналов составляет  три  четверти расстояния до  Луны, длина берегов водохранилищ  равны  длине экватора, 70%  оползней провоцируются   человеком.

Геологическая среда - верхняя часть Земной коры, которая испытывает или может испытать  влияние инженерной деятельности  человека.

Задачи инженерной геологии:

1.изучить  геологическую среду

2.Дать прогноз  изменений геологической среды.

Природные опасности.

тайфуны-землетрясения-наводнения-оползни-засуха-вулканическая  деятельность.

Урон от опасных инженерно-геологических процессов: плоскостная и овражная эрозии-24%, подтопление-14%, наводнение и переработка берегов -13%, оползни и обвалы-11%,

землетрясения -8%

Предотвращение опасных инженерно-геологических процессов в 15-50 раз дешевле.

Инженерная геология изучает проблемы, возникающие в связи с инженерной деятельностью человека.

 

Строение земли

 

Методы изучения Земли: геологическое картирование, горные выработки, физические  поля, метеориты, изучение вулканической  деятельности.

Земля состоит из сфер: ядро – мантия – литосфера (Земная кора).

1896 г.  Э.Вихерт предположил существование «железного» ядра Земли. 

1912г. Б.Гутенберг  открыл жидкую часть ядра (глубина 2885 км.) по слабым сейсмическим колебаниям.

1936г. И.Леманн на основе сейсмических методов открыла твердую часть ядра (глубина 5150км).

Центр Земли -7200^оС, р =3 млн. атм., плотность =12,5 г/см³,   состав: Fe – 80%, Ni – 20%.

1909г. Андрий Мохоровичич(Хорватия) открыл нижнюю границу Земной коры.

1960 г. Дж.Морган и Кс. Ле Пишон: разработали понятие литосферы, включающей (50-100 км) Земную кору, плавно переходящую в Астеносферу. Астеносфера простирается на  100-350 км, обладает высокой температурой и пластична.

350-2885 км –  область распространения  Мантии  Земли, ее плотность меняется  от  3.3 до 9.7 г/см^з           МАНТИЯ неоднородна и исследуется методом Сейсмической томографии.(Аki K., Christofferson A and Husebye E. S.,1977,1984г.- Дон Андерсон  Адам М. Дзевонский.) 

 

Исследование структуры ЗК.

А.Вегенер - 1929г. Гипотеза дрейфа континентов.

Концепция

1.Единый  пра-континент

2.Прилив  Луны, разрушил континенты.

3.Центробежные  силы привели континенты в  движение.

А. Вегенер привел 26 доказательств существования пра-континента, дрейфа его фрагментов и реконструировал их движение.

Недостатки: нереальный механизм движения и разрушения континентов.

 

Крупнейшие открытия открытия ХХ века в геологии:

(Гарри Гесс, Тузо Вильсон,  Джеймс Морган, Роберт Дитц и др.)

1950-е остаточная  намагниченность горных пород  и инверсия магнитных полюсов  Земли

1960-е полосовые  магнитные аномалии дна Атлантического  океана.

1950-е г.г открытие системы срединно-океанических хребтов.

1960-е  г.г. открытие зон Hugo Benioff – зон  субдукции.

 

Важнейшие  гипотезы о строении Земли и Земной коры

Дж. Морган., Ксантив Ле Пишон. На основе новерйших достижений геологии разработали теорию глобальной тектоники плит.

1.Плиты –  фрагменты литосферы: океанические  и континентльные.

2.Механизм  – тепловая конвекция в мантии.

3.Плиты_непрерывно_созидаются_и_поглощаются:  cпрединг-субдукция

 

1994 г.Ш.Маруяма.Концепция плюмов.

1.Скопление  литосферных плит у границы  мантии

2.Прорыв  плит к ядру

3.Всплеск  плюмов

4.Расщепление  плюмов и перестройка Земной коры с образованием  срединно-океанических хребтов с периодичностью n*100 млн лет.

 

Земная кора разделяется на  океаническую и континентальную.

Строение  океанической части коры -  «базальтовый слой» – «осадочный чехол».

Строение  континентальной части коры –  «базальтовый слой» - «гранитный слой» - «осадочный чехол».

 

Вертикальные движения континентов

Дж. Холл (США),1857-59г.г., Дж. Дана(США.), 1873г., Э. Ог (Фр.) впервые разработали представления об особо подвижных поясах Земной коры - геосинклиналях , которые сочетались с устойчивыми областями – платформами (А.Карпинский.,А.Зюсс).

 

Виды вертикальных движений Земной коры. Орогенические - горообразовательные. 

Эпейрогенические–медленные колебательные (автор Г.Джильберт,1890 г.).

Трансгрессия  – опускание Земной коры и наступление  моря.

Регрессия –  подъем Земной коры и отступление  моря.

Примеры современных  колебательных движений Земной коры. Кавказ –> 8-13мм (+). Балтийский щит 8-10 мм (+), Черноморское побережье Кавказа 12мм (-), Одесса 4 мм (-).

Новейшие тектонические  движения наблюдаются по изменениям ландшафта и очень важны для прогноза инженерно-геологических процессов и явлений.

Опускание Земной коры приводит к наступлению береговой линии морей на сушу;  подъем грунтовых вод и воды в   колодцах;  заболачивание ранее культурных земель;  рост береговых отмелей;  углубление речных врезов.

Дифференциальные  движения Земной коры:  сейсмичность;  обвалы и осыпи на склонах;

оползни.

 

Геохронология

В 1896 году Анри Беккерель открыл радиоактивное  излучение урана.

Установлено: темп распада  радиоактивных изотопов зависит  только от внутриатомных процессов. Установлено, что  период полураспада  – постоянная величина для каждого  радиоактивного элемента.

П. Кюри и Э. Резерфорд  предложили использовать радиоактивность, как часы для оценки возраста горной породы от начала ее существования.

При определении абсолютного (в годах) возраста горной породы используют  соотношение концентраций исходного  изотопа и продуктов распада, и период ½ распада:

Т= 1/l * ln (D/M+1),        

l - скорость распада изотопа.

D/M – соотношение масс материнского изотопа и продуктов его распада

Пример. периоды полураспада:

• U238   ->  8He   + Pb206        4.5 мрд.лет
• U235   -> 7He4  + Pb207        710 млн лет
• K40     ->    Ar40                      100 тыс.лет.

Э.Резерфорд – Впервые определил возраст магматической горной породы  -  2 мрд лет.

В.Болтвуд 1907(Канада) предложил считать возраст самой древней горной породы равной возрасту Земли.  Артур Холмс и сотрудники в 1911г. сопоставили абсолютный возраст горных пород с разделами с эпохами геологической истории.

История Земли была воссоздана  в XIX  веке путем исследования развития органического мира и последовательности формирования осадочных горных пород.

 

Исследование  истории Земли сопровождалось формированием  принципов геологии и ее теоретических и прикладных методов.

Леонардо  да Винчи. Принцип суперпозиции. “Cлои, располагающися выше моложе нижних ”.  Н.Стеннон: пока формировались нижние слои - верхних еще не было.

Жорж  Луи  Леклер де Бюффон (1707-1788 Фр.) («История Земли» 36 т.т.) Земля имеет некую длительную  и содержательную историю.  В.Смит (1796 г.). Принцип руководящих    органических остатков: каждому слою осадочных пород соответствуют свои сочетания органических остатков, которые можно использовать для установления относительного возраста слоев и их корреляции.

Жорж Кювье (Georges Cuvier.1769–1832). Концепция катастроф: периоды коренного  преобразования  органического мира связаны с геол. катастрофами.

Ч. Лайель.  “Принципы    геологии”(1833г.). Принцип актуализма: современные геологические процессы подобны процессам, происходившим  в геологическом прошлом. Возраст  Земли невозможно определить геологическими методами.

• В XIX веке сформировалась  наука стратиграфия, изучающая последовательность залегания земных пластов и их взаимоотношение друг с другом. В этот период разработана стратиграфическая шкала, разделившая истории Земли на отдельные временные этапы. Однако, их продолжительность оставалась неизвестной.

Современная  хронология истории  Земли  имеет две шкалы:

• cтратиграфическая  - подразделение геологических отложений.
• геохронологическая – время формирования отложений.

Геохронологические  и стратиграфические подразделения  соответствуют друг другу:

Эоны -  эонотемы, Эры -  группы, Периоды – системы, Эпохи -  отделы, Века  - ярусы.

Крупнейшие  подразделения геохронологической шкалы эоны :   Архейский - Протерозойский –Фанерозойский. Фанерозойский эон делится на эры: Палеозойская  -Мезозойская  -Кайнозойская. Каждая эра делится на периоды, эпохи и века. В течение эры формируются отложения горных пород  - группы – это подразделения стратиграфической шкалы. Группы подразделяются   на системы, сформировавшиеся  в течение одного периода. Системы подразделяются на два или три отдела, которым соответствуют ранняя, средняя, поздняя эпохи. Отделы разделяются на ярусы, которые характеризуются присутствием определенных родов и видов ископаемой фауны. Ярус формируется в течение века  и т.д.

Геохронологическая  и

стратиграфическая шкалы

Эра, млн лет Kz            68	Период, млн лет   Q           2
Kz                67	Q          1,5
	N          25
	Р           41
Мz             173	К           70
	J             58
	Т            45
Рz                330	Р            45
	С            55
	D           70
	S            30
	0            60
	C           70
Рt: около       2000
Аr:        1500-2000

 

Как мы определяем относительный  возраст отложений?

1.Мы_обнаруживаем комплекс органических  остатков в изучаемых слоях. 

В соответствии с ним находим  место слоям в стратиграфической  шкале, которая полностью отражает развитие органического мира в истории  Земли.  Однако мы не можем дать ответ: сколько лет назад  произошло  накопление этих отложений.

Для этого существует абсолютная геохронология, которая определяет возраст  отложение  радиоизотопным методом.

 

2. Состав Земной коры. Минералы  и горные породы

    

 Состав Земной коры:

 

              О-47, Si-28, 

              Al–8, Fe- 4,         87% ,

 

             Ca,K,Na,Mg  -      11%

 

92% массы ЗК – минералы - алюмосиликаты

 

Известно      10 млн  химических соединений. Из них, несколько тысяч неорганических соединений. Минералов – 4000. Известно 3000 разновидностей минералов, возникающих вследствие примесей и вариаций в структуре кристаллической решетки.

 

 

МИНЕРАЛ

Природное хим. соединение кристаллической  структуры,  образовавшееся на Земле  как результат геологических  и геохимических процессов или  эквивалентных процессов на внеземных  телах Вселенной  .

Свойства минералов. Однородны (формула), упорядочены –кристаллическая структура.

 

 История изучения минералов.

1669 Н.Стеннон – закон постоянства углов.

1775 К. Линней -   классификация  минералов.

1824_Й. Берцелиус  классификация  минералов  по химическому  составу

1828_ Ул. Николь – измерение поляризационных свойств минералов.

1849_ Г.Сорби – минералогический микроскоп. Анализ минералов в шлифах.

1912_М_Лауэ_открытие дифракции  Х-лучей  на кристаллах

1913_У. и Л. Брегг- расшифровка структуры кристаллической решетки минерала

1931-У.Брегг   Расшифровка и классификация структур  силикатов.

Современные методы исследования минералов: ИКС, электронная микроскопия,

микрозондовый анализ, люминсцентный анализ, ядерно-магнитный резонанс.

 

В XIX-открыто 1000 минералов. Благодаря У. и Л. Брегам открыто 800 минералов-силикатов.

Многообразие минералов.

Литосфера на 95 % образована силикатами и содержит всего  200 безводных  минералов.

На Луне  обнаружено   90 минералов, в метеоритах – 175.  В Земной коре образовалось более 2000 минералов с  использованием воды и групп  ОН^-

 

Распределение  минералов в Земной коре.

 

1.   Алюмосиликаты -      90%  массы Земной коры (М_ЗК)

1а. Слоистые силикаты -      1,1% М_ЗК

         они составляют 50% осадочных горных пород.