Геология. Основы грунтоведения. Подземные воды. Природные процессы и явления

Министерство образования и науки Российской Федерации М.В. Венгерова, А.С. Венгеров ГЕОЛОГИЯ Электронное текстовое издание Конспект лекций для студентов всех форм обучения по направлению подготовки бакалавров 270800.62 «Строительство» Подготовлено кафедрой материаловедения в строительстве Екатеринбург 2011 1 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ГЕОЛОГИИ ........................................................................... 9 1.1. Строение Земли и земной коры. .................................................................. 9 1.2. Породообразующие минералы и горные породы................................... 17 1.2.1 Породообразующие минералы................................................................ 17 1.2.2 Горные породы .......................................................................................... 24 1.3. Геохронология ............................................................................................... 33 1.4. Глобальная геотектоника ........................................................................... 36 1. 5. Вулканизм и сейсмические явления ........................................................ 38 II. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ ....................................................................... 44 2.1. Классификация грунтов Гост 25100–95 ................................................... 44 2.2. Физические свойства грунтов .................................................................... 45 2.3. Водно-физические свойства грунтов ........................................................ 46 2.4. Деформационные свойства ......................................................................... 47 2.5. Прочностные свойства................................................................................. 48 2.6. Классификационные показатели глинистых грунтов .......................... 48 2.7. Классификационные показатели обломочных грунтов ....................... 52 2.8. Классификационные показатели скальных грунтов ............................ 54 III. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ...................................................................................... 56 3.1. Классификация подземных вод ................................................................. 56 3.2. Законы движения подземных вод.............................................................. 76 2 IV. ПРИРОДНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНО- ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ ............................................. 85 4.1. Экзогенные процессы и вызванные ими явления ................................. 85 4.1.1 Выветривание ........................................................................................... 85 4.1 2. Геологическая деятельность ветра .................................................... 89 4.1.3. Геологическая деятельность атмосферных осадков ....................... 91 4.1.4 Геологическая деятельность рек .......................................................... 93 4.1.5. Геологическая деятельность моря ...................................................... 97 4.1.5 Геологическая деятельность озер, болот и водохранилищ ........... 100 4.1.6 Геологическая деятельность ледников.............................................. 103 4.1.7 Движение горных пород на склонах рельефа местности .............. 108 4.1.8 Карстовые и суффозионные процессы ............................................... 115 4.1.9 Мерзлотные процессы ........................................................................... 122 4.2. Инженерно-геологические (антропогенные) процессы и явления ... 128 4.2.1 Деформация над горными выработками ........................................... 128 4.2.2 Особенности лессовых грунтов ........................................................... 129 4.2.3 Плывуны ................................................................................................... 130 5.1. Подготовительный этап ............................................................................ 132 5.2. Полевой период ........................................................................................... 133 5.2.1. Разведочные выработки ....................................................................... 134 5.2.2. Бурение .................................................................................................... 135 5.2.3. Геофизические работы ........................................................................ 136 5.2.4. Полевые исследования грунтов .......................................................... 137 3 5.2.5. Гидрогеологические исследования (опытно-фильтрационные работы) ............................................................................................................. 140 5.2.6. Стационарные наблюдения (режимные) ......................................... 141 5.3. Лабораторные и камеральные работы................................................... 142 4 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время необходимость подготовки строителей в области инженерной геологии возрастает. Участились аварии зданий из-за деформации оснований. В европейской части страны в больших городах строительство ведется в пределах существующей застройки, на землях, которые ранее не были использованы из-за сложности инженерно-геологических условий и даже ухудшены свалками грунта и отходов. Реконструкция существующих предприятий – обследование старых фундаментов и существующих оснований. Расширение подземного строительства. В результате освоения дисциплины «Геология» студент должен: – читать и анализировать геологическую графику (геологические карты, разрезы и т.д.); – выбирать оптимальные проектные решения по размещению сооружений и способов производства земельно-строительных работ соответствующих природным условиям; – идентифицировать строительный котлован и проектный чертеж, строительные материалы (свободно распознавать горные породы); – прогнозировать неблагоприятные инженерно-геологические процессы, а также выбирать меры борьбы с ними; – составлять проекты на инженерно-геологические изыскания; – владеть основными положениями нормативной литературы: СНиП 11.02–96 «Инженерные изыскания для строительства», СП 11.105.–97 Инженерногеологические изыскания для строительства, СНиП 2.01.15–90 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов», ГОСТ 25100–95 «Грунты». Инженерная геология – отрасль геологии, которая изучает геологическое строение и динамику верхней части земной коры в связи с проектированием и строительством инженерных сооружений. 5 Цель инженерной геологии: изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологической среде и породах в процессе строительства и эксплуатации. Задачи инженерной геологии: 1. Выбор оптимального, благоприятного в геологическом отношении места, площадки строительства объекта. 2. Выявление инженерно-геологических условий для определения наиболее рациональной конструкции фундамента и производства строительных работ. 3. Выработка рекомендаций по необходимым мероприятиям инженерной защиты территорий и охране геологической среды при строительстве и эксплуатации сооружений. Инженерная геология – три научных направления. – Грунтоведение – изучение физических и физико-механических свойств грунтов. – Инженерная геодинамика – природные и антропогенные процессы. – Региональная инженерная геология изучает строение и свойства геологической среды определенных территорий. Кроме того, специальные разделы – механика грунтов, механика скальных грунтов, гидрогеология, геофизика, геокриология. Краткий исторический очерк развития инженерной геологии. Акад. Пашкин Е.М. в книге: "Инженерная диагностика деформаций памятников архитектуры" (1998) описал аварии многих исторических зданий в прошлом и настоящем. В домонгольский период (до 15 в.) строили в основном на лежнях и мелких фундаментах. Затем перешли на деревянные сваи-коротыши, которые при плотной их забивке обеспечивали уплотнение слабых грунтов. Петропавловская крепость в начале 18 в. была построена на просмоленных дубовых сваях длиной Н=6–8 м и диаметром Д=35–40 см. Исаакиевский Собор построен на 2,6 тыс. деревянных свай. Но это была 3 попытка его строительства. Предыдущий храм (в нач. 18 в.) не построили из-за подмыва берега р. Невой. Первый Храм Христа Спасителя начали строить на Воробьевых горах еще в 1817 г. и прекратили строительство из-за оползней в 1827 году. 6 С середины 19-го века началось развитие железнодорожного строительства, грандиозных гидротехнических сооружений (Суэцкий канал), строительство мощных гидростанций в Швейцарии, Франции, США, наш БАМ и Амурскую ж/д начали строить в 1907-1910 гг. в условиях вечной мерзлоты. В 1910-1916 гг. провели строительство Черноморской ж/д от Туапсе до Сухуми и дальше в Закавказье. Еще раньше соорудили ж/д дорогу АрмавирСтаврополь, которую вскоре разрушили оползни. Столкнувшись с непреодолимыми трудностями и аварийными ситуациями, для консультаций стали привлекать геологов и почвоведов. В 1882 году в России был создан Геологический Комитет, который объединил крупнейших геологов, будущих академиков – гордость российской науки (А.П.Карпинский, И.В.Мушкетов, В.А.Обручев, А.П.Павлов). Они оказали большую помощь при исследованиях ж/д трасс, строительстве мостов и тоннелей. Такую же помощь оказали выдающиеся ученые-почвоведы В.В.Докучаев, П.А.Костычев, В.Р.Вильямс, Н.М.Сибирцев. После Октябрьской революции начались великие стройки социализма – каналы Беломоро-Балтийский, Москва-Волга и др. с плотинами, шлюзами, водохранилищами, Московский Метрополитен. Стройки консультировал американский проф., основатель современной механики грунтов Карл Терцаги. Он же написал первый учебник «Инженерная геология» (1929-1932). В 1937 г. в Харькове состоялось 1-е Всесоюзное совещание по просадочным грунтам. С начала 30-х гг. начали выходить методические пособия, инструкции и учебники по инженерной геологии. В 1929 г. была организована первая в мире кафедра инженерной геологии в Московском геолого-разведочном институте, затем в Ленинградском горном институте, МГУ и ЛГУ. С 30-х гг. ведется осушение центра Москвы. На это отреагировали все здания Московского Кремля, построенные на деревянных сваях длиной до 12 м и на насыпных грунтах. Сваи при осушении грунтов стали гнить, а органика (щепки и т. д.) – разлагаться. Строительство Дворца съездов с осушением его котлована ускорило деформации. Набатная башня Кремля получила крен до 0,82 м. Основание самого большого здания Кремля – Арсенала (1736) размерами в плане 303х80 м и высотой Н=24 м укрепляли силикатизацией. Немецкой фирме "Бауэр" за укрепление грунтов и фундаментов под гостиницей "Метрополь" заплатили 4 млн. долл. Строительство нового Дворца правосудия на Арбате привело к деформациям соседнего 8-эт. дома и появлению трещин в старом здании генеральной прокуратуры. При строительстве станции метро "Боровицкая" начались осадки зданий Российской государственной библиотеки (до 132 мм). 7 Большой вклад в развитие инженерной геологии внесли: М.М.Филатов, И.В.Попов, Е.М.Сергеев, Н.Я.Денисов, Н.Н.Маслов, А.К.Ларионов, Н.В.Коломенский, В.И.Осипов, В.Т.Трофимов и др. Сейчас отечественная инженерная геология представлена головным институтом ПНИИИС Госстроя, кафедрами вузов МГУ, МГРИ, ГРУ, РГСУ, МГСУ и др., трестами инженерно-строительных изысканий (ТИСИЗы). ПНИИИС Госстроя разрабатывает СНиПы, ГОСТы и другие нормативы по инженерным изысканиям. В 1979 г. академик Е.М.Сергеев дал новое определение инженерной геологии как науки о геологической среде, ее рациональном использовании и охране в связи с инженернохозяйственной деятельностью человека. Под геологической средой следует понимать «любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть литосферы, которые рассматриваются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженернохозяйственной деятельности человека, что приводит к изменению природных геологических процессов и возникновению новых антропогенных (инженерно-геологических) процессов, изменяющих инженерно-геологические условия определенной территории». В.И.Вернадский в 1944 г. ввел понятие о "ноосфере" (сфере разума), где человек становится крупнейшей геологической силой. Справедливость этих слов становится все более очевидной по мере развития научно-технического прогресса. Градостроительный Кодекс РФ (2005) законодательно требует от заказчиков не только надежности инженерных сооружений, но и охраны природной среды. 8 I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ГЕОЛОГИИ 1.1. Строение Земли и земной коры. Форма – геоид. Трехосный эллипсоид вращения с полярным сжатием. Rэ=6378,16 км, Rп=6356,78 км; М=6*1024 кг; g=9,8 м/с2. Магнитное поле Земли – ассиметрично под действием солнечного ветра. Форма его меняется, образуя сферу – защита от жесткого излучения. В течение последних 5 млн. лет произошло ≈ 30 инверсий полюсов. Современная намагниченность пород параллельна современному магнитному полю. При инверсии противоположные направления. Внешние оболочки – атмосфера, гидросфера, биосфера. Внутренние оболочки – ядро, мантия, земная кора. Атмосфера состоит: – тропосфера (8–10 км – полюс, 16–18 км – экватор); Тº от положительных до ( – 50º С); образуются облака и тепловые движения воздуха. Стратосфера (до 55 км), Тº – положительные, у верхней границы – озоновый слой. Мезосфера (до 80 км), Тº – отрицательные (– 50º). Термосфера (800-1000 км) и экзосфера (сфера рассеивания). Состав атмосферы – N – 75 %, O2 – 23 %, Ar – 1,25 %. Гидросфера – по площади занимает 71 % поверхности Земли, ее состав: мировой океан, подземные воды, реки, моря, ледники и т.д.; 98 % – соленые воды, 2 % – пресные. Биосфера – область распространения живых организмов – земная кора, атмосфера, гидросфера. Внутренние оболочки. Ядро состоит из внутреннего (Fe-Ni, R=1216км) твердого (вращается) и внешнего (Fe) жидкого, его радиус ~3400 км, tº – 4000-6000º С, плотность – до 14 т/м3 в центре, 9,5–12,3 т/м3 во внешнем ядре. 9 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 их 3,3–5,0 т/м3, tº =600–700º С до 1500–1800º С. Мантийное вещество находится в твердом состоянии, но в геологическом времени может обладать пластичностью, способностью к течению. В середине прошлого века были высказаны предположения о конвективных движениях в мантии. Тепло передается от более нагретых частей к менее нагретым частям, т.е. внутри Земли происходит передача тепла от горячего ядра к приповерхностной зоне. Передача тепла – движущая сила геологических процессов. Первый способ – теплопроводность (свеча нагревает стальной стержень, усиливается колебания молекул); второй способ – конвекция. Пример передачи тепла: емкость с водой на огне (1 – нагревание дна кастрюли, 2 – более нагретые слои воды поднимаются вверх, более холодные опускаются вниз). Также происходит конвекция в мантии. Литосферные плиты перемещаются под действием конвективных движений в мантии. Важным слоем в мантии является слой астеносферы, который подстилает литосферу – жесткую внешнюю оболочку Земли (литосферная мантия плюс земная кора). Физически это переходная зона от охлажденных кристаллических пород к частично расплавленному веществу, находящемуся в пластичном состоянии. 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 (рис.1). Океаническая кора. 10 1. Осадочный слой: от 0,5 км (срединная часть океана) до 15 км (материковый склон); 2. 1,5-2,0 км – подушечные лавы базальтов, подстилаемые долеритовыми дайками; 3. Мощность до 5 км – габбро, серпентиниты (основной состав). Плотность средняя 2,9 г/см3. Состав океанической коры – const. Образуется за счет выделения базальтовых расплавов из астеносферного слоя на дно океана в зонах срединно-океанического хребта. Континентальная кора – отличается по мощности, от 20 км (островные дуги) – до 70 км (складчатые пояса). Состоит из трех слоев: 1) осадочный (от 015 км); 2) гранитный – (породы гранитного состава); 3) базальтовый слой. Наличие повышенного содержания радиоактивных элементов. Химический состав Земной коры – Al–Si (легкоплавкие соединения). Из химических элементов – О – 46,6 %, Si – 27 %, Al – 8,7 %, Fe, Ca, Na, K, Mg, другие 90 элементов – 1,2 %. Рис. 1 Литосфера и астеносфера, два типа земной коры. Астеносфера – пластичная оболочка мантии, зона, где отсутствует жесткость (механические свойства отличаются от литосферы), преобладают высокие температуры и появляются первые проценты расплава, в геологическом времени обладает свойствами очень вязкой жидкости (рис.1). 11 Литосфера – жесткая внешняя оболочка земли, которая включает в себя земную кору и литосферную часть мантии (обладающими одинаковыми физическими свойствами), подстилается астеносферой. Литосфера состоит из нескольких лиосферных плит (рис. 2), которые движутся друг относительно друга по астеносфере за счет конвективных течений в мантии. Это перемещение называется тектоникой плит. Тектоника плит отвечает за непрерывное изменение земной коры – породы непрерывно разрушаются и формируются в результате тектонической активности. Рис. 2 Литосферные плиты Тектоника плит. В 1915 г Альфред Вегенер (немецкий метеоролог) опубликовал теорию дрейфа континентов. Высказал гипотезу, что все ныне существующие материки были единым континентом Пангеей, состоящей их 2 частей: Лавразии (Европа, Азия без Индии, С.Америка) и Гондваны (Ю.Америка, Африка, Индостан, Австралия, Антарктида), разделенных океаном. 1) Очертания берегов Африки и Ю.Америки совпадают как мозаика. 2) Палеонтологические находки (окаменевшие остатки рептилии Т, растений и семян). 3) Оледенение, которое испытали 300 млн. лет назад Гондвана. Не было объяснения, почему движутся. 12 В 1928 г Артур Холмс и др. предположили наличие конвективных течений. После войны открыт СОХ (составлена карта океанического дна) – точная линия совмещения континентов. Бурение океанического дна дало возможность изучить образцы базальтов океанической коры и определить возраст осадков. 140 млн. лет назад – литосферные плиты стали удаляться, образовавшиеся базальтовые расплавы в мантии изливались, образуя новую океаническую кору. Возраст пород увеличивается по мере удаления от СОХ. В 60-е годы – открытие аномалий магнитного поля, от линии СОХ идет в обе стороны чередование положительных и отрицательных аномалий магнитного поля. СОХ – срединноокеанический хребет, цепи подводных гор высотой – 4000 м. Наличие огненного кольца вулканов окружающее Тихий океан и эпицентры землетрясений – сосредоточены на границах литосферных плит. Существует 3 типа границ между плитами: – плиты удаляются друг от друга (обстановка спрединга); – плиты движутся навстречу друг другу (обстановка коллизии); – плиты перемещаются друг относительно друга в горизонтальной плоскости. Рис. 3 Активные континентальные окраины (конвергентные плиты) Плиты Наска и Ю.Америка – конвергентные (сближающиеся плиты) К – О. Океаническая погружается в мантию в зоне субдукции, т.к. плотность океанической коры больше чем континентальной, ρо >ρк (рис. 3). 13 Рис. 4 Коллизия континентов При коллизии плотности двух континентальных плит равны, поэтому погружения нет. Индия надвигается на Евразию – Тибет, Гималаи поднимаются до сих пор 1 см в год (рис. 4). Рис. 5 Дивергентные плиты Дивергентные – удаляющиеся плиты – СОХ, С.Американская и Евразийская, размер Исландии увеличивается 2см в год (рис.5). Трансформные разломы – крупные сдвиги, которые пересекают всю литосферу. Разлом Сан – Андреас в Калифорнии является границей между Тихоокеанской и Северо-Американской плитами. Тихоокеанская движется к северозападу относительно С.Американской со скоростью 5–6 см/год. 14 Вулканизм горячих точек – Гавайи. Остров Кауай за 5 млн. лет переместился на 600 км, т.е. Тихоокеанская плита перемещается относительно горячей точки со скоростью 11–12 см/год. Горообразование (орогенез) – Анды, Северо-Американские Кордильеры, Каледониды, Альпы, Урал, Гималаи – складчатые пояса (формируются по границам литосферных плит). Также существуют континентальные щиты и стабильные платформы. Вулканические пояса (Анды) образуются над зонами субдукции. Самые высокие горные пояса возникают при столкновении континентальных плит (Гималаи). Сразу после формирования складчатые пояса начинают разрушаться: 1) эрозия, 2) орогенный коллапс (разрушение за счет гравитационных сил). Методы изучения. Для изучения глубинных слоев земли применяют геофизические методы. Изучение внутренних оболочек Земли основано на разнице скоростей сейсмических волн при прохождении разных по плотности сред. На границе различных по плотности слоев происходит преломление и частичное отражение волны (пример с лампой и стеклом). Используют сейсмические волны, порождаемые землетрясениями или искусственными взрывами. Верхняя часть земной коры – сверхглубокие скважины (12,6 км на Кольском п-ове), самая глубокая шахта – Южная Африка – 3,6 км. Тепловой режим Земли. Земная кора имеет 2 источника тепла – Солнце и распад радиоактивных веществ на границе с мантией. В земной коре выделяют 3 температурные зоны. 1 – зона переменных температур до гл. 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, по многолетним наблюдениям. 15 2 – зона постоянных температур до глубины (15-40 м) – среднегодовая Тº местности. 3 – зона нарастания температур – возрастает с глубиной в зависимости от геотермического градиента. Геотермический градиент – величина возрастания t на каждые 100 м глубины, а глубина, при которой tº повышается на 1º С называется геотермическая ступень. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м. 16 1.2. Породообразующие минералы и горные породы 1.2.1 Породообразующие минералы Земная кора сложена горными породами, которые состоят из минералов. Изучением минералов занимается наука минералогия. В настоящее время существует два вида минералов: природные и искусственного происхождения, созданные человеком. Мы рассматриваем только природные 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, образующиеся на различных глубинах за счет внутренней энергии Земли в результате кристаллизации магмы и преобразования первичных минералов в условиях высоких давлений и температур; – экзогенные, образующиеся за счет внешней (солнечной) энергии в результате процессов выветривания (воздействие атмосферы, гидросферы, биосферы) разнообразных пород. В природных условиях минералы находятся преимущественно в твердом состоянии. Жидкие минералы встречаются редко (самородная ртуть, нефть, вода) и совсем редко – газообразные (углекислый газ, газы нефтяных месторождений). 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 об17 разуют многогранники различной формы, называемые кристаллами (рис.6). Эти характеристики минералов обусловливают все физические свойства, такие как цвет, блеск, твердость и т.д. Рис. 6 Кристаллическая решетка минерала галита (NaCl) Иногда минералы имеют неупорядоченное строение, когда атомы и ионы, их составляющие располагаются беспорядочно, хаотично. Минералы с таким строением называются аморфными. Формы нахождения минералов Исходя из того, что любое тело в пространстве имеет три измерения можно выделить три основные формы кристаллов: Изометрические формы – формы, имеющие близкие размеры во всех направлениях (рис.7). Кубы пирита, галита . Рис. 7 Изометрические формы кристаллов а – кубический кристалл пирита, б - октаэдрический кристалл магнетита Пластинчатые формы – формы, развитые в двух направлениях больше, чем в третьем (рис. 8). Сюда относятся таблитчатые, пластинчатые, листоватые и чешуйчатые кристаллы слюды, хлорита, графита. 18 Рис. 8 Пластинчатые формы кристаллов (таблитчатый кристалл гематита и таблитчатый кристалл мусковита) Призматические формы – формы, развитые в одном измерении больше, чем в двух других (рис. 9). К этой группе относятся призматические кристаллы пироксена, кварца Шестоватые формы – гипс (селенит). Волокнистые формы – формы, развитые в одном направлении несоизмеримо больше, чем в двух других (асбест). Рис. 9 Призматические формы кристаллов В результате процесса замещения или растворения с последующим заполнением пустот, кристаллические формы, принадлежащие одному минералу, оказываются иногда представленными другим минералом. Подобные образования называются псевдоморфозами. Минеральные агрегаты. В природе чаще встречаются не единичные кристаллы минералов, а скопления или срастания различной формы зерен. Эти скопления называются минеральными агрегатами. Агрегаты бывают мономинеральными, т.е. состоящими из зерен одного минерала, и полиминеральными, сложенными несколькими различными минералами. Выделяют несколько видов минеральных агрегатов: 19 Зернистые агрегаты обладают наибольшим распространением в земной коре. В зависимости от формы слагающих зерен различают собственно зернистые (состоящие из изометричных зерен), а также пластинчатые, листоватые, чешуйчатые, волокнистые, игольчатые, шестоватые и другие агрегаты. По величине зерен можно выделить агрегаты: – гигантозернистые – более 10 мм в поперечнике, – крупнозернистые – 5 мм – 10 мм, – средние – от I – 5 мм, – мелкозернистые – с зернами менее 1 мм. Землистые агрегаты – порошковатые, рыхлые, мягкие, аморфного или скрытокристаллического строения, обычно пачкают руки, легко распадаются на мелкие комочки, сажистые (черного цвета) или охристые (желтого, бурого и других ярких цветов). Образуются в процессе химического выветривания. Примером является минерал каолинит и лимонит. Натечные формы выделений минералов образуются на стенках пустот при медленном испарении или охлаждении поступающих туда растворов. Эти образования имеют разнообразную форму: почковидную, гроздевидную, неправильную, цилиндрическую. Натеки, свисающие в виде сосулек со сводов пустот, называются сталактитами, а поднимающиеся им навстречу со дна пустот, называются сталагмитами, срастаясь, они образуют столбы. Характерным примером натечных образований являются лимонит, малахит, кальцит. Друзы – это сростки кристаллов, прикрепленных одним концом к общему основанию. Свободные концы кристаллов обычно хорошо огранены (друзы кварца, гипса). Примером могут служить довольно часто встречающиеся друзы кристаллов пирита или кварца. Секреции – образуются в пустотах изометрической формы путем концентрического наслоения минералов на стенках пустот, т.е. рост происходит от периферии к центру. Отличаются концентрически-зональным строением (мелкие секреции в излившихся вулканических породах называют миндалинами, круп20 ные – жеодами). Чаще всего жеоды встречаются из халцедона, кварца и кальцита. Конкреции – шарообразные или неправильной формы стяжения и желваки, рост которых происходит от центра к периферии, образующиеся в рыхлых осадочных породах. Оолиты (греч. – яйцо) – мелкие стяжения сферической формы от долей миллиметра до нескольких миллиметров, образующиеся путем наслоения коллоидного материала на песчинки. Физические свойства минералов Минералы отличаются друг от друга по многим внешним признакам: цвету, блеску, твердости, форме и другим свойствам. Все физические свойства минералов находятся в прямой зависимости от их химического состава и кристаллической структуры, поэтому каждый минерал характеризуется своим набором физических свойств, позволяющим диагностировать (определять) минералы. Оптические свойства Прозрачность – свойство минерала пропускать свет. В зависимости от степени прозрачности минералы подразделяются: прозрачные (горный хрусталь, топаз, исландский шпат), полупрозрачные (флюорит, сильвин) и непрозрачные (пирит, магнетит). Цвет. Минералы по цвету подразделяются на три группы идиохроматическую, аллохроматическую и псевдохроматическую. Идиохроматическая (от греческих «идиос» – свой, собственный и «хромос» – цвет) окраска обусловлена внутренними свойствами минерала – особенностями строения кристаллической решетки. Для некоторых минералов цвет является важнейшим диагностическим признаком. Например: пирит – латунно желтый, магнетит – черный, малахит – зеленый, родонит – красный, азурит – синий. 21 Аллохроматическая (от греч. «аллос» - посторонний) окраска связана с присутствием в минералах либо элементов-хромофоров (красителей), либо тонкорассеянных механических примесей. Например, очень сильным красителем является хром. Даже незначительная примесь Сг2О3 (0,1 %) окрашивает бесцветный минерал корунд в густой ярко красный цвет, прозрачная разновидность которого называется рубином. Псевдохроматическая окраска (от греческого «псевдос» – ложный) связана с различными оптическими эффектами: интерференцией, дифракцией, преломлением (бриллиант). Цвет черты. Это цвет тонкого порошка минерала, который легко получить, если провести испытуемым минералом черту на матовой (неглазурованной) поверхности фарфоровой пластинки, называемой бисквитом. Цвет черты является более надежным признаком по сравнению с окраской минералов. Блеск – это способность минералов отражать от своей поверхности световой поток. Установлено, что блеск зависит от показателя преломления минерала, т.е. величины, характеризующей разницу в скорости света при переходе его из воздушной среды в кристаллическую среду. Механические свойства Спайностью называется свойство минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям, обусловленным строением их кристаллических решеток, образуя при этом ровные площадки – плоскости спайности. Это свойство минералов связано исключительно с их внутренним строением и не зависит от внешней формы кристаллов. Плоскость спайности отличается от естественной грани кристалла тем, что естественную грань можно отбить, и она больше не повторится, а плоскости спайности можно получать многократно. На естественных гранях кристаллов часто наблюдается штриховка или следы растворения, плоскости спайности более гладкие и совершенные. Изломом называют характер поверхности раскола. 22 Под твердостью минерала подразумевается его степень сопротивления внешним механическим воздействиям. В минералогической практике применяется наиболее простой способ определения твердости – царапанье одного минерала другим, т.е. устанавливается относительная твердость минерала. Для оценки относительной твердости немецким минералогом Ф. Моосом была предложена шкала, состоящая из десяти минералов. Каждый последующий минерал этой шкалы царапает предыдущий, черта, полученная при этом, не стирается и остается в виде царапины. Более мягкие минералы оставляют на твердых минералах черту в виде порошка, которая легко стирается. Твердость минералов-эталонов в шкале условно обозначена целыми числами, несоответствующими их действительной твердости. Шкала Мооса представлена следующими минералами: Таблица 1 Шкала Мооса 1 Тальк Мg3[Si4О10](ОН)2 6 Ортоклаз К[А1Si3O8] 2 Гипс СаSО4 *2H2O 7 Кварц SiO2 3 Кальцит СаСО3 8 Топаз Аl2[SiO4 ](F,OH)2 4 Флюорит СаF2 9 Корунд А12О3 5 Апатит Са5[РО4]3(F,С1, OH) 10 Алмаз С Под хрупкостью понимают свойство минерала крошиться при проведении по нему ножом черты. Прочие свойства Удельный вес. Все минералы по удельному весу можно разделить на три группы: – легкие, с удельным весом меньше 3 (галит, гипс, кварц и др.); – средние, с удельным весом порядка 3–5 (апатит, корунд, пирит и др.); – тяжелые, с удельным весом больше 5 (магнетит, золото и др.). 23 Специфические свойства. Некоторые минералы обладают особыми, характерными только для них свойствами. Магнитность. Реакция с соляной кислотой. Двойное лучепреломление. Физиологические свойства. Вкус, запах, степень шероховатости. Классификация минералов В России наиболее распространена классификация минералов на типы и классы по химическому составу. Более мелкие таксоны внутри классов (подклассы, отделы, группы и др.) выделяются по типу структуры и в соответствии со степенью усложнения состава. По этой классификации выделяется большое количество классов, из которых в данном курсе будут рассмотрены следующие: Самородные – элементы в свободном состоянии. Сульфиды – соли сероводородной кислоты Н2S. Галогениды – соли соляной кислоты НСl (хлориды) и соли плавиковой кислоты НF (фториды). Оксиды и гидроокислы – соединения металлов и неметаллов с кислородом и водой. Карбонаты – соли угольной кислоты Н2СО3. Сульфаты – соли серной кислоты Н2SО4. Фосфаты – соли ортофосфорной кислоты Н3РО4. Силикаты – соединения, содержащие SiO2 (основа кристаллической решетки – скелет из кремнекислородных тетраэдров [SiO4]4). 1.2.2 Горные породы Горные породы представляют собой естественные минеральные агрегаты, образовавшиеся в результате остывания расплавленной магмы, накопления осадков, преобразования ранее существующих пород в процессе метаморфизма и залегающие в земной коре в виде самостоятельных геологических тел. Наука, занимающаяся изучением горных пород, называется петрографией. 24 Минералы, входящие в состав горной породы и определяющие ее свойства, называются породообразующими. Каждый из породообразующих минералов составляет всегда более 5 % объема породы, а в сумме не менее 95 %; второстепенные минералы слагают в сумме до 5 % объема породы. Если горные породы состоят из одного минерала (кварцит, известняк, каменная соль), они называются мономинеральными, если же из нескольких минералов полиминеральными (гранит, глина). Строение горной породы характеризуется структурой и текстурой. Структура – внутреннее строение породы, ее минеральных зерен, связанное со степенью ее кристалличности, абсолютным и относительным размером зерен или обломков, их формой. Текстура – особенность внешнего сложения горной породы, обусловленная характером размещения минеральных зерен в пространстве, их ориентировкой и окраской. По условиям образования (генезису) горные породы условно делятся на три класса: – магматические горные породы, возникающие путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри Земли и на ее поверхности; – осадочные горные породы, образовавшиеся на суше в результате разрушения любых ранее существовавших пород и в результате жизнедеятельности и отмирания организмов или выпадения осадков из пересыщенных растворов; – метаморфические горные породы, образовавшиеся путем коренного преобразования любых ранее существовавших пород под влиянием высоких температур и давления, а также гидротермальных растворов. Магматические горные породы возникают путем кристаллизации природных силикатных расплавов внутри земной коры или на ее поверхности. Тип магматических пород устанавливается, прежде всего, по фациальным условиям образования на два класса: 25 – класс плутонических (интрузивных), т.е. полнокристаллических пород, происхождение которых связано с относительно длительной кристаллизацией магматического расплава в земной коре; – класс вулканических (эффузивных), т.е. порфировых или афировых пород с микрокристаллической или стекловатой основной массой, являющихся продуктами кристаллизации магмы, вышедшей на земную поверхность по вулканическим каналам и застывшей в течение короткого промежутка времени. В отдельный класс выделяют гипабиссальные (жильные) породы, которые формируются на небольших глубинах и занимают по условиям залегания и структурам промежуточное положение между глубинными (плутоническими) и излившимися (вулканическими) породами. Они проявляются в виде малых интрузий (даек, силлов, штоков). Формы залегания магматических тел. Батолит – крупный интрузивный массив, гигантская линза глубиной до 15 км и площадью от 100 до десятков тысяч км (рис. 10). Шток – несогласная интрузия, в вертикальном разрезе имеющее форму колонны. В плане форма неправильная. От батолитов отличаются меньшими размерами. Лополит – согласная, межпластовая интрузия блюдцеобразной формы. Лакколит – согласная межпластовая интрузия, имеющая в разрезе грибообразную или куполообразную форму кровли и плоскую подошву. Дайка – несогласная интрузия небольших размеров (имеет секущие контакты с вмещающими породами). Силлы – пластообразные тела, внедряющиеся между слоями вмещающих пород. Купол – сводообразные формы вулканических пород. 26 Рис. 10 Формы залегания магматических тел Лавовый покров – образуется в результате растекания магмы по поверхности Земли Потоки – вытянутые формы, возникающие при излиянии магмы из вулканов (рис.10). Осадочные горные породы Осадочные породы представляют собой скопления минерального или органического вещества, которые образуются в результате эндогенных процессов в пределах земной поверхности – на дне водоёмов или на поверхности суши. Они покрывают около 75 % поверхности Земли, при этом, составляя всего 5 % земной коры, в связи, с чем строительство производится в основном на осадочных породах. Многие осадочные горные породы являются полезными ископаемыми (уголь, нефть, газ, вода, железные и марганцевые руды, бокситы, гипсы и ангидриты, соли, фосфориты, известняки, пески, глины). Образование осадочных пород (литогенез) представляет собой совокупность ряда последовательных стадий: 27 – выветривание (физическое разрушение, дробление пород и последующее химическое разложение до состояния глин), которое приводит к разрушению верхней части всей континентальной коры; – перенос преимущественно речными потоками, а также ветром, ледниками, временными водотоками. Продукты выветривания при этом продолжают измельчаться, истираться, сортироваться; – отложение или седиментация рыхлых осадков в водных бассейнах с проявлением процессов дифференциации; – диагенез включает в себя процессы уплотнения осадка, его цементацию и дегидратацию (удаление воды) вследствие постепенного погружения на большие глубины, увеличения лито- и гидростатической нагрузки, а также повышения температур за счет геотермического градиента. Вследствие диагенеза песок превращается в песчаник, глина в аргиллит, дресва и щебень в брекчию. Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: обломочные (терригенные), химического происхождения (хемогенные) и органогенные, которые возникли в результате жизнедеятельности организмов. Деление это весьма условно, так как многие породы имеют смешанное происхождение, примером могут служить мергели, известковистые песчаники и т.д. К осадочным горным породам также относят: пирокластические породы (продукты извержения вулканов – пепел и песок), осевшие на поверхности земли, и со временем преобразовавшиеся в туфы и туфобрекчии. Классификация обломочных (терригенных) пород основана на различии пород по крупности зерен, по степени окатанности, по степени сцементированности. Хемогенные породы образуются при химическом разрушении и растворении минералов материнских пород и последующим выпадением новых минералов в осадок из пересыщенных растворов. Органогенные образования представляют собой продукты жизнедеятельности и отмирания живых организмов. Сюда относятся известняки – продукты 28 отмирания организмов, извлекающих из среды обитания СаСО3, опоки, имеющие состав SiO2 nH2O и угли, представляющие собой различные углеродистые соединения. При классификации органогенных и хемогенных пород определяющим является их химический состав. Важнейшим признаком, характеризующим строение осадочных пород, является их слоистая текстура. Образование слоистости связано с условиями накопления осадков (рис. 11). Рис. 11 Фотография тонкой слоистости, характерной для речных и озерных отложений Слои представляют собой более или менее плоские тела, горизонтальные размеры которых во много раз больше их толщины (мощности), и отделяющиеся друг от друга поверхностями напластования. Слоистая текстура обусловлена чередованием слоев нескольких разностей осадочных пород и может быть вызвана резким изменением размеров обломочных частиц и вещественного состава пород, либо ориентировкой осадочного материала. Метаморфизм – процесс преобразования любых исходных пород под воздействием изменившихся физико-химических условий среды путем перекристаллизации породы без существенного расплавления. Факторами метаморфизма или причинами преобразования пород являются давление, температура, а также растворы и газы (флюиды), проникающие в толщи исходных пород. 29 Давление. При метаморфических преобразованиях давление может быть обусловлено несколькими причинами: – литостатическое давление – нагрузка вышележащих толщ; – давление движущейся магмы и давление гидротермальных растворов; – давление тектонического движения. Главным среди них следует считать тектоническое (стрессовое) давление, которое может достигать десятки тысяч атмосфер, и воздействовать на огромные территории. Проявление литостатического и магматического давления на этом фоне может оказаться незаметным и обычно влияет на характер минеральных преобразований лишь на локальных участках. Температура. На метаморфические преобразования могут повлиять следующие температурные изменения: – геотермический градиент, составляющий ≈ 300º С/1км; – прогрев пород очагом внедрившейся и постепенно остывающей магмы; – выделение тепла за счет тектонических подвижек, которые сопровождаются глубинными тепловыми потоками. Гидротермальные растворы и флюиды насыщены парами воды и углекислоты и более редкими соединениями водорода, хлора, фтора и способны привносить или выносить различные химические компоненты. Они влияют на характер минералообразования, создавая специфическую окислительно- восстановительную среду, а также кислую или щелочную среды. Различают два основных вида преобразования пород: – локальный метаморфизм, который объединяет контактовый и дислокационный типы метаморфизма, развивающиеся на ограниченных пространствах; – региональный метаморфизм, проявления которого охватывают большие регионы. В зависимости от сочетания термодинамических (Р,Т) параметров выделяются те или иные типы метаморфизма. При термальном типе метаморфизма порода преобразуется под преимущественным воздействием температуры, а 30 при динамическом - основным фактором выступает давление. Когда проявляются оба фактора одновременно, говорят о динамометаморфизме. Каждый из этих типов обладает своими специфическими геологическими условиями проявления. Контактовый метаморфизм. При внедрении магмы в земную кору она входит в контакт с вмещающими породами, которые вследствие этого подвергаются воздействию высокой температуры расплава и магматических газов. Если на вмещающие породы оказывается существенное температурное воздействие, то она преобразуется с сохранением химического состава. В простейшем случае происходит укрупнение размеров зерен, связанное с процессом роста кристаллов (известняк → мрамор). Вследствие плохой теплопроводности пород интенсивность преобразований быстро уменьшается по мере удаления от поверхности контакта. По этой причине зоны изменения вокруг магматического очага (контактный ореол) имеет лишь ограниченное распространение и может достигать нескольких километров. Если вмещающая порода разогрета жильным магматическим телом, то это может быть узкая полоса в несколько метров (рис.12). Рис.12 Контактовый метаморфизм Контактово-метаморфическое преобразование вмещающих пород становится особенно сложным и глубоким, если кроме температурного воздействия магмы, на них влияют химически агрессивные, отделяющиеся от магмы во 31 флюидном состоянии летучие компоненты. Обменные реакции между боковой породой и проникающими в нее газами приводят к возникновению пород, совершенно новых по химическому и минералогическому составу. Эти процессы называются метасоматозом (в переводе с греческого «замещение», «вытеснение»). Динамический метаморфизм, который чаще называют дислокационным, протекает в относительно «холодных» условиях, когда проявляются тектонические движения по разрывным нарушениям (разломам). При этом происходит дробление пород, их истирание (рис. 13). Рис. 13 Дислокационный метаморфизм Контактовый и дислокационный типы метаморфизма развиваются в ограниченных пространствах, локально. Первый тип увязывается с узкой полосой вокруг магматических тел, а второй – с такой же полосой тектонических трещин. Поэтому тот и другой тип объединяются названием локальный. Региональный метаморфизм. Движения в земной коре, захватывающие большие пространства, как это происходит при горообразовательных процессах, совместно с давлением вышележащих толщ пород и возрастающей с увеличением глубины погружения температурой обуславливают региональнометаморфические преобразования пород. В зависимости от давления и температуры наблюдаются изменения более слабой или более сильной степени, ко- 32 торые отличаются характерными минеральными новообразованиями и называются метаморфическими фациями (рис. 14). Рис. 14 Типы метаморфизма. Фации регионального метаморфизма 1.3. Геохронология Историческая геология изучает закономерности развития земной коры. Различают относительный и абсолютный возраст горных пород. Методы определения относительного возраста: – стратиграфический, – палеонтологический, – петрографический. Установлением возраста горных пород занимается историческая геология. Различают относительный и абсолютный возраст породы. Относительный возраст позволяет сказать, какая порода моложе, а какая древнее стратиграфическим и палеогеографическим методами. Стратиграфический метод основан на том, что если породы не испытали сложных деформаций, то вышележащий слой всегда моложе нижележащего. При контакте интрузии с осадочными г.п. -интрузия моложе тех пород, которые она пересекает. Жилы, секущие магматическое тело моложе его. 33 Палеонтологический метод основан на изучении остатков, так называемых руководящих вымерших организмов, характерных только для определенного геологического времени. Животный и растительный мир развиваются последовательно и необратимо. Каждой геологической эпохе соответствует свой комплекс животных и растений. Петрографический метод основан на определении скорости накопления осадков в дельтах рек и на дне океанов. В дельтах рек слой мощностью1 мм образуется за 3–10 лет. На дне океана – 0,1–0,01 мм в год. Абсолютный возраст горной породы – продолжительность существования породы (в годах). Сущность метода – при образовании кристаллических решеток минералов, содержащих радиоактивные элементы, образуется закрытая система, в которой в течение геологического времени накапливаются дочерние продукты радиоактивного распада материнских радиоактивных изотопов (U, K, Rb). Период полураспада 238U=4,5 млрд. лет, 14С=5568 лет. Свинцовый – превращение изотопа 235U в стабильные изотопы свинца Рb. Зная, какое количество Pb образуется из 1 г U в течение года, определяется их содержание в минерале (точность определения – сотни миллионов лет). К–Аr –изотоп 40K превращается в ходе распада в изотоп 40Ar (точность – до 1 млн. лет). Радиоуглеродный – изотоп углерода 14 C непрерывно образуется в атмо- сфере из 14N под действием космической радиации. Свободные атомы 14 C вхо- дят в молекулы 14CО2 и усваивается живыми организмами. Умершие организмы не получают СО2 и концентрация 14 C убывает в костном органическом веще- стве по определенному закону (точность 1 млн. – 10 000 лет). Палеомагнитный метод основан на сохранении первичного магнитного поля окислами железа, которые выкристаллизовывались в момент формирования осадочных пород и сохранили память о бывшем магнитном поле. 34 Геохронологическая шкала. Все геологическое время делится на отрезки, соответствующие этапам развития животного и растительного мира. Слои пород, образованные в эти отрезки образуют стратиграфическую шкалу. Таблица 2 Геохронологическая и стратиграфическая шкала Геохронологическая шкала времени Стратиграфическая шкала слоев пород Эон Эонотема Эра Эратема (группа) Период Система Эпоха Отдел Век Ярус Таблица 3 Геохронологическая шкала времени Эон Эра Период Начало, млн. эонотема Типичные организмы лет Кайнозойская – Q – Антропоге- Kz (новая жизнь) новый N – Неогеновый 1,0-2,0 Человек 25 Млекопитающие, цвет- Неохрон (фанерозой) ковые растения Pg – 70 -«- 140 Пресмыкающиеся и го- Палеогеновый Мезозойская – Mz К – Меловой (средняя жизнь) Палеозойская – Pz ловоногие моллюски J – Юрский 185 -« - Т – Триасовый 225 -«- Р – Пермский 270 Амфибии и споровые (древняя жизнь) формы 35 С – Каменно- 320 -«- D – Девон 400 Рыбы, плеченогие S – Силур 420 Первые беспозвоночные О – Ордовик 480 -«- Cm – Кембрий 570 -«- 2,6 млрд. лет Редкие остатки прими- угольный Палео- Протерозойская хрон эра PR (крипто- Планетарная ста- > 4,5 млрд. зой) дия Земли лет тивных форм 1.4. Глобальная геотектоника Платформа (Русская, Сибирская) – кристаллический фундамент перекрытый чехлом горизонтально залегающих осадочных пород – устойчивая малоподвижная структура. Щит – кристаллический фундамент, вышедший на поверхность (Балтийский, Скандинавский). Геосинклиналь – подвижный участок земной коры между платформами. Типы тектонических движений Колебательные – медленные поднятия (Скандинавия) и опускания (Голландия) отдельных участков земной коры без нарушения первоначального залегания слоев, изменение береговой линии и базиса эрозии (до 6 см/год). Замеряется изменение высот геодезическими приборами высокой точности. Складчатые (пликативные) движения – смятие горизонтальных пластов (рис. 15) в складки без разрыва сплошности пород. Моноклиналь – общий наклон слоев в одну сторону. Флексура – коленообразная складка. Антиклиналь – складка, обращенная вершиной вверх (рис. 15). Синклиналь – складка, обращенная вершиной вниз. 36 Рис. 15 Фотографии: слева – горизонтальное залегание слоев, справа – антиклинальная складка Разрывные (дизъюнктивные) движения – разрывы слоев и массивов горных пород. Типы разрывных нарушений Сброс – опускание одного блока толщи относительно другой в результате сил растяжения, при наличии нескольких разрывов возникает ступенчатый сброс (рис.16). Взброс – поднятие одной части толщи относительно другой в результате сжимающих сил. Надвиг – смещение толщ в горизонтальной или близкой к горизонту плоскости в результате сил сжатия. Сдвиг – смещение толщ горных пород вдоль разлома. Рис.16 Схема сдвига, сброса и взброса 37 Грабен – опускание участка земной коры между двумя крупными разрывами. Горст – поднятие участка земной коры между двумя крупными разрывами. Наличие деформаций усложняет проектирование и строительство: – нарушается однородность грунтов основания сооружения; – образуются зоны дробления, снижается прочность грунтов; – по трещинам разрывов происходят смещения, циркулируют подземные воды. 1. 5. Вулканизм и сейсмические явления Землетрясения происходят только в районах геосинклиналей, точнее в зонах, где литосферные плиты либо сталкиваются друг с другом, либо расходятся, наращивая образование новой океанической коры. Ежегодно регистрируются сотни тысяч землетрясений, но только около 100 из них можно отнести к разрушительным. Землетрясения – одно из наиболее страшных природных катастроф, уносящих десятки и сотни тысяч человеческих жизней и приносящих огромный материальный ущерб. От землетрясений за историческое время погибло 13 млн. человек (что намного меньше погибших в войнах). Примеры: Ашхабад (5.10.1948 г.) – более 100 тыс. чел.; Спитак (7.12.1988) – 28854 чел. (неофициально 55 тыс. чел.); Нефтегорск на Сахалине (1995) – 2 тыс. чел. Для сравнения: Китай (1920) – 200 тыс. чел, Токио и Иокогама (1923) – 150 тыс. чел., Токио (1703) – 200 тыс. чел., японский город Неддо (1730) – 137 тыс. чел., Италия (1980) – 3100 чел., Иран (1981) – 2500 чел. Причины: извержение вулканов, обрушение пород над горными выработками, в результате искусственных взрывов и тектонические. Тектонические землетрясения – это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород. Деформация пород происходит скачкообразно с образованием упругих волн. Объем пород определяет силу 38 сейсмического толчка и выделившуюся энергию. Чем меньше объем очага, тем слабее толчки. Цунами – возникновение пологих волн (L = 150 км, Н =20–40 м) в результате подводного землетрясения. Гипоцентр – очаг зарождения землетрясения, различают (поверхностные – гипоцентр находится от 1–10 км от поверхности земли, коровые от 30 до 50 км и плутонические – более 100 км). Эпицентр – проекция гипоцентра на поверхность Земли. В зависимости от глубины гипоцентра различают: 1) мелкофокусные землетрясения – до 70 км, 2) среднефокусные – 70–300 км, 3) глубокофокусные – 300–700 км. Чаще очаги землетрясений находятся на глубине 10–30 км, т.е. в нижней части литосферы. Из гипоцентра распространяются упругие колебания в виде продольных и поперечных волн. Продольные называются Р-волны (primary – первые, т.к. они приходят первыми к поверхности земли). Продольные волны вызывают сжатие и растяжение среды в направлении их движения. Распространяются в любой среде, скорость зависит от вещества породы (в песках 0,7–1,6 км/сек, в гранитах 1,5– 5,6 км/сек, в воде – 1,5 км/сек. Поперечные волны при своем распространении сдвигают частицы под прямым углом к направлению своего пути. Они распространяются только в твердой среде и вызывают в породах деформацию сдвига, не распространяются в жидкостях и газах, т.к. их модуль сдвига равен 0. Скорость Vs в 1,7 раза меньше Vр. Период волн от долей сек до 5 сек. Поверхностные сейсмические волны L наблюдаются на поверхности земли, скорость их в 2 раза ниже Vs. Они затухают быстрее на расстоянии, но не менее опасны. Оценка силы землетрясения производится при помощи сейсмографов. Принцип работы сейсмографа основан на неподвижности маятника, который 39 подвешен на тонкой пружине. Маятник имеет рамку, которая находится в поле постоянного магнита, и чувствительный гальванометр-самописец, колебания которого записывает самописец. Получается непрерывная сейсмограмма, отражающая перемещения грунта в какой-то одной плоскости. Для записи колебаний в трех направлениях нужны три сейсмографа с разными рамками. Расшифровка сейсмограмм заключается в фиксировании точного времени прихода различных волн P, S, L, R (Лява и Рэлея) и их интерпретации, т.к. они приходят не только с разной скоростью, но и с разных сторон. Определив время прихода разных волн и зная скорость их распространения, можно определить расстояние до очага – гипоцентра землетрясения. Существующая мировая сеть сейсмостанций со многими сотнями сейсмографов позволяет немедленно регистрировать землетрясения в любой точке Земли. Интенсивность сейсмического эффекта выражают в баллах или в магнитуде. Для строительных целей в России с 1952 года применяют 12-балльную шкалу MSK–64 (Медведев – Шпонхойер – Карник). До недавнего времени действовал ГОСТ 6249–52 для оценки силы землетрясений в баллах. Каждый балл шкалы соответствует определенному сейсмическому ускорению α: Таблица 5 Баллы землетрясений , сейсмическое ускорение Балл α, мм/сек 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2,5 2,5-5 5-10 10- 25- 50- 100- 250- 500- 1000- 2500- >5000 25 50 100 250 500 1000 2500 2 10 11 12 5000 Сейсмическое ускорение определят по формуле: α=А·4π2/Т2, (1) где, α – сейсмическое ускорение, мм/сек2; А – амплитуда колебаний, мм; Т – период колебаний сейсмической волны, сек. По величине α вычисляют коэффициент сейсмичности КS=α/g, где g – ускорение силы тяжести, мм/сек2. Коэффициент сейсмичности КS необходим для расчета добавочных горизонтальных сил Q при оценке прочности сооружения: Q=KSP, где Р – вес сооружения. 40 Землетрясения 1–3 балла слабые, 4–5 баллов – ощутимыми, 6–7 баллов – сильными (разрушаются ветхие постройки), 8 баллов - разрушительными (частично разрушаются прочные здания, падают фабричные трубы), 9 баллов – опустошительными, разрушается большинство зданий, в грунтах образуются трещины до 10 см, 10 баллов – уничтожительными, разрушаются мосты, образуются большие оползни, обвалы, трещины в грунтах до 1 м; 11 баллов, катастрофическими, разрушаются все сооружения, изменяется ландшафт, 12 баллов – сильная катастрофа, то же, но на более обширной территории. Магнитуда характеризует энергию в центре землетрясения. Для этого Чарльз Рихтер в 1935 году предложил шкалу энергии землетрясений, которую пользуют сейсмические службы. Шкала балльности служит для строительных расчетов и при районировании территорий. Сильнейшие землетрясения – Чилийское (1960) и Аляскинское (1964) имели магнитуду – 8,5-8,6. Атомная бомба имеет магнитуду М=6,5, водородная бомба – М=8,5. В пределах СНГ наиболее сейсмически активными регионами являются Восточные Карпаты, Горный Крым, Кавказ, Копетдаг, Тянь-Шань, Памир, Алтай, р-н оз. Байкал, Камчатка, Курильские о-ва, о-в Сахалин). Карты сейсморайонирования в СССР впервые приведены в СНиП 1962 года. Методика их составления учитывает: 1) геологическое строение, тектонику, разломы и другие нарушения земной коры, 2) сведения о прошлых землетрясениях. В сейсмических районах выполняются дополнительные работы, согласно СНиП 11.02–96 «Инженерные изыскания» и СП 11.105–97 «Инженерные изыскания для строительства». Территории с силой землетрясений меньше 7 баллов – проектируют без учета сейсмичности, с расчетной сейсмичностью 7,8,9 баллов – проектирование по СНиП 11.7–81. Корректировка баллов по сейсмическим картам. Исходный балл увеличивается на 1 – для участков, сложенными дисперсными (рыхлыми) грунтами, при высоком уроне залегания грунтовых вод (3–4 м). Балл не изменяют – для участков сложенных твердыми и полутвердыми пластичными и обломочными грунтами, при УГВ более 8 м. 41 Исходный балл уменьшаем на 1 для участков сложенных скальными и полускальными породами при глубине залегания УГВ более 15 м. Вулканизм Вулканы образуются, когда магма, сформированная во внутренней части Земли (астеносфере) выливается на поверхность. Магма формируется в результате частичного плавления горных пород либо в нижней части мантии, либо в нижней части земной коры. Плотность магмы меньше, чем плотность горных пород, поэтому сформировавшаяся магма поднимается на поверхность. Магма – расплавленная горная порода, содержащая или не содержащая какое-либо количество кристаллов, находящихся на глубине. Лава – излившаяся на поверхность магма. Вязкость – мера сопротивления течению, зависит: – химический состав расплава (кислый – высокое содержание SO2, ультраосновные – низкая вязкость); – температура, чем меньше Тº, тем больше вязкость; – содержание газов, большое количество газов – низкая вязкость. Низкой вязкостью обладает магма базальтового (основного) состава, скорость течения более 30 км/час, до 50 км/час. Высокой вязкостью обладает магма кислого состава (комковатая лава) – взрывные извержения, эксплозивный вулканизм (Св. Елена в 1980 г). Продукты извержения – расплав и твердый материал. Расплав: магма кристаллизуется на поверхности → риолит или базальт магма кристаллизуется под водой → обсидиан. Твердые: пирокластический материал, тонкий пепел в результате консолидации → вулканический туф, крупный материал → вулканические брекчии. Типы вулканизма. 1. Вулканические островные дуги (Япония). Сближаются две океанических плиты (магма базальтового состава). 42 2. Океаническая кора и литосферная плита (плита Наска и ЮжноАмериканская плита) – субдукция океанической под континентальную, плавление нижней континентальной плиты – кислый состав магмы. 3. Граница между двумя дивергентными (удаляющимися плитами) – СОХ. Магма основного состава. 4. Континентальные рифты – граница между Африканской и Сомалийской плитой (Восточно-Африканский рифт). Вулканизм базальтового состава. 5. Вулканизм горячих точек – представляет плюмы (или струи) горячего твердого вещества, поднимающегося из глубины мантии, базальтовый состав (Архипелаги Гавайские острова). Вулканы центрального типа – трубкообразный подводящий канал, по которому магма поднимается из мантии. 3 типа центральных вулканов: – стратовулканы – перемежение пирокластического и лавового материала (Фудзияма, Св. Елены, верхние 400 м разрушены за счет взрывного эксплозивного извержения); – щитовые – Мауна Лоа, Гавайи диаметр 120 км; – вулканические (шлаковые конусы – только пирокластический материал, диаметр менее 4 км. Трещинные извержения – цепь вулканов образует плато базальтов площадью до 100 тыс. км2 (Деккан, Индия). СОХ – срединно-океанический хребет, цепь подводных вулканов. 43 II. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ 2.1. Классификация грунтов Гост 25100–95 Грунт – горные породы, почвы, техногенные образования, являющиеся объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Различают грунты: скальные – монолиты или трещиноватые массивы, рыхлые (нескальные) – крупнообломочные, песчаные и глинистые породы. Грунты могут служить: – материалом оснований сооружений, – материалом самого сооружения (дорог, насыпей, плотин), – средой для размещения в них сооружений (тоннелей, трубопроводов, хранилищ) и др. Классы грунтов Природные скальные грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационными и цементационными). Природные дисперсные – грунты с механическими и водноколлоидными структурными связями. Природные мерзлые – грунты с криогенными структурными связями. Техногенные (скальные, дисперсные и мерзлые) – грунты с различными структурными связями, образованными в результате деятельности человека. Термины и определения Грунт скальный, состоящий из кристаллов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа (прочность на одноосное сжатие Rс>5 Мпа). Грунт полускальный – грунт, состоящий из кристаллов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа (прочность на одноосное сжатие Rс≤5 Мпа). Грунт дисперсный – грунт, состоящий из отдельных зерен разного размера, слабосвязанных друг с другом – результат выветривания скальных грунтов, 44 транспортировки продуктов выветривания водным или эоловым путем и их отложения. 2.2. Физические свойства грунтов Плотность (объемный вес) – один из наиболее важных показателей: масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным сложением, зависит от минералогии. У дисперсных грунтов ρ0=1,3–2,0 г /см3, ρ0=2,5–3,3 г /см3 у скальных. ρ0=m/V, (2) где, m – масса с естественной влажностью, V – объем грунта ненарушенного сложения. Плотность частиц грунта (удельный вес) – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в порах, к объему твердой части, ρs=2,2–3,2 г /см3. ρs=(m–mв)/V–Vпор, (3) где, mв – масса воды, Vпор – объем пор. Естественная влажность (W) – все количество воды, содержащееся в порах грунта в естественном залегании. Определяют высушиванием грунта при tº=105º–107º в течение 8 часов, определяется как отношение массы воды к массе сухой породы. Удельный вес (γ) – отношение веса грунта и воды, содержащейся в порах, к объему грунта. Пористость (n) – отношение объема пор к объему грунта, измеряется в %, обычно 30–60 %, но чаще в расчетах используется величина приведенной пористости – коэффициент пористости (е) – отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц. Физические значения плотности применяются: 1. для характеристики физических свойств породы как основания или строительного материала. 2. для расчетов при динамических нагрузках. 45 2.3. Водно-физические свойства грунтов Водно-физические свойства грунтов являются важнейшими характеристиками физического состояния определяющие прочность и деформируемость. Природная влажность – отношение массы воды, содержащейся в в порах породы, к массе сухой породы, W, д.е. W=(m–m1)/m1, (4) где m – масса грунта вместе с содержащейся в ней водой, m1 – масса высушенного грунта, г. Полная влагоемкость – максимальное содержание воды, содержащееся в породе, Wп, д.е. Wп,=n/ρd, (5) где, n – пористость грунта, ρd – плотность сухого грунта. Коэффициент водонасыщения грунта (степень влажности) – степень заполнения объема пор водой, Sr, д.е. Sr=W·ρs/eρw, (6) где, W – природная влажность грунта, д.е.; е – коэффициент пористости; ρs – плотность частиц грунта, г/см3; ρw – плотность воды, 1 г/см3. Критерий физического состояния глинистых грунтов (Jp; JL) Пластическими свойствами обладают дисперсные связные грунты – глины, суглинки и супеси. Пластичность – способность пород изменять под действием внешних сил (давление) свою форму без разрыва сплошности и сохранять полученную форму, после того как действие внешней силы прекратилось – характеристика определяемая деформируемость. Чтобы выразить пределы влажности, при которых грунты обладают пластичностью, вводят понятие верхнего и нижнего предела пластичности. WL – граница текучести соответствует такой влажности, при незначительном увеличении которой, грунт переходит в текучее состояние (определяется опытным путём). 46 Wp – граница раскатывания соответствует такой влажности, при незначительном уменьшении которой, грунт переходит в твёрдое состояние (определяется опытным путём). Определение характерных влажностей WL и Wp для глинистых грунтов является кропотливым лабораторным процессом и требует определенных навыков и даже профессиональной подготовки. Число пластичности Jp=WL–Wp. Показатель текучести JL=(W–Wp)/(WL–Wp). Таблица 6 Зависимость расчетного сопротивления R глинистых (связных) грунтов нагрузкам от величины JL, (табл. СНиП 2.02.01–83). Твердое состояние Пластичное состояние Текучее состояние JL < 0 0 < JL < 1 JL ≥ 1 R ≈ 4 кг/см2 = 0,4 МПа R ≈ 0,2 МПа R ≈ 0 (строить практически невозможно) 2.4. Деформационные свойства Деформационные свойства – характеризуют поведение грунта под нагрузками, не превышающими критические. Деформационные свойства дисперсных грунтов определяются их сжимаемостью под нагрузкой, в результате смешения минеральных частиц относительно друг друга и зависит от пористости породы. Сжимаемость – способность грунтов деформироваться под влиянием внешней нагрузки, не подвергаясь разрушению, определяется модулем общей деформации Е, МПа зависит: – от гранулометрического состава, – минералогического состава, – структуры и текстуры пород. 47 2.5. Прочностные свойства Прочность грунтов – характерное поведение грунта под нагрузками, равными или превышающими критические и определяются только при разрушении грунта. Для дисперсных грунтов прочность характеризуется сопротивлением грунтов сдвигу, τ, МПа. Τ=Рtgφ+С, (7) где, τ – предельное сдвигающее напряжение, Мпа; Р – нормальное давление, МПа, tgφ – коэффициент внутреннего трения; φ – угол внутреннего трения, град., С – сцепление, МПа. Величины φ и С – параметры зависимости сопротивления грунта сдвигу, и применяются для расчета прочности и устойчивости массива грунтов. Для скальных грунтов прочность характеризует предел прочности на одноосное сжатие Rс (МПа). 2.6. Классификационные показатели глинистых грунтов По содержанию глинистых частиц (<0,005 мм) все дисперсные грунты можно разделить: Глины – >30 %; Суглинки – 10–30 %; Супесь – 10–2 %; Песок – <2 %. Таблица 7 По показателю текучести IL глинистые грунты подразделяются Разновидность глинистых грунтов Показатель текучести, IL Супесь: – твердая <0 – пластичная 0–1 – текучая >1 48 Суглинки и глины: – твердые <0 – полутвердые 0–0,25 – тугопластичные 0,25–0,50 – мягкопластичные 0,50–0,75 – текучепластичные 0,75–1,00 – текучие >1,00 Таблица 8 По числу пластичности IP глинистые грунты подразделяются Разновидность глинистых грунтов Число пластичности, IP Супесь 1–7 Суглинок 7–17 Глина >17 Примечание: Илы подразделяются по значениям числа пластичности, указанным в таблице, на супесчаные, суглинистые и глинистые. Набухание – способность глинистых пород при насыщении водой увеличивать свой объем. Возрастание объема породы сопровождается развитием в ней давления набухания (глины и тяжелые суглинки). Набухание зависит: – от содержания глинистых и пылеватых частиц, их минералогического состава, – от химического состава воды, взаимодействующей с породой. Бентонитовая глина V увеличивается на 80 %, каолиновая – 25 %. Таблица 9 По относительной деформации набухания без нагрузки εsw глинистые грунты подразделяются Разновидность глинистых грунтов Относительная деформация набухания без нагрузки εsw 49 Ненабухающий <0,04 Слабонабухающий 0,04–0,08 Средненабухающий 0,08–0,12 Сильнонабухающий >0,12 Просадочность – свойство лессовых грунтов уменьшать свой объем без изменения давления и давать просадку при замачивании. Лессы – пылеватые суглинки, супеси (фракции 0,05-0,005 мм >50 %), в сухом состоянии держат вертикальные откосы, быстро размокают в воде, пористость > 40%, высокое содержание карбонатов, засоление легко растворимыми солями. По относительной деформации просадочности εsl глинистые грунты разделяются: просадочные εsl ≥ 0,01 и непросадочные εsl <0,01. Таблица 10 По относительной деформации пучения εfh грунты подразделяются Разновидность грун- Относительная тов Наименование грунтов деформация пучения εfh Практически не пучи- <0,01 нистый Глины, суглинки, супеси твердые IL ≤0. Пески гравелистые, крупные, средней крупности; пески мелкие и пылеватые при коэффициенте водонасыщения Sr≤0,6, а также пески мелкие и пылеватые, содержащие менее 15 % по массе частиц мельче 0,05 мм (независимо от Sr); Крупнообломочные грунты с заполнителем до 10 %. Слабопучинистый 0,01–0,035 Глинистые при 00,07 Глины и суглинки при Iр>0,5 (мягко- и текучепластичные, текучие). Супеси пластичные (Iр>0,5) и текучие. Пески пылеватые и мелкие водонасыщенные Sr>0,95 Усадка грунта – уменьшение объема породы под влиянием высыхания, зависящее от его естественной влажности. Размокание – способность глинистых грунтов в соприкосновении со стоячей водой (замачивании) терять связность и разрушаться, превращаясь в рыхлую массу, с частичной или полной потерей несущей способности. Коррозионные свойства глин – разрушение строительных материалов и подземных металлических трубопроводов, расположенных в глинистых грунтах, возникает в результате электролиза, который начинается в грунтах после воздействия блуждающих электрических токов (трамваи в городах). Ил – водонасыщенный современный или древний осадок дна водоемов в виде песчано-пылевато- глинистых масс, богатых органикой. Илы практически 51 не держат нагрузки, выдавливаются, при динамическом воздействии разжижаются. Замена на другой грунт, прорезка слоя ила сваями и опора на прочный грунт, наброска камня, намыв слоя песка. Заторфованные грунты – песчано-пылевато-глинистые водонасыщенные грунты с органикой в виде разложившихся растительных остатков. Степень разложения: Rр от 0–15 % , Rр от 16–30 % , Rр от 31–50 %, Rр от>50 %. Торф – высокая влажность, сильная сжимаемость, дает неравномерные осадки. Прорезка сваями, выторфовка, уплотнение с помощью дренажных скважин. 2.7. Классификационные показатели обломочных грунтов Гранулометрический состав – количественное соотношение частиц различной крупности в дисперсных грунтах. Определяется по ГОСТ 12536. Степень неоднородности гранулометрического состава Cu – показатель неоднородности гранулометрического состава. Определяется по формуле: Cu=d60/d10, (8) где d60, d10 – диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц. Таблица 11 Классификация обломочных грунтов по гранулометрическому составу Разновидности крупнообломочных Распределение частиц по крупности, % и песчаных грунтов от массы воздушно-сухого грунта Крупнообломочные Валунный грунт (при преобладании Масса частиц крупнее 200 мм > 50 % неокатанных частиц – глыбовый) Галечниковый грунт (при преобладании неокатанных частиц – щебе- Масса частиц крупнее 10 мм >50 % нистый) 52 Гравийный грунт (при преобладании неокатанных частиц – дресвяный) Масса частиц крупнее 2 мм > 50 % Пески Песок гравелистый Масса частиц крупнее 2 мм >25 % Песок крупный Масса частиц крупнее 0,5 мм > 50 % Песок средней крупности Масса частиц крупнее 0,25 мм > 50 % Песок мелкий Масса частиц крупнее 0,1 мм ≥ 75% Песок пылеватый Масса частиц крупнее 0,1 мм < 75 % Примечания. Для установления наименования грунта последовательно суммируются проценты содержания частиц: сначала – крупнее 200 мм, затем крупнее 10 мм и т.д. При наличии в крупнообломочном грунте песчаного заполнителя более 40 % или глинистого более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта, добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Например, дресва с заполнителем суглинком полутвердым. По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты разделяются на: насыщенные водой Sr≥0,8; средней степени насыщения 0,8>Sr>0,5;малой степени насыщения Sr<0,5. По степени неоднородности Сu крупнообломочные и песчаные грунты: однородные Сu < 3; неоднородные Сu>3. По коэффициенту выветрелости крупнообломочных грунтов: невыветрелые 0 ≤Кws<0,5; слабовыветрелые 0,5≤Кws<0,7; сильновыветрелые 0,75≤Кws≤1. Таблица 12 Классификация песков по коэффициенту пористости (е) Зерновой состав Разновидности песков Плотные Средней плотности Рыхлые е<0,55 0,55<е<0,70 е>0,70 Мелкие е<0,60 0,60<е<0,75 е>0,75 Пылеватые е<0,60 0,60<е<0,80 е>0,80 Гравелистые, крупные и средней крупности 53 2.8. Классификационные показатели скальных грунтов Прочность – свойство грунтов сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами. По пределу прочности на одноосное сжатие Rс, в водонасыщенном состоянии грунты подразделяются: – очень прочные, Rс>120 МПа; – прочные, 120>Rс>50 МПа; – средней прочности, 50>Rс>15 МПа; – малопрочные, 15>Rс>5 МПа; – пониженной прочности, 5>Rс>3 МПа; – низкой прочности, 3>Rс>1 МПа; – очень низкой прочности, Rс<1. Выветривание – совокупность процессов разрушения горных пород, изменения их химического и минерального состава в результате внешних воздействий. Степень разрушения породы в результате процессов выветривания определяется по коэффициенту выветрелости грунта, Кws,д.е. Кws = ρ/ρ0, (9) где, ρ – плотность выветрелого, ρ0 – плотность монолитного грунта. По коэффициенту выветрелости скальные грунты подразделяются невыветрелые (монолитные) Кws =1,0 слабовыветрелые 1≥Кws>0,9, выветрелые 0,9≥Кws>0,8, сильновыветрелые (рухляки) Кws<0,8. Размягчаемость – уменьшение прочности скальных грунтов при водонасыщении. Численно характеризуется коэффициентом размягчаемости Кsof, д.е., отношение пределов прочности грунта на одноосное сжатие в водонасыщенном и в воздушно-сухом состоянии. По коэффициенту размягчаемости грунты подразделяются: – неразмягчаемые Кsof>0,75; 54 – размягчаемые Кsof<0,75. 55 III. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ 3.1. Классификация подземных вод Гидрогеология – наука о происхождении, движении, развитии и распространении подземных вод в земной коре. Задачи, решаемые гидрогеологией: 1) Вопросы питьевого и технического водоснабжения. 2) Защита от влияния подземных вод на производственные процессы (котлованы, шахты) и строительные конструкции. Гидрогеология состоит из нескольких дисциплин: общая гидрогеология, динамика подземных вод, гидрогеохимия, методика гидрогеологических исследований, гидрогеология МПИ, региональная гидрогеология, палеогидрогеология. Происходит т.н. круговорот воды в природе – большой и малый. Qатм осадков=Qподз.+Qповерх.+Qиспарен., (10) Вода в горных породах породах существует в двух основных видах – связанная и свободная. Связанная вода подразделяется: Кристаллизационная вода находится в кристаллической решетке минералов (потеря молекул воды приводит к изменениям свойств: гипс минус 1 молекула = алебастр минус еще одна молекула воды = ангидрит). Цеалитная вода занимает свободное пространство в кристаллической решетке (SiO2 – кварц, а с nН2О – опал). Конституционная вода в виде иона ОН-. Свободная вода подразделяется: 1. Водяной пар – он занимает все поры, свободные от жидкой воды. Он образуется из всех других форм почвенной воды, путем испарения и вновь переходит в нее путем конденсации. Ее количествово не превышает 0,001 % от веса породы. 56 2. Гигроскопичная – это вода, поглощаемая коллоидными оболочками частиц грунта (породы), отделить можно только нагреванием. 3. Пленочная вода – т.н. слабосвязанная вода, окружающая набухшую частицу грунта (породы) в виде оболочки (свойство влагоемкости – способность горных пород удерживать часть воды в капельножидком состоянии). 4. Капиллярная вода – защемленная или связанная с капиллярами между отдельными гранулами или частицами ГП. 5. Гравитационная – свободная вода, ясно из названия. Движется, в отличие от предыдущих, под влиянием гравитационных сил (силы тяжести). 6. Лед – в твердом состоянии (в условиях многолетней мерзлоты). В зависимости от заполнения пор пород свободной гравитационной водой выделяют: зону насыщения и зону аэрации. Первые три типа воды относятся к промежуточному слою между атмосферой и подземной гидросферой – зоне аэрации (от 0 до 30–40 м, иногда 100– 200 м) и регулируют водообмен атмосферных вод и вод зоны насыщения. Между этими зонами – капиллярная подзона (окаймляет зону насыщения). Отметим, что в случае, когда мы рассматриваем воду как полезное ископаемое – главное это свободная (гравитационная) вода. Все остальные несущественны и играют основную роль при характеристике физико-механических свойств грунтов. Основные гидрогеологические понятия 1. Водопроницаемые породы – горные породы, пропускающие через себя воду, могут составлять и зону аэрации, и зону насыщения. 2. Водоупорные породы – это микропористые горные породы, задерживающие фильтрацию воды, не пропускающие ее (глины). 3. Водоносные породы – это горные породы , дающие возможность движения воды в порах и пустотах (инфильтрация). 57 4. Водоносный горизонт - водоносные породы, насыщенные водой и образующие по площади и мощности выдержанный пласт. 5. Уровень грунтовых вод – это граница между зоной аэрации и зоной насыщения (граница появления подземных вод в земной коре). Главные водно-физические свойства горных пород Пористость – обуславливает возможность присутствия подземных вод в земной коре – отношение объема пор к объему грунта. При гидрогеологической оценке горных пород различают скважность и пористость. Под скважностью понимают наличие в них пустот, независимо от их размеров и формы (трещины, карст). Пористость – это вид скважности, который обусловлен порами, т.е. мелкими промежутками между частицами породы. Влагоемкость – способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды (численно может быть равна пористости). По степени влагоемкости горные породы подразделяются на три категории – весьма влагоемкие (торф, глины, суглинки), – слабовлагоемкие (мергели, рыхлые песчаники, мелкие пески), – невлагоемкие (изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, крупный песок). Водоотдача – характеризуется количеством гравитационной воды, которое можно получить из 1 м3 породы путем свободного стока. Это, так называемая, удельная водоотдача. Водоотдачу можно охарактеризовать и коэффициентом водоотдачи (μ) – отношение количества воды, которое может отдать порода к общему количеству воды в породе. Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя воду. Степень водопроницаемости не определяется величиной пористости, а зависит от размера пор (пустот). Пример: глины имеют пористость порядка 60 %, однако непроницаемы, а песок, с пористостью 30 % – хорошо водопроницаем. 58 По степени водопроницаемости горные породы подразделяют на четыре группы: – хорошо водопроницаемые (галечник, гравий, крупнозернистый песок, карст), – водопроницаемые (трещиноватые скальные породы, пески), – слабопроницаемые (пылеватые пески, супеси, суглинки, лессы, торф), – непроницаемые (водоупорные) – монолитные породы, глины. Вода состоит из 11,1 % водорода и 88,8 % кислорода. Однако в воде присутствуют микроэлементы, газы, микроорганизмы, присутствие которых влияет на качество воды. То есть, в одном случае она полезна для здоровья, в другом не совместима с жизнью. Основные физические свойства ПВ (органолептические), которые определяются при гидрогеологических исследованиях: температура, цвет, прозрачность, вкус, запах. Температура – колеблется в широких пределах, от близкой к Оº (многолетняя мерзлота) до нагретых паров (вулканы) +120º. Наиболее вкусная и освежающая вода имеет tº 7–11ºС. На курортах – минеральные воды имеют tº>20º (лучше всего, полезнее 35–37º). Температура воды влияет на химический состав. Повышение tº увеличивает скорость физико-химических процессов, а значит и растворение горных пород под влиянием подземных вод. Однако, растворимость Nа и К солей (NаCl и КСl) с повышением tº растет, а вот сульфатнокальциевых (СаSO4) – уменьшается. Поэтому холодные воды чаще кальциевые, а теплые и горячие – натриевые. Цвет – характеризует качество воды. Химически чистая вода бесцветна. Окраску придают механические примеси. Желтоватый цвет – болотного происхождения (гуминовые вещества). Изумрудный оттенок дают сероводородные воды, вследствие окисления Н2S и образования коллоидальной мути. Красивый голубой цвет воды – присутствие гидрокарбонатов. 59 Прозрачность – через столб воды высотой 30см виден печатный текст. Вкус – зависит от состава растворенных в ней веществ. Например, соленый вкус вызывается хлористым натрием (поваренная соль), горький – сульфатом магния, ржавый – солями железа, сладковатый – много органики; вяжущий вкус – вызывают соединения меди; приятный освежающий вкус – наличие свободной углекислоты. Запах – говорит о наличии газов биохимического происхождения (сероводород и пр.) или о присутствии гниющих органических остатков (для определения – слегка нагревают). Различают затхлый, тухлый, болотный запахи. Химический состав – вода, несмотря на кажущуюся простоту, является сложным соединением. В природе не существует воды, тем более, подземной, которая не содержала бы в составе солей и газов. Часть из них присутствует в виде элементарных и сложных ионов (катионов и анионов), а часть в виде молекул и сложных веществ. Важнейшими ионами, определяющими минерализацию (химический состав) воды являются: анионы – Сl-, SO4--- и НСО3-, катионы – Na+, Са++, Мg++. Общая сумма ионов – есть общая минерализация. Рудничные воды, например в месторождениях полезных ископаемых, часто обогащены ионами Zn, Cu, Pb, Mn, Al и т.д. В молекулярном и коллоидальном состоянии в подземных водах содержатся органические вещества и кремнекислота – SiO2·Н2О. В коллоидальном состоянии могут находиться так же гидроокись [Fe(OН)3] и окись железа (Fe2O3·4Н2О), окись алюминия (Al2O3xН2О). В молекулярном виде в подземных водах содержатся газы: двуокись углерода (СО2), сероводород (Н2S), азот (N2), метан (СН4), кислород (О2). Иногда повышенные содержания радиоактивных веществ. Все особенности химического состава подземных вод определяются геологическими условиями, климатическими факторами. 60 Все подземные воды по преобладающему аниону делятся на три класса: гидрокарбонатные (НСO3-), сульфатные (SO4---) и хлоридные (Сl-). Каждый класс, по преобладающему катиону, делится на три группы (Са++, Na+, Мg++). Различают: – мягкие щелочные воды, приуроченные как правило к магматическим горным породам, где НСО3>Са+Мg, – жесткие воды (осадочные), где НСО3<Са+Мg или НСО3+SО4> Са+Мg, – воды высокой минерализации с преобладанием ионов хлора Cl>Na Cl>Na+Mg; Cl 10 %-экв. Дополнительно: перед дробью – содержание газов и компонентов, придающих воде специфические свойства (СО2, Н2S, Вг, V, радиоактивность) и общая минерализация М (г/л). После дроби рН, Т (°С), дебит (Q) скважины или источника (м3/сут). В названии воды участвуют 1) анионы и 2) катионы, содержание которых более 20 %-экв. Название дается сначала по анионам, потом по катионам по возрастающему содержанию. СО2 1,2 М 4,5 HCO3 59 SO4 29Cl12 рН, Т, Q (л/с), Ca59 Mg 25 Na16 (11) Углекислая, слабосолоноватая сульфатно-гидрокарбонатная магниевокальциевая. В случае формулы вещественно-химического состава природных вод – в формулу Курлова записываются все элементы независимо от содержания (более 1 %), микроэлементы содержания которых определены в долях %, а также редкие и радиоактивные элементы записываются перед дробью (мг/л, мкг/л). 61 Существуют полный и сокращенный анализы воды. Кроме перечисленных есть и другие показатели, характеризующие воду. В первую очередь это бактериологическое загрязнение, т.е. наличие кишечной палочки. Наличие их характеризуется, т.н. коли-тестом – количествово кишечных палочек на 1 л воды. Обычно вода безвредная, если коли-тест не более 2–3. Понятие «коли-титр» – количество воды, содержащие 1 кишечную палочку (норма более 300 мл). Качество воды ухудшается за счет обогащения органическими веществами (распад веществ животного и растительного происхождения). Их определяют при прокаливании сухого остатка воды. Органические вещества способны окисляться. Таким образом, об их количестве можно судить по их окисляемости, т.е. по количеству кислорода, которое требуется на их окисление. Обычно окисляемость характеризуют количеством израсходованного перманганата калия (марганцовки), выраженном в мг на 1 л воды. Существуют и общие, прямые химические признаки, определяемые при исследовании воды, которые указывают на загрязнение воды. Хлор-ион (Сl-) – сточные и фекальные воды. Норма – менее 35 мг/л. Нитратный ион (NO3-) – нитраты. Допустим в очень незначительных количествах (< 10 мг/л) Чаще всего имеют органическое происхождение – является признаком древнего загрязнения. Нитрит ион (NO2-) – нитриты, указывает на свежее загрязнение воды фекальными отбросами и пр. (наличие следов). Аммоний (NН4+) – показатель биологического загрязнения. Калий (К+) – содержание более 10 мг/л указывает на загрязнение. Cr+6, Ra, Rd, фенольные соединения не допускаются. Токсичные элементы, мг/л (Pb 0,01, Cu 1, As 0,05, U 1,7, Zn 5, Fe 0,3, F 1,5). Жесткость воды – свойство, обусловленное наличием в ней растворенных соединений Са++ и Мg++, и способностью их образовывать плотный нерас62 творимый осадок при кипячении (плотная корка в котлах). Это свойство отчетливо выявляется при растворении в воде мыла: чем вода жестче, тем больше мыла требуется для появления пены. Жесткие воды непригодны для многих производств – бумажного, сахарного, кожевенного, для водки («мягкая вода» – менее 7 мг-экв). Выражается в мг-экв, (1 мг-экв – в 1 л воды 20,4 мг Са++ и 12,6 мг Мg++. Концентрация водородных ионов (рН). Этот показатель важен для правильного определения химического состава воды. При нейтральной реакции рН=7, при кислой рН <7,0, при щелочной рН>7,0. Определяют лакмусовой бумажкой (допустимо 6,5–8,0) Общая минерализация воды (очень важный показатель) – это сумма ионов, молекул и различных соединений, содержащихся в воде. Величина ее определяется по сухому остатку, полученному после выпаривания воды. Хорошая питьевая вода должна содержать не более 0,5 г на 1 л. Таблица 13 Градация вод по общей минерализации (упрощенная схема) Общая минерализация г/л < 0,2 0,2-0,5 0,5-1,0 Характеристика Химический состав Ультрапресные (HCO3-) Пресные С относительно повышенной (HCO3-, SO4--) минерализацией 1,0-35 Солоноватые, соленые, (SO4--, Сl- ); (Сl-) повышенной солености > 35 Переходные и рассолы (Сl-) Агрессивность подземных вод – свойство подземных вод разрушать гор- ные породы и стройматериалы, в результате соприкосновения. По отношению к бетону различают агрессивности: углекислая, выщелачивающая, общекислотная, сульфатная, магнезиальная. 1. Углекислая агрессия проявляется при содержании в воде Н2СО3 высокой концентрации. СаСО3 (карбонат)+Н2О+СО2=Са(НСО3)2(бикарбонат) =Са2+ +Н2СО3 63 (12) Показатель агрессивная углекислота – то количество Н2СО3, которое превышает равновесное, вызывая постоянное растворение карбоната кальция (карбонатные породы – известняки, мергели). Растворение карбоната кальция в воде, содержащей свободную углекислоту, выражается уравнением: СаСO3+Н2СO3 = Са+++2НСO3-, (13) Этот процесс обратим, и до конца не доходит, т.е. часть содержавшейся в растворе угольной кислоты остается в растворе в свободном состоянии. Каждому определенному содержанию в воде НСО3-, находящейся в равновесном состоянии с твердым СаСO3 будет отвечать определенное содержание свободной углекислоты. Это количество свободной углекислоты, отвечающее состоянию равновесия, называется равновесной углекислотой. Если содержание свободной углекислоты в воде будет больше, чем необходимо для равновесия, то при соприкосновении такой воды с СаСO3 будет происходить растворение последнего. Та часть свободной углекислоты, которая при этом израсходуется на реакцию с СаСO3, называется агрессивной углекислотой. Это очень важный показатель, т.к. фундаменты из бетона, цемент, составляющая бетона – это карбонаты (СаСO3). Измеряется в мг/л. 2. Выщелачивающая агрессия – определяется величиной временной жесткости, которая зависит от НСО3, проявляется в ультрамягких или мягких водах, в которых находится минимальное содержание ионов НСО3. Ультрамягкие воды способны выщелачивать карбонаты до момента создания равновесия между карбонатами и бикарбонатами. 3. Общекислотная агрессия – зависит от рН, особенно активна кислая среда (рН<5) – активный растворитель для вмещающих пород (солей, карбонатов), опасна для железобетонных конструкций. 4. Сульфатная агрессия определяется наличием в водах иона SO42-. Соли серной кислоты обладают опасным свойством притягивать к себе nH2O. Переход ангидрида в гипс дает увеличение объема в 2 раза. Соединение алюмосиликатов с водами обеспечивает образование соли в результате гидратации на це64 менте образуется соль Деваля, или цементная бацилла (наросты, вспучивание, крошится бетон). 5. Магнезиальная агрессия – определяется наличием ионов Mg++, которые легко вступают в соединения, образуя соли, легко растворимые в воде (железные конструкции). Свободный кислород, рН, SO4-- – приводят к активному действию воды на железные конструкции – коррозия и растворение металлов. Меры борьбы: общекислотная агрессивность – подщелачивание (при малых движениях подземных вод), сульфатная – специальные виды цемента. Применяются другие материалы – чугун, пластмассы, гидроизоляция. По г. Екатеринбургу на сегодняшний день в результате проведения мониторинга пригодными для питья считаются три источника (Амундсена – Окружная, и два источника в районе Калиновки в направлении г. Березовского). Основными критериями для определения вероятности пригодности воды источника для питья являются: удаление от автодорог не менее 100 м, отсутствие выше по потоку источников загрязнения (кладбища, могильники, туалеты, выгребные ямы, очистные сооружения, трассы коммуникаций, фермы и т.п.). Классификации подземных вод I. По степени заполнения пористого пространства принято делить на две зоны, неравномерные по мощности (рис.17): Зона аэрации – это промежуточный слой между атмосферой и подземной гидросферой, пустоты, трещины и поры проницаемых пород не всегда и не везде заполнены водой. Здесь происходит вертикальное просачивание атмосферной влаги или поверхностных вод, и могут возникать скопления только временных или сезонных вод: – почвенные воды – значение для питания растений, – верховодка. Зона насыщения – здесь породы заполнены водами, которые подразделяются по гидродинамическому признаку: 65 – безнапорные (грунтовые) – напорные (артезианские). Рис. 17 Классификация подземных вод по степени заполнения пористого пространства II. По условиям залегания подземные воды подразделяют на: – поровые воды (собственно поровые и пластово-поровые); – трещинные воды (пластово-трещинные, трещинные, трещинно- жильные); – карстовые (трещинно-карстовые); – воды зоны многолетней мерзлоты (надмерзлотные, межмерзлотные, подмерзлотные). III. По литолого-стратиграфическому типу (по возрасту и типу пород). Верховодка – это временный водоносный горизонт, возникающий наиболее близко к земной поверхности в зоне аэрации на небольших по площади водоупорных слоях (линзах) при условии обильного питания подземных вод. Особенности: площадь верходводки редко превышает 300 м2. В деревнях большая часть колодцев – верховодка. Летом, как правило, испаряются или инфильтруются на глубину, зимой промерзает. Вторая особенность верховодки – легко загрязняема бытовыми отходами. В северных и умеренных широтах, воды верховодки обычно пресные, уль66 трапресные или слабоминерализованные, с повышенным содержанием органики (из-за близкого расположения к поверхности земли) и железа. На юге, где преобладает испарение, она высокоминерализованная (Сl, Nа). К верховодке относятся и болотные воды. Часто верховодка и способствует образованию болот. Воды зоны насыщения. Безнапорные (грунтовые) воды (воды со свободной поверхностью) – это свободные гравитационные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, заключенных в рыхлых четвертичных отложениях или в верхней части коренных пород и развитого на первом от поверхности региональном водоупорном слое. Обычно они не имеют кровли из водонепроницаемых пород. Уровень воды в колодцах или скважинах в них, устанавливаются на высоте, соответствующей верхней границе или свободной поверхности грунтовых вод (рис. можно тот же) – называется также зеркалом грунтовых вод (поверхность раздела между зоной аэрации и зоной насыщения). У грунтовых вод показывается одной линией. Обычно поверхность (зеркало) грунтовых вод повторяет рельеф земной поверхности. Водонепроницаемые породы, подстилающие водоносный горизонт, называется водоупорным ложем или водоупором. Водоносный горизонт имеет строгую, четкую нижнюю границу, в отличии от верхней, которая может колебаться в зависимости условий питания по сезонам - опускается в периоды зимней и летней межени и поднимается в периоды снеготаяния и сезонов затяжных дождей (паводок). Особенности грунтовых водоносных горизонтов: – грунтовые воды имеют свободную поверхность (давление на поверхность грунтовых вод равно атмосферному); – при вскрытии грунтовых вод искусственными выработками уровень воды устанавливается на той же самой глубине, на которой появляется; 67 – питание грунтовых вод происходит по всей площади их распространения за счет атмосферных осадков, за счет инфильтрации вод из рек и водоемов, поступление подземных напорных вод из более глубоких горизонтов; – дренирование (разгрузка) грунтовых вод осуществляется в основном эрозионной сетью на участках пересечения уровня грунтовых вод с понижениями рельефа, на которых образуются выходы подземных вод на поверхность в виде источников, родников, а также под водой (подводная, подрусловая разгрузка). Иногда, когда склон сложен слабопроницаемыми делювиальными отложениями, разгрузка может принять рассредоточенный характер, смачивая склоны долины на значительные расстояния, образуя заболоченности. – тесная взаимосвязь с речными водами, которые могут являться областью дренирования, а также областью питания в период паводков (высокого стояния воды). По условиям залегания безнапорные (грунтовые воды) образуют: грунтовые потоки, бассейны и межпластовые безнапорные воды. Грунтовые потоки – движение грунтовых вод по уклону от области питания к области дренажа. Зеркало грунтовых вод имеет уклон от участков с большим гидростатическим напором к меньшим. Гидростатический напор (H) – расстояние от уровня грунтовых вод в данной точке до нулевой плоскости выравнивания (уровень мирового океана или абсолютная отметка грунтовых вод ). Напорный градиент I=H1–H2/L Грунтовый бассейн возникает в случае образования водоупорным ложем мульды (впадины). Часто грунтовый бассейн бывает частью грунтового потока. Межпластовые безнапорные воды. Иногда часть грунтовых вод может перекрываться водоупором, но полностью пласт водой не заполнен. Для грунтовых вод характерен неустановившийся режим (резкие колебания уровня грунтовых вод в зависимости от времени года, значительное влияние температуры воздуха на температуру грунтовых вод, в отличие от глубоко 68 залегающих подземных вод, и изменения химического состава (минерализации) в период межени и паводка). Гидроизогипсы – линии равных абсолютных отметок подземных вод, строятся при одновременном замере уровней в колодцах и скважинах и проводятся, как правило, через 0,5, 1, 2, 5, 10 м. Карты гидроизогипс в частности, позволяют выявить взаимосвязь поверхностных и подземных вод. Зональность грунтовых вод При продвижении с севера на юг увеличивается глубина залегания грунтовых вод и повышается степень их минерализации. В северных широтах, областях повышенного увлажнения грунтовые воды залегают близ поверхности земли, зачастую сливаясь с поверхностными водами и образуя болота. Минерализация всего лишь порядка 0,2–0,5 г/л. В средних широтах глубина залегания грунтовых вод увеличивается до 3–10 м. Воды пресные (менее 1 г/л). В степях, лесостепях – до 30 м (2–3 г/л). В аридном климате (пустынях) уровень грунтовых вод – до 70 м и более (более 10 г/л). По комплексам пород вмещающих грунтовые воды выделяются такие основные типы – грунтовые воды аллювиальных (Q) отложений, грунтовые воды ледниковых отложений (Q) – таяние ледников, грунтовые воды горных областей и пр. Артезианские (напорные) воды – это подземные воды, залегающие в водоносных пластах (горизонтах) между водоупорными слоями, находящиеся в первично сжатом состоянии и, соответственно, имеющие напор. В отличие от грунтовых (безнапорных) вод артезианские воды ограничены водоупорной кровлей пласта. (Первая артезианская скважина была пробурена в Париже в долине р. Сена (Артезия) в XIII веке). При вскрытии этих вод скважинами и колодцами, уровень воды поднимается выше кровли водоносного пласта, и могут изливаться на поверхность или фонтанировать. Особенности артезианских вод: – залегают глубже грунтовых вод; 69 – приурочены к водоносным горизонтам, ограниченным слоями водоупорных пород. Расстояние между кровлей и подошвой – мощность; – область питания, как правило, не совпадает с областью их распространения; – находятся в первично сжатом состоянии и при вскрытии их искусственными выработками образуют напор. Повышение (высота) уровня воды от кровли водоносного горизонта до установившегося уровня воды (в выработке) – пьезометрический напор. Установившийся уровень называют пьезометрическим уровнем; – характеризуются стабильным режимом в отличие от грунтовых вод; – образует сложную водонапорную систему (до 10 горизонтов). Рис.18 Артезианские воды. 1 – водоупор (глина), 2 – водоносный пласт (песок), 3 - скважины, 4– область питания, 5 – пьезометрический уровень (область развития напора), Н – абсолютная отметка пьезометрического уровня, 6 – поверхность земли, Река – область разгрузки, m – мощность пласта (расстояние от кровли до подошвы). По условиям залегания различают: – артезианские бассейны, – артезианские склоны, – субартезианские склоны. 70 Артезианские бассейны – определяются синклинальным залеганием пластов и геологическими структурами (мульды, впадины), образующими понижения в рельефе водоносного горизонта. В каждом артезианском бассейне можно выделить: область питания; область развития напора; область разгрузки. Область питания – область, в которой артезианский водоносный горизонт выходит на поверхность, поэтому воды здесь имеют свободную поверхность и принципиально не отличаются от грунтовых вод. По мере погружения под водоупорные породы воды приобретают упругий режим и становятся напорными. Область развития напора. При вскрытии (искусственными выработками) под влиянием упругого режима вода поднимается вверх на высоту пьезометрического напора. Установившийся уровень воды – пьезометрический уровень. Область разгрузки (дренажа) – область выхода артезианского бассейна на поверхность земли или под толщу аллювиальных или делювиальных отложений (разъяснить) на абсолютных отметках ниже абсолютных отметок области питания в виде восходящих источников. Высотное положение области питания и области разгрузки контролирует положение пьезометрического уровня данного водоносного горизонта. Линии, соединяющие равные абсолютные отметки пьезометрических уровней – гидроизопьезы. Карты гидроизопьез помогают определить направление движения потока. Режим артезианских вод по мере удаления от области питания становится все более постоянным во времени. От строения артезианского бассейна, соотношения области питания и всей площади распространения зависит и химический состав этих вод. Если область питания достаточно велика, то наибольший объем в этой системе занимают пресные воды (происходит интенсивный водообмен). В крупных впадинах, область питания относительно невелика и здесь происходит накопление древних вод повышенной минерализации, вплоть до рассолов. 71 Наиболее типичные примеры крупнейших артезианских бассейнов. Московский (300 тыс. кв. км), расположенный в пределах Подмосковной котловины (крупная синклинальная структура). Основной водоносный комплекс – С1-2. Днепровско-Донецкий – Pg, K, J (350 тыс. км2). Западносибирский – Mz, К (3 млн. км2). Трещинные воды – это подземные воды, приуроченные к трещиноватым скальным породам различным по генезису. Как правило, это безнапорные или слабо напорные воды. Эти воды перемещаются по системе сопряженных трещин различных размеров, образовавшихся в горных породах под воздействием климата, тектоники, рельефа. В зависимости от этих причин образования трещинных зон выделяют: трещинные воды коры выветривания, трещинные воды контактных зон и тектонических нарушений, а также воды лито-генетических трещин. Характер движения трещиноватых подземных вод. Как ни парадоксально, но оно ближе к ламинарному типу. Это важно, т.к. влияет на расчет параметров водоносного горизонта (водопритоки, дебиты и пр.). Распространение – горно-складчатый Урал и Предуралье (частично). Карстовые воды. Карст – это геологическое явление, связанное с воздействием воды (атмосферной и подземной) на определенные типы горных пород (известняки, доломиты, глины, соли) и приводящие их к постепенному растворению и разрушению. Вследствие этого процесса на поверхности образуются воронки, понижения, провалы, а под поверхностью земли пустоты, пещеры, огромные полости. В зависимости от горных пород подверженных выщелачиванию (растворению) выделяют карбонатный, гипсовый (сульфатный) и соляный карст. Карст развивается в растворимых породах при циркуляции в них воды, обладающей агрессивными свойствами и имеющей достаточную скорость движения. 72 Карстовые воды (трещинно-карстовые) – это воды карстующихся массивов горных пород, приуроченные к различному роду пустотам, образовавшимся в результате выщелачивающего действия поверхностных и подземных вод. Главная особенность карстовых вод – это быстрое поглощение поверхностных вод, резкие колебания уровней подземных карстовых вод и очень интенсивное их движение. Карстовые воды по скорости изменения уровня можно сравнить с горными реками, уровень которых, правда, вырастает на несколько метров в течение минут. Кроме того, часто происходит питание и за счет поверхностных водотоков, рек – так называемые «суходолы» (реки попросту пропадают под землей). Таким образом, под землей образуются целые подземные реки. Реки Серьга, Ивдель исчезают в зоне известняков и в незакарстованных областях появляется вновь. Скорость потока воды и значительные по размерам пустоты очень часто приводили к авариям при бурении скважин (буровые колонны проваливались, обрывались и терялись). На севере области в районе г. Ивделя существуют огромные запасы карстовых вод в толщах закарстованных известняков, которые могли бы легко обеспечить питьевой водой всю Свердловскую область. Вопрос: как транспортировать? Помимо северных районов Уральского региона, карстующиеся известняки, и, как следствие, карстовые воды, получили большое распространение в Красноуфимском районе. Химический состав карстовых вод разнообразен и отражает состав вмещающих пород. Наряду с пресными водами верхней зоны (гидрокарбонатнокальциевые или магниево-кальциевые), обычно появляющиеся на поверхности в виде мощных источников, встречаются сульфатно-кальциевые. Например, такие воды как Кисловодск, Мацеста. Для строительства важно – карстовые воды большей частью агрессивны к бетону. Подземные воды области многолетней (вечной) мерзлоты. Многолетняя или «вечная» мерзлота – это состояние горных пород, слагающих верхние слои земной коры, которое проявляется в отрицательной тем73 пературе и продолжается непрерывно не менее 1 года до тысячелетий и десятков тысячелетий. Распространены в Европе, Азии, Северной Америке, Гренландия, Антарктида (в России – 11 млн. км2, более 60 % территории). Мерзлота, наблюдаемая в поверхностных частях земной коры, разделяется: кратковременная, сезонная, многолетняя «вечная», существующая более одного года. Причины вечной мерзлоты – климатические особенности севера – низкие tº, малое испарение, реликты геологического прошлого – оледенение Земли. Подземные воды многолетней мерзлоты обычно подразделяют: Надмерзлотные воды, залегающие над толщей сплошного распространения многолетней мерзлоты. Многолетнемерзлая толща служит как бы водоупором. Межмерзлотные воды, заключенные внутри толщи вечной мерзлоты. Подмерзлотные воды, залегающие ниже многолетней мерзлоты (кровля). Все эти воды, так или иначе, связаны между собой. Надмерзлотные – находятся неглубоко 0,5–1,0 м, в пределах т.н. «деятельного слоя», т.е. той части мерзлых пород, которые оттаивают в летний период. Зимой они могут промораживаться, т.е. превращаться в лед полностью, частично или вообще не промораживаться. Воды пресные по составу, характеризуются малыми запасами, непостоянным режимом, часто загрязнены органикой, безнапорные. К этому же типу относятся воды несквозных таликов – под руслами рек, озер, в присклоновых участках долин (связано с тепловым действием водоемов), существуют также под уровнем моря в районах выхода древних речных долин в зонах шельфа. Межмерзлотные – могут быть как в жидкой фазе (вода) так и в твердой (лед), т.е. законсервированной. В отличие от надмерзлотных вод, для которых характерна сезонная смена фаз состояния, эти находятся в более устойчивом состоянии. Смена фаз происходит в более длительных периодах (сотен лет и 74 тысячелетий). Большая часть этих вод все-таки находится в жидком состоянии и отличается подвижностью. Нередко напорные. Происхождение обусловлено тремя факторами: сквозные талики (под руслами рек), область развития вод повышенной минерализации (tº=–8º–9º) Область развития радиоактивных элементов (распад U, Ra). Подмерзлотные – здесь могут быть и трещинные и трещинно-карстовые и артезианские. Обычно, на глубоком севере – на значительных глубинах – 200 и более метров. Они всегда в жидкой фазе и обладают напором – скважины. Минеральные воды – называются воды, обладающие биологически активными свойствами и оказывающие физиологическое воздействие на человеческий организм, вследствие повышенного содержания химических компонентов, органических веществ, газов или вследствие повышенной температуры они широко применяются в курортно–санаторном деле и относятся к лечебным. Воды с общей минерализацией более 1 г/л называют минеральными, если же не имеют лечебного значения, то минерализованными. Воды с общей минерализацией более 35 г/л – рассолы. 1,0–5 г/л – столовые воды, 5–15 г/л – слабоминерализованные, 15–35 г/л – высокой минерализации. Все эти воды (1–35 г/л) пригодны для питья только в случае, когда преобладающим является ион НСО3. Промышленные рудничные воды – воды, содержащие химические элементы и соли (NaCl) в концентрациях, удобных для их извлечения (Cu, Zn, J, B, Br). (В свое время Дегтярка: содержание меди в воде до 265 мг/л. Откачивали около 2 млн. м3 в год, получали до 400 тонн меди). Родники (источники) – это одна из форм проявления подземных вод при выходе их на поверхность. В родниках различают: жерло (место, откуда изливается вода), родниковую воронку (небольшой водоем) и изливающийся дальше ключ. Ключи впоследствии могут превратиться в ручьи, а затем и реки. Все виды подземных вод могут выходить на поверхность (иметь область разгрузки). 75 Родники (источники) подразделяют на нисходящие (безнапорные воды) и восходящие (естественные выходы напорных вод). Они поднимаются на поверхность под воздействием гидростатического давления или газов и пара (гейзеры). По всем источникам проводится мониторинг (систематический контроль химического состава и замеры дебита). 3.2. Законы движения подземных вод Все изменения в состоянии подземных вод – tº, уровня залегания, водообильности, химического состава, минерализации и пр., называют режимом подземных вод. Изучение режима подземных вод – мониторинг. Температура – может подвергаться значительным колебаниям, причем, чем ближе уровень подземных вод к поверхности земли, тем сильнее колебания. На воды, залегающие близко к поверхности оказывают влияние суточные и сезонные колебания, а на глубоко залегающие влияют только сезонные. Уровень грунтовых вод. Колебания уровня напрямую зависит от климатических и сезонных особенностей. При таянии снегов происходит разлив рек (паводок), идет пополнение ресурсов подземных вод и соответственно – повышение их уровня. В конце лета наблюдается падение уровня (межень). Здесь отметим, чем ближе водоносный горизонт к области питания, где происходит инфильтрация, тем быстрее происходит изменение уровня. Если год засушливый – уровень стоит низко, и наоборот. Изменение уровня может вызвать деятельность человека. Устройство водозаборов, осушение котлованов, горных выработок для добычи полезных ископаемых, закачивание воды в горные породы – все это меняет уровень. Чем сильнее воздействие (отбор, закачка) – тем значительнее изменения. Химический состав – очень сильных изменений не наблюдается, однако, значительные атмосферные осадки, полив – вызывают снижение минерализации (опреснение) ПВ, деятельность человека (разного рода строительство, коммуникации) ведут к загрязнению подземных вод. 76 Пример: 50 лет назад в Татарии была пробурена первая нефтяная скважина (нефть для получения топлива не годна – слишком много парафина). Для выкачивания нефти необходимо нагнетать в нефтеносные пласты рассолы, которые вытесняют нефть. Рассолы – 350 г/л. Давление нагнетания 200–250 атмосфер. Общий метраж трубопроводов под землей – не одна тысяча км. В случае аварии образуются огромные соляные озера, которые постепенно фильтруются в водоносные горизонты. Изучение режима (ведение мониторинга) – необходимость. Ведутся наблюдения за tº, УГВ, химическим составом, загрязнением воды в зависимости от условий и от поставленных задач – ежедневно, неделями, месяцами, годами. Наблюдения проводятся в эксплуатационных скважинах, наблюдательных, источниках (родниках), при необходимости бурят дополнительные скважины. Движение подземных вод происходит постоянно при малейшем уклоне. Гидрогеологами доказано, что при скорости водного потока в горных породах менее 500 м/сут, движение воды носит ламинарный характер. Поскольку скорости более 500 м/сут очень редки и могут встречаться в закарстованных или сильнотрещиноватых породах, то за основной вид движения подземных вод примем ламинарное. При полном насыщении горных пород движения воды в них происходит под влиянием разности напоров. Движение воды в песчаных и большей частью трещиноватых горных породах подчиняется линейному закону фильтрации, известному как закон Дарси (французский ученый). Закон, гласит: количество воды (Q), просачивающейся через породу в единицу времени, пропорционально падению напора (разность в верхнем и нижнем уровнях), площади поперечного сечения породы (F) и обратно пропорционально длине пути фильтрации (l), измеренной по направлению движения воды (рис.19): Q=Kф·∆Н·F/l (м3/сут; л/с) (14) Кф – коэффициент пропорциональности, зависящий от физических свойств породы и жидкости (коэффициент фильтрации), м/сут. 77 Преобразуем формулу – разделим обе части уровнями на площадь сечения (F). Q/F=Kф·∆Н/l (15) V=Кф·∆Н/l (16) Обозначим Q/F через V, Рис. 19 Фильтрация грунтового потока. 1 – поверхность земли, 2 – водовмещающая порода (песок), 3 – направление грунтового потока, 4 – водоупор, I и II – ось скважин № 1 и № 2 соответственно, Н1 и Н2 - величины напоров, ∆Н – падение напора, l – расстояние между скважинами. Очевидно, что V – расход фильтрующейся воды, отнесенный к единице площади фильтрующегося потока (Q/F), следовательно, V имеет размерность скорости. Величина V носит название скорости фильтрации. Отношение разности уровней подземных вод в двух точках, т.е. напора, к расстоянию между этими точками – называется напорным (гидравлическим) градиентом грунтового потока и обозначается через I, т.е. I=∆Н/l, (17) V=Кф·I, (18) Таким образом, 78 т.е. скорость фильтрации пропорциональна первой степени напорного градиента. Из последней формулы получаем: Кф=V/I, (19) примем I=1, получим Кф=V, т.е. величина коэффициента фильтрации равна скорости фильтрации при напорном градиенте равном единице. Размерность – обычно м/сутки. Но скорость фильтрации не истинная скорость в породе, она характеризует скорость как бы в пустой трубе. Но у нас реальные условия в породе. В действительности площадь занята микрочастицами или трещинами. Но мы знаем такую величину пористости, как коэффициент пористости. Значит, чтобы получить значение коэффициент фильтрации, т.е. с учетом реальной площади сечения, надо значение этой скорости умножить на коэффициент пористости. Действительную скорость подземного потока определяют просто: две скважины, расстояние между ними известно, в одну бросают красящий индикатор – замеряют в другой. По водопроницаемости все породы, довольно условно можно разделить: Хорошо водопроницаемые Кф>10 м/сут (карст, галечники Кф>200, гравий Кф>50, кр/з пески Кф>25 м/сут). Водопроницаемые (пески, трещиноватые породы) Кф>1 м/сутки. Слабо водопроницаемые (суглинки, супеси, слабо трещиноватые породы) Кф>0,001 м/сутки. Непроницаемые, практически водоупорные (глины, монолитные породы) Кф<0,001 м/сутки. Водопроницаемость определяют в лабораторных и в полевых условиях. Но в природных условиях водоносный горизонт обычно далеко не однороден по составу, пористости и трещиноватости, поэтому лабораторные данные очень часто недостаточны. Поэтому водопроницаемость или Кф определяют опытным путем, опытными откачками. Можем определить зависимость, насколько понизится уровень грунтовых вод между дренами, какое количество воды будет в них поступать, на каком 79 расстоянии друг от друга они должны располагаться, чтобы понизить уровень на определенную величину. Такой расход, поступление (водоприток) воды через стенки дрены (канавы) или котлована измеряют в л/сек или м3/сутки. Каналами можно осушать или добывать воду только из верхних горизонтов. А если глубже? Для этого бурят скважины (или выкапывают колодцы) и из них начинают качать воду (для добычи или для осушения горных пород – разрезов). В результате откачки вода движется к скважине в виде радиального сходящегося потока, из-за трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня (депрессионная воронка), в плане форма круга. В вертикальной плоскости воронка ограничивается кривыми депрессии (рис. 20). Рис. 20 Депрессионная воронка 1 – точка откачки, 2–6 – наблюдательные скважины, УГВ – уровень грунтовых вод до откачки, S – понижение уровня воды в 1 скважине, R – радиус воронки (влияния). Чем больше величина Кф, тем большей мощности насосы мы должны установить, чтобы обеспечить необходимое понижение уровня. Расстояние от центра скважины до края депрессионной воронки, образовавшейся в результате откачки – радиус влияния скважины (R). Радиус депрессионной воронки (R влияния) и крутизна кривых депрессии зависят от водопроницаемости пород, у хорошо водопроницаемых пород – широкие воронки, большой радиус влияния, у слабоводопроницаемых пород (суглинки, супеси) – узкие воронки и малые величины радиуса влияния. Установление границ депрессионной воронки необходимо: 80 – для определения kф водовмещающих пород, – выделения зон санитарной охраны, – определения осушаемых площадей, – определения расстояния между соседними водозаборами. Откачки различают: одиночные (из одной скважины) и кустовые (центральная скважина и две, три или более наблюдательных). Производительность скважины – дебит (максимальное количество воды в единицу времени при постоянстве уровня (Q, м3/сут). Направление потока определяется: – по карте гидроизогипс – перпендикуляр к 2-м смежным гидроизогипсам, – от более высоких отметок уровня к более низким; – методом трех скважин; – методом красителей. Величина R определяется: бурением скважин, по аналогии с действующими водозаборами, по формулам (Кусакина и Зихарда). Водозаборы – сооружения, с помощью которых происходит захват (забор) подземных вод. Типы водозаборов: Вертикальные – буровые скважины, колодцы. Горизонтальные – галереи, канавы, траншеи. Лучевые – колодцы с водоприемными лучами-фильтрами. Одиночные – состоят из одной скважины. Групповые – из нескольких скважин. Совершенные – вскрывающие водоносный горизонт на полную мощность (до водоупора). Несовершенные – до водоупора не доходит. Строительный – снижение уровня только на период строительства (временно). Дренаж – снижение уровня на весь период эксплуатации объекта. 81 Поглощающий колодец для сброса воды в грунтовый горизонт. При поглощении воды колодцем вокруг него возникает воронка поглощения, по форме аналогичная депрессионной, но обращенная выпуклостью вниз. Взаимодействие водозаборов: Для водоснабжения расстояние между водозаборами (скважинами), обеспечивающее каждому постоянный дебит должно быть больше двух депрессионных радиусов (>2R). Для понижения уровня грунтовых вод (на строительной площадке) расстояния между точками водопонижения (скважинами, канавами) не может превышать 2R, т.е. депрессионные воронки должны пересекаться. Водопонижение на строительных площадках. 1. Самотек грунтовых вод – зависит от рельефа местности (откосные дренажные системы, подземные галереи). 2. Принудительная откачка: насосами, иглофильтровыми установками (тонкие металлические трубы 7–9 м, с фильтром на конце). ЛИУ – понижение 4,5 м (один ярус) в песках при кф – 1–50 м/сут; эжекторными иглофильтрами (вакуумное понижение) – пески, супеси с кф – 0,01–1,0 м/сут. 3. Отвод подземных вод по горизонтали – дренажная траншея (открытые и закрытые), по вертикали – скважины или колодцы. 4.Системы дренажей: Линейная схема (головная – перехват воды выше объекта, береговая – вдоль берега водоема); Систематическая (многолинейная – при малой мощности водоносного слоя) длительное осушение большой площади; Кольцевая – отдельное здание с глубоким фундаментом; Пластовая – в основании сооружения на водоносный грунт, гидравлически связана с трубчатой дреной (с наружной стороны фундамента ~ 0,7 метра). 82 Пристенная состоит из дренажных труб на водоупорном грунте с наружной стороны сооружения. Применяется в том случае, если основанием служит водоупорный грунт. Охрана подземных вод Истощение запасов подземных вод – сработка в процессе отбора вод без восполнения (прогрессирующее понижение динамических уровней эксплуатируемого водоносного горизонта). Загрязнение подземных вод – изменение качества (общей М, органолептических свойств, превышение допустимых компонентов). Типы загрязнения подземных вод. – естественное (минерализованные подземные или морские воды); – химическое (органическое и неорганическое); – бактериальное; – радиоактивное; –механическое (песок, шлак из сточных вод); –тепловое (смешивание с нагретыми техническими сточными водами). Меры борьбы с загрязнением Очистка сточных вод; Создание безотходных производств; Перехват профильтровавшихся стоков дренажем; Экранирование чаш бассейнов; Расположение водозаборов выше по потоку источников загрязнения; Устройство зон санитарной охраны Зоны санитарной охраны. Зоны санитарной охраны – территории с особым режимом, исключающим загрязнение подземных вод. Зоны санитарной охраны организуются в составе трёх поясов: Первый пояс (строгого режима) – окружность радиусом 50 м, центр которой находится в точке расположения источника водоснабжения. 83 Второй пояс – зона бактериологического загрязнения. Третий пояс – зона химического загрязнения. Размер второго и третьего пояса определяется гидродинамическим расчётным путём. Подземные воды – как источник водоснабжения. Поиск и разведка месторождения подземных вод. Бурение скважины, определяют все параметры, производят моделирование, взаимосвязь с другими горизонтами подземных вод, сколько скважин необходимо, с какой производительностью, определяют зоны санитарной охраны (обычно их две), где нет коммуникаций и источников загрязнения, определяют химический состав воды, возможную степень загрязнения и др. Здесь руководствуются требованиями СанПиН. 84 IV. ПРИРОДНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ Сегодня влияние производственной деятельности человека на геологическую среду по своим масштабам достигло значений соизмеримых с природными геологическими процессами. Пример, – Мехико > 800 тыс.м3/год нефть, газ (город постепенно проваливается). Следует различать процессы и явления. Процессы это деятельность поверхностных и подземных вод, гравитации, внутренних сил в горных породах, ветра, внутренних процессов земли, t , деятельность человека. Эти процессы проявляются в виде явлений: поднятие берегов, оврагообразование, заболачивание, карст, просадки, эрозия, обвалы и оползни, осадки и провалы, сейсмические явления и пр. Но главным является тектоника, которая контролирует подавляющее число процессов и, следовательно, явлений. Поднятие участка земли приводит к активизации процессов разрушения, при опускании поверхности активизируется аккумуляция (накопление) осадков. Все стремится к равновесию, затуханию. 4.1. Экзогенные процессы и вызванные ими явления 4.1.1 Выветривание Начнем мы с выветривания – универсального процесса, который идет всегда и везде. На поверхности суши все горные породы медленно изменяются и разрушаются, под влиянием колебаний t , химического воздействия воды, кислорода, СО2 атмосферы, органических веществ, выделяемых растениями и животными. Все многообразие изменений называется выветриванием. Различают три типа выветривания – физическое и химическое и биологическое. Физическое – состоит в распаде минералов и пород на обломки без изменения их химического состава. 85 Выделяют: Механическое выветривание – замерзание воды в трещинах (морозное выветривание), механическая сила ветра и удары песчинок. Температурное выветривание – суточные и сезонные перепады температуры. Все минералы имеют разные теплопроводные свойства. Начинают проявляться сжимающие и растягивающие силы. Образование микротрещин. Растрескивание и образование обломков. Потом они измельчаются. Наиболее сильно проявляется в горах, в пустынях. Химическое – проникает глубоко. Порода изменяется до неузнаваемости. Большая часть минералов разлагается и превращается в другие, большей частью в глинистые. Главные факторы – свободный кислород, СО2, органические вещества и особенно вода. Основные химические реакции, протекающие при химическом выветривании – окисление, карбонатизация, гидролиз, гидратация. Окисление – (присоединение кислорода). Пирит FeS2+О2+Н2О= сульфат железа + серная киcлота. Карбонатизация – отнятие углекислотой оснований от минералов с образованием солей угольной кислоты (т.е. карбонатов). Гидролиз – гидроксил–ион воды (ОН-) отнимает от минералов металлы, на место которых становится ион водорода. Пример, разложение полевых шпатов: К2Аl2Si16O16+(2+4)H2O+CO2 =H4Al2Si2O9+K2Co3+4SiO24H2O Гидратация – присоединение к минералам молекул воды. Ангидрит CaSO4+2H2O = CaSO4·2H2O (гипс), увеличение V на 30 % ! Биологическое выветривание сочетает в себе черты механического и химического выветривания. К механическому выветриванию можно отнести, например, разрушение горных пород корнями растений или моллюскамисверлильщиками. Различные роющие животные и насекомые улучшают венти- 86 лируемость почвы, что способствует процессам выветривания на более глубоких горизонтах. К химическому выветриванию следует отнести процессы жизнедеятельности лишайников, мхов и других растений способных извлекать различные элементы со значительных глубин, до 40–50 м., и концентрировать их в своей биомассе. Часть разреза горных пород, в которой породы сильно изменены, называется корой выветривания. А эти новообразованные породы, оставшиеся на месте, называются элювиальными отложениями. Неизмененные или слабоизмененные породы – «материнские». В наше время – в северных и средних широтах, где происходит физическое выветривание – образуется грубообломочный элювий (щебень, дресва, пески). В тропических широтах преобладает химическое и биологическое выветривание, образуются глины, дисперсные породы. В геологической истории существовали периоды с таким жарким и влажным климатом. Урал – типичный, уникальный регион, где развита древняя кора выветривания. В мезозое и палеогене были периоды, когда господствовал влажный тропический и субтропический климат. Это были периоды мощного корообразования. В результате на месте горных пород образовался элювий (глинистые породы), мощности которых составили первые десятки метров eMz. В зависимости от преобладающих минералов, образовавшихся в результате выветривания, различают профили – гидрослюдистый, каолинитовый, монтмориллонитовый. Разные породы имеют разную устойчивость к выветриванию. Наиболее устойчивы к выветриванию плутонические (интрузивные) породы, в первую очередь кислые – граниты, затем диориты (средние), пироксениты, габбро, наиболее слабые ультраосновные. Наиболее хорошо выветриваются – эффузивные и метаморфические горные породы (особенно сланцы). 87 Останец – отдельно возвышающаяся скала, оставшаяся при выветривании благодаря локальному развитию более крепких разностей пород – «Каменные палатки» на Шарташе, (рис 21), «Чертово городище» (ри. 22). Рис. 21 Каменные палатки (фото с сайта http://virlib.eunnet.net/Ekaterinburg) Рис. 22 Чертово городище (фото с сайта http://mad-ptah.com) Самые мощные коры выветривания наблюдаются по тектоническим нарушениям и, особенно на контакте карбонатных пород с другими. 88 На Урале коры выветривания развиты на Восточном склоне, с ними связаны полезные ископаемые – золото, редкие металлы; строительные полезные ископаемые – глины кирпичные, каолиниты и пр. Коры выветривания – надежные основания для строительства за счет остаточных связей в минералах. Быстро теряют свои свойства при промерзании-оттаивании и при обводнении. Глины в зоне выветривания: – раскрытие существующих и образование новых трещин, – разрыхление, следовательно, увеличение пористости, – появление новых минералов. Таким образом, ухудшение физико-механических свойств грунтов в зоне выветривания, что, в свою очередь, приводит к уменьшению сопротивления сдвигу и увеличению сжимаемости. Поэтому важно – не допускать простоя котлованов. Отрицательное свойство – набухание при замачивании монтмориллонитовых глин. Меры борьбы: – покрытие горных пород непроницаемыми для агентов выветривания материалами, – пропитывание пород различными веществами (жидкое стекло, гудрон, цемент) для устойчивости, – нейтрализация (соль) – дорогой метод, – планировка территории – отвод воды. 4.1 2. Геологическая деятельность ветра Ветер – один из важнейших экзогенных геологических факторов (скорость ветра достигает 250 км/час). Ветер везде, его геологическая деятельность сдерживается растительным покровом. Поэтому он наиболее проявлен в пустынях. 89 Корразия (сдирание) – процесс механической эрозии, обтачивания, истирания, шлифования и высверливания массивов горных пород движущимися массами обломочного абразивного материала, перемещаемого ветром. Ветер турбулентен. Засасывает песчинки и переносит. Пески ударяются в горные породы и выбивают из нее частицы (рис. 23). Рис. 23 Корразия, изменение современной облицовки Дефляция (выдувание) – ветровой снос рыхлых продуктов (рис. 24). Рис. 23 Дефляция ( фото с сайта http://studlab.sfedu.ru) 90 Пример – впадина Катар в Ливии – 300 км в длину до 150 км в ширину до 100–200 м в глубину. Усиление деятельности ветра возникает вследствие вырубок леса, кустарников, нарушения почвенно-растительного слоя. Перенос песков и аккумуляция образует дюны, барханы. Песчаные пустыни. Пески постоянно движутся. Эоловые отложения переносятся: – по воздуху (легкие); – по поверхности перекатыванием частиц (крупные). Борьба: химические методы, закрепление склонов растительностью, щиты от заносов (зимой вдоль дорог), планировка территорий, проектирование «безаккумулятивных» форм сооружений, пропускающих движущийся песок. Нагрузка ветра влияет на высотные сооружения – раскачивание. 4.1.3. Геологическая деятельность атмосферных осадков Под текучими водами понимаются все воды поверхностного стока на суше, от дождевых струй до больших рек. В деятельности текучих вод различают три этапа: разрушение (размыв), перенос продуктов разрушения, переотложение (аккумуляцию). Процессы выветривания, деятельность ветра, деятельность текучих вод, деятельность льда (ледники), все это будет называться денудацией, т.е. рельеф земли формируется под воздействием процесса денудации (обнажаю). Охарактеризуем эти процессы в цифрах: средняя скорость водной денудации континентов – 0,05 мм/год; в горах (например, Ср. Азия) – 0,44 мм/год в отдельных частях до 1,6 мм/год. Реками транспортируется в океаны 17,6 млрд.т минерального вещества в год. Прочие поверхностные стоки – атмосферные осадки (дождь и снег). Часть испаряется, часть просачивается, а основное стекает вниз по склону. Это так называемый площадной (плоскостной) смыв (сток) – площадная эрозия. Другая часть через мелкие ручейки переходит в реки – это русловый сток. Реки врезаются в поверхность суши. Такая работа (процесс) называется эрозией, а 91 поскольку она идет по линии, то говорят линейная эрозия (долины рек, овраги, промоины). Площадный смыв (площадная эрозия) – происходит перемещение элювиальных осадков вниз по склону, их переотложение на склоне (возникновение делювиальных отложений). Делювий (dQ) – продукты выветривания перемещенные водными потоками, накапливающиеся на склонах и у их подножия, состав – суглинки со щебнем и дресвой. Цвет – бурый, коричневато–бурый. Самый распространенный генетический тип отложений. Нормальные основания для фундаментов. Коричневые глины, керамзитовое сырье. Конуса выноса – пролювий (рQ) по действием гравитационной силы. Сели. Овраг – вытянутое понижение рельефа на склоне, образованное струйчатой эрозией (долина для временных водотоков). Условия для образования: ливневые осадки, наличие толщи легко размывающихся пород (суглинки, лессы), отсутствие растительного покрова. В овраге различают устье, ложе и вершину. Овраг растет вершиной вверх по склону. Предельная отметка, до которой возможен размыв – местный базис эрозии (река, в которую впадает временный водоток). Длина оврагов от первых метров до десятков км. Глубина до 20–30 м. В профиле: вначале V-образный, по мере врезания и выработки профиля равновесия, становятся U-образный. Затем размыв засыхает, дно становится плоским, зарастает, умирает – превращается в балку. Но поверхность продолжает жить – местный базис эрозии. Лесомелиоративные мероприятия – лесозащитные полосы (регулирует поверхностный сток), посев трав на склонах оврагов. Строительство водорегулирующих сооружений. Укрепление участков активного размыва – бетонирование, засыпка и др. Распашка только параллельно склонам. 92 Сель – кратковременный разрушительный поток, перегруженный грязекаменным материалом. Объем массы достигает десятков миллионов м3. Страшная угроза. Различают зоны селей: это площадь водосбора, канал стока и район конуса выноса. Различают: грязекаменные, грязевые и водно-каменные потоки. Причины: ливневые дожди, бурное снеготаяние, спуск горных озёр, деятельность человека (подрезка склонов) и землетрясения. Меры борьбы: наблюдение, прогнозирование, отвод воды, растительность, селерегулирующие сооружения (пропускать сель в обход защищаемого здания), селенаправляющие (пропуск селя вдоль объекта), селеотстойники – дамбы. Снежные лавины – обрушение массы снега с горных склонов с крутизной от 15о до 50о (падающие и соскальзывающие). Подразделяются на мокрые (снег с водой в весенний период) – скорость 20–50 км/час, и сухие (временное потепление, образование потом корки) – скорость – 100 км/час. Сопровождаются образованием воздушной волны, производящей большие разрушения. По характеру движения подразделяются: осовые – снежные оползни на склонах южной экспозиции, большая площадь; лотковые – узкой полосой; прыгающие – падает с обрыва в долину. Причины: накопление осадков, разница температур, лыжники, землетрясения, звуковые колебания. Меры борьбы: террасирование склонов, посадка леса, направляющие подпорные стенки, дороги в галереи, обстрел козырьков. 4.1.4 Геологическая деятельность рек Река – постоянный водоток, в который стекаются все временные ручьи. Бассейн реки – площадь, с которой стекает вода к данной реке. Основные этапы геологической деятельности реки: – эрозия (разрушение), 93 – перенос продуктов разрушения, – переотложение (аккумуляция). Линейная эрозия – временные ручейки дают жидкость более крупным, т.е. в свою очередь речкам. Образуется – река. Очевидно, что разрушительная работа текучих вод тем больше, чем больше масса воды и чем быстрее ее течение, которое пропорционально крутизне ложа, по которому она течет, движение воды может быть ламинарным или турбулентным. В руслах рек оно всегда турбулентно. Так вот эти завихрения, вращения создают подъемную силу, которая переносит (мелкие и тонкие), волочатся по дну (крупные), а также переносит часть веществ в растворенном виде. Тем самым водный поток производит разрушающую дно силу – эрозия, эродирует – линейная эрозия. Итак, результатом деятельности водных потоков является образование эрозионных долин или просто речных долин. Впечатляющий пример – гранд-каньон (USA, Колорадо) глубина 2 км (рис.25). Рис. 25 Большой каньон (фото с сайта http://www.countryofcanyons.ru) Но, протекая в долине, река, кроме глубокой эрозии, подмывает (размывает) и берега долины – это называется боковая эрозия. Отсюда: глубинная эрозия вырабатывает продольный профиль, а боковая – поперечный профиль. 94 Базис эрозии и профиль равновесия. Невыработанный профиль – сильный уклон. Сильное течение. Выработанный профиль – наши основные реки, особенно в Зауралье. Спокойное течение. Выработка профиля продолжается до тех пор, пока не устанавливается динамическое равновесие потока, т.е. соглашение между эрозией, аккумуляцией и мощностью водного потока. Это профиль равновесия. То есть профиль равновесия – это нижняя граница, до которой может идти врезание долины при данных геологических условиях, данном гидрогеологическом режиме потока и при данном положении общего базиса эрозии. Энергия потока ослабевает, донная эрозия уменьшается и река начинает размывать берега – боковая эрозия. Базис эрозии есть как общий, для всей речной системы, так и местный – по профилю самой реки и сама река для ее притоков. Речные долины подразделяются на симметричные и ассиметричные. Классификация форм речных долин: каньон (ущелья), U-образная, Vобразная, корытообразная. Элементы долины реки. Рис. 26 Элементы долины реки 1 – коренные породы, 2 – склон, 3 – русло, 4 – пойма, 5 – первая надпойменная терраса, 6 – вторая надпойменная терраса, 7 – старица, 8 – дно. Русло – часть долины, занятая водным потоком; Пойма – часть долины, заливаемая водой во время весеннего паводка (низкая – ежегодно, высокая – раз в 10 лет); 95 Надпойменные террасы – уступы на склоне долины реки (продольные вдоль склонов долин в виде горизонтальных площадок, поперечные – порождают водопады). По слагаемому материалу террасы делятся: эрозионные (характерны для горных рек), цокольные (покрытые небольшим слоем аллювия) и аккумулятивные или аллювиальные (вложенные и наложенные); Старица – изолированная часть русла реки; Дно низшая часть долины. Тальвег – условная линия, соединяющая самые глубокие точки дна. При изысканиях для проектирования сооружений одним из обязательных условий является определение уровней воды: Расчетный горизонт высоких вод – средний из наибольших уровней по многолетним наблюдениям; Наивысший горизонт – выше не поднимался 10–15 лет; Меженный – самый низкий. Кроме эрозии (углубления) река еще и производит откладывание материала – это аккумуляция (накопление). Т.е. в развитие долины (реки) есть цикл эрозия – аккумуляция и т.д. Таким образом, развитие циклично. В основе всего тектоника – изменение общего базиса эрозии. Теперь эта река аккумулирует: чередование высокой и нижней воды – половодье (паводок) – межень. Наибольшая работа в паводок в русле (скорость большая) осаждается только галька, гравий, песок: русло переполняется водой и выходит из берегов, несет много мелких частиц, которые осаждаются, образуя слоистые супеси, суглинки. Река извивается: это называется меандрирует. Меандра – старица – озерцо – болотце – глины – торф. Аллювиальные отложения (аQ) – отложения, сформированные постоянными водными потоками (реками). В русле – пески, гравий, галечник, валуны – русловой аллювий (фация); В пойме – суглинки, супесь (во время половодий) – пойменный аллювий (фация). 96 В старице – глины, торф, илы с растительными остатками – старичный аллювий (фация). Река ведет боковую эрозию. Старый аллювий (террасы) уничтожается и большей частью долины асимметричные. Строительные свойства аллювиальных отложений Русловой (а) – хорошие основания для тяжелых сооружений и мостов. Если русловой (а) перекрывается пойменным и старичным – свайные основания. Древний пойменный (а) – просадочные свойства. Современный пойменный (а) (высокая влажность) – низкая несущая способность. Старичный (а) – слабые грунты (песчаные подушки, сваи). Особенность аллювиальных отложений – неоднородность толщ, наличие линз (грунты с различной сжимаемостью). Инженерно-геологические характеристики (физико-механические свойства) аллювия различны: ряд – русловые (r) – пойменные (pr) – старичные (st). Скажем при строительстве моста – быки должны опираться, естественно, лучше всего на коренные породы, в крайнем случае (если мощность большая) на rаллювий. Далее – подмыв берегов – это прогноз, чтобы мост устоял. От подмыва – укрепления, дамбы, берегоукрепительная стена и пр. Полезные ископаемые – весь спектр стройматриалов – песок, гравий, глины, суглинки. Кроме того: Au, Pt, алмазы, циркон, агаты и многое другое. 4.1.5. Геологическая деятельность моря В морях и океанах постоянно совершается разрушительная и созидательная работа. Геологическая работа моря заключается в разрушении горных пород берегов и дна, переработке привнесенного с континентов реками материала, их перемещение и отложение, формировании огромных толщ различных осадочных пород. 97 Процесс изменения (разрушения) очертания берегов морей, океанов, озер называется абразия (соскабливание), а формирование береговой линии – переработкой берегов. Основными причинами абразии являются: – различные течения – горизонтальные перемещения огромных масс воды (прибрежные, донные, – за счет разницы температур, солености, плотности, ветров); – приливы и отливы – периодические колебания уровня воды (12 час. 16 мин.) за счет притягивающего влияния Луны и Солнца на Землю); – морской прибой – волнообразные колебания – основная разрушительная работа. – химическое воздействие воды (растворение пород и строительных материалов); – разрушительное воздействие морских организмов (планктон, обрастая строительных конструкций их разрушает. Поэтому деятельность моря у берегов велика. Там, где профиль равновесия не выработан, идут мощные процессы формирования берегов. Разрушаются молы в портах, причальные стенки, набережные и берег отступает (рис. 27). Рис 27 падение в море участков берега шириной от 0,2 до 1 м (www.ironcross-cma.com) 98 Трансгрессия моря – наступление (берег погружается). Регрессия – отступление моря за счет поднятия земной коры. Причины – климатические (реки несут больше воды, осадки атмосферные, таяние ледников) и общегеологические (эпейрогенические движения) – прогибание или воздымание дна океанов и морей или отдельных блоков берега. Там, где профиль равновесия не выработан, идут мощные процессы формирования берегов. Разрушаются молы в портах, причальные стенки, набережные и берег отступает. На скорость размыва влияет: – геологическое строение берега (скальные – труднее разрушаются, глинистые – легче); – характер напластования при прочих равных условиях (пологий угол падения от моря – быстрый размыв, пологий угол падения в сторону моря – медленнее, горизонтальное залегание – средний); – наличие пляжей до 20 м – волны гасятся. В результате абразии образуются волноприбойные террасы. Меры борьбы с абразией. Сохранение пляжей – даже небольшая полоса пляжа 10 м предохраняет берег от разрушения. Пример того как деятельность людей усугубляет разрушительные геологические процессы – южное побережье Англии. Галечный берег залива Старт решили разрабатывать для добычи гальки как стройматериала. Уровень берега углубился на 5,7 м. сооруженная дамба для его защиты не дала результата и морские волны, ранее гасившиеся пляжем, уничтожили деревню на берегу. Волноотбойные стенки (гашение волн), наружная сторона, обращенная к морю имеет криволинейную поверхность, железобетон, штучный камень. Увеличение пляжа при помощи бунов (задерживают наносы, поперечные железобетонные стены, устанавливаются перпендикулярно или под углом к берегу) и волноломов (на глубине 3–4 м, на расстоянии 30–40 м от берега параллельно береговой линии), 99 Тетраподы (фигуры из бетона с 4 ответвлениями – хорошо закрепляются на берегу за счет конструкции, рис. 28). Рис. 28 Балтийск, тетраподы (фото с сайта http://fotki.yandex.ru) Морские отложения (mQ) У берегов – обломочные породы различной крупности; Зона шельфа (0–200 м.) – пески различной крупности, органогенные и химические осадки. Материковый склон (от 200 – до 2000 м.) – органогенные осадки; Океанической ложе (2000 – 6000 м.) – глубоководные илы и глины; Глубоководные впадины (более 6000 м.) – глубоководные красные глины. Морские отложения – хорошие основания. Исключение составляют – современные прибрежные илы. 4.1.5 Геологическая деятельность озер, болот и водохранилищ Озера – замкнутые водные бассейны, не связанные с морем. Некоторые раньше были связаны с морем (Каспийское, Аральское – соленая вода, поэтому их называют морями). 100 По генезису озера подразделяют: Эндогенные (тектонические) – грабены, заполненные водой (Байкал, Ладожское, Онежское); вулканические. Экзогенные – углубление заполненное водой: – эрозионные – в котловинах размыва; – карстовые – карстовые воронки; – запрудные – в результате обвалов пород (озеро Рица); Искусственные (плотинные). По питанию: атмосферное, речное, подземное. По стоку: бессточные (Арал), проточные с переменным режимом. По химическому составу: пресные, солоноватые, соленые. Разрушительная работа озер имеет тот же характер, что и у моря, только в более мелких масштабах. Абразивная деятельность волн, нагоняемых ветром и деятельность человека (постройка Иркутской ГЭС привело к поднятию уровня Байкала на 1 м., что вызвало переработку берега на 10–80 м.). Рис. 29 Разрушение покрытия берега водохранилища за счет абразии Для водохранилищ – волноприбой в результате колебаний уровня, связанные с наполнением чаши водохранилищ, вследствие спуска воды (ГЭС). Переработка затухает, примерно в течение 20–25 лет (рис. 29) 101 Озерные отложение (lQ) Вдоль берега – обломочный материал различной крупности, на дне – глинистые осадки, илы, пески; в соленых озерах – химические осадки. В озерах формируются специфические образования, свойственные только озерам – сапропель, торф, особые озерные мергели, мел, трепел. Часто озера в наших широтных условиях переходят в стадию болот. Меры борьбы: Геологические обоснования проектов (изучение, прогноз, рекомендации). Профилактические мероприятия – сохранение и охрана пляжей. Капитальные сооружения – молы, дамбы, волноломы, буны. Болота Болота – избыточно увлажненный участок земной поверхности, покрытый слоем торфа не менее 30 см в неосушенном виде и не менее 20 см в осушенном. Все остальные избыточно увлажненные площади, не имеющие торфа, а покрытые болотной растительностью (осока, хвощ и пр.) называют заболоченными. Т.е. заболачивание – это начальная стадия образования болот. Торф – в той или иной мере разложившиеся растительные остатки. По глубине болота подразделяются: мелкие (до 2 м), средние (2–4 м), глубокие (>4 м). Основные характеристики – глубина, рельеф минерального дна, площадь. По инженерно-геологической классификации (ГОСТ) болотные отложения, торф (hQ) – это грунты особого состава, состояния и свойств и требуют особого подхода. Болота и заболачивание земли >10% всей территории РФ. У нас более 60% мировых запасов торфа. Распространение – север, долины рек, озерные котловины. По степени разложения остатков (содержания гумуса) торф делится на 4 группы – от слабо до полностью разложенного. Кроме того, определяют зольность торфов (примесь минеральных частиц), в %. Как грунт – торф слаб, силь- 102 но сжимаем. Поэтому чаще всего при строительстве – свайные фундаменты или убирают, называется выторфовка (полностью или частично). Борьба – бороться нельзя. Это природная экосистема. Ее значение колоссально (это и источник питания рек, ареал животных, влияет на климат и пр.). Раньше осушали (мелиорация), итог – пожары под Москвой (горели осушенные торфяники). У нас – Тюменский тракт, за Кольцово постоянно горят торфяники. Сейчас идеология сохранить, и по возможности восстанавливать болота. 4.1.6 Геологическая деятельность ледников Ледник – это крупное естественное скопление льда (и фирна), образовавшегося из твердых атмосферных осадков в течение длительного времени выше границы снеговой линии. Образование ледников возможно лишь при условии, что количество выпадающего снега длительное время превышает количество растаявшего и испарившегося. Область, в которой могут образовываться ледники, называется хионосферой. Снеговая граница располагается выше линии с положительным температурным балансом в течение многих лет. Фирн – плотный зернистый снег, образовавшийся в результате давления вышележащих слоев, поверхностного таяния и повторного замерзания воды, просочившейся на глубину. При увеличении мощности снегового покрова в нижней части толщи снежинки под давлением начинают перекристаллизовываться в изометричные ледяные зерна, образуя фирн. Быстрота образования фирна за счет снежных масс зависит так же от частоты и амплитуды колебания температуры. С глубиной количество ледяных прослоев увеличивается, и фирн постепенно переходит в фирновый лед, а затем и в ледниковый (глетчерный) лед. При превращении снега в глетчерный лед резко возрастает плотность осадка: снег – 85 кг/м3, фирн – 500–600 кг/м3, а глетчерный лед – 900–960 кг/м3. Основные типы ледников 103 Покровные (материковые) – льды залегают сплошным покровом, движутся в сторону океана (Гренландия мощность 2400 м, Антарктида – 4200 м). Горные – образуются в горах выше снеговой линии, движутся вниз по склонам, образуя потоки в виде языков. Горно-покровные – образуются в горах с плоскими вершинами (Скандинавский п-ов). Лед пластичен и там, где позволяют условия рельефа, начинает течь. Движение ледника начинается, как только мощность льда достигает некоторой критической величины (обычно 15-30 м), позволяющей преодолеть силу трения. Эта величина также находится в зависимости от угла наклона склона. С увеличением мощности льда увеличивается скорость движения ледников. Также на движение льда влияет его температура – лед тем пластичнее (а, следовательно, и более текуч), чем его температура ближе к температуре таяния. Срединная часть ледника движется быстрее донной и краевых частей, так как их тормозит трение о дно и стенки долины. Скорость движения ледников невелика и непостоянна. Она измеряется десятками и первыми сотнями метров в год. Только некоторые крупнейшие ледники Гренландии развивают скорость в 5–40 м в сутки. В Гималаях скорости движения ледников не превышают 1200 м в год, а для большинства ледников остальных горных систем – от 40 до 100 м в год. Граница хионосферы (а, следовательно, и распространение ледников) зависит от климата. Таким образом, ледники можно использовать в качестве индикаторов климата. Отступающие ледники оставляют за собой поперек долин серии конечных морен, а на бортах долин – отложения боковых морен. Показателем былого присутствия ледника может служить и U-образная форма долин. Часто после стаивания ледников территория испытывает поднятие, и тогда вновь образованные ледники будут углублять долину, образуя ледниковые террасы. 104 В ледниках лед накапливается стратифицировано, поэтому, измеряя содержание таких изотопов, как 18O и 10Be, можно вычислять температуру образования льда и объемы выпавшего снега в периоды образования каждого из слоев. Изучение керна льда Антарктиды позволило получить данные о температуре и газовом составе атмосферы за последние 800 тыс. лет. В течение голоцена межледниковая эпоха имела несколько флуктуаций. Так, последнее незначительное похолодание, названное малым ледниковым периодом, было 300–100 лет назад. Экзарация – ледниковая эрозия (лат. Exaratio – выпахивание). Она проявляется вместе с образованием ледников. Вместе с появлением снежников резко повышается интенсивность морозного выветривания. Лед, попадая в речные долины, сильно давит на ложе и стенки. В первую очередь сдирается весь обломочный материал из речных долин, затем этими обломками, вмерзшими в лед, разрушаются борта долины. Интенсивность ледниковой эрозии в значительной мере зависит от мощности льда и от скорости движения ледника, т.е. от уклона долины. Ледниковые отложения (gQ). Абляция – уменьшение массы ледника путем таяния, испарения и механического разрушения (в т.ч. откалывания айсбергов). Испарение из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую, называется сублимацией. После таяния ледника остаются значительные по мощности ледниковые отложения. Морена – скопление рыхлого обломочного материала, переносимого или отложенного ледником. Образование морен происходит как за счет поступления обломочного материала со склонов ледниковых долин, так и в результате разрушения ледником и дальнейшего переноса подстилающих пород. По происхождению выделяют следующие типы морен: боковая морена, срединная морена, донная морена, конечная морена (рис.30). 105 Рис. 30 Морена от ледника Кори-Калиса (Qori Kalis), фото 2006 года. (http://scepticratio.narod.ru) Боковая морена находится по обоим краям ледника в виде валов и образуется из обломков, осыпавшихся со склонов долин на края ледника. Её отложенный аналог называется линейной мореной. Иногда наблюдается до 5–7 валов, расположенных на различных уровнях по бокам долины. Срединная морена образуется из двух боковых морен при слиянии ледников. Донная морена образуется из горных пород ложа ледника при их разрушении ледником. Обычно вмораживается в лед и транспортируется вместе с ледником, способствуя ледниковой экзарации. Отложенная донная морена называется основной мореной. Конечная морена – вал обломков, двигающийся перед фронтом ледника при его наступлении. Друмлины (ирланд. холм) представляют собой вытянутые в направлении движения ледника эллипсоидальные холмы, длинной в сотни метров, иногда до километра, до 100-150 км шириной и до 25 м. высотой. Они располагаются позади конечной морены, часто образуя своеобразные поля друмлинов. Сложены 106 они коренными породами или флювиогляциальными отложениями, перекрытыми сверху мореной. Характерная особенность мореных отложений – отсутствие слоистости и неоднородность состава (валунные глины и суглинки). Флювиогляциальные отложения (fgQ) Флювиогляциальные отложения образуются при размывании морен талыми водами ледника и характеризуются отсортированностью и слоистостью. Обычно представлены толщами песка, галечника, суглинка, ленточных глин (рис.31). Рис. 31 Флювиогляциальные отложения Характерные формы рельефа – озы, камы, зандровые поля. Озы (шведск. – гряда, вал) представляют собой вытянутые в направлении движения ледника, иногда прерывистые, гряды длинной до 30–70 км. Они сложены косослоистыми песками, галечниками и гравием. Озы являются русловым аллювием рек, текущих по или под поверхностью ледника и откладывавших в его льдах перемещенный обломочный материал. Камы (нем. гребни) – группы и полосы невысоких холмов, разделенных ложбинами и котловинами неправильной формы. Камы сложены слоистым, сортированным песчаным и гравийным материалом, валунами. 107 Зандры (дат. поле или лат. песок) – мощные толщи флювиогляциальных песков, гравия и галечников, развивающиеся за пределами покровного ледника. Зандровые поля представляют собой слившиеся пологие конуса выноса ледниковых потоков, похоронившие под собой предыдущий рельеф или в значительной мере выровнявшие его. Строительные свойства ледниковых отложений Ледниковые отложения – надежные основания для сооружений. Ленточные глины в условиях насыщения водой – текучие, покровные суглинки – размокают. Отрицательное качество – наличие отдельных валунов, которые ошибочно можно принять за коренные породы и как следствие – неравномерные осадки сооружений. При изысканиях – обязательное применение геофизических методов (электроразведки). Ледниковые отложения – разнообразные строительные материалы (пески, глины, строительный камень). 4.1.7 Движение горных пород на склонах рельефа местности Коллювий (cQ) – продукты выветривания, смещённые вниз по склону под действием силы тяжести. Накапливается в нижних частях склонов и у их подножия преимущественно в виде отдельных конусов или шлейфов. Чаще всего состоит из глыб разного размера и щебня. Сортировка материала практически отсутствует или незначительна. Закономерность в распределении обломков всетаки отмечается: при обрушении наиболее крупные обломки из-за инерции продвигаются дальше мелких и оказываются преимущественно во внешних краях коллювиальных отложений. Осыпи – растрескивание горных пород и осыпание вниз по склону (рис.32). Активизация при переувлажнении. Меры: выполаживание опасных участков склонов, организация подпорных стенок или навесов-укрытий для сохранения дорог и трубопроводов, укрепление отдельных участков склонов ме108 таллической сетью, строительство галерей и тоннелей в особо опасных местах, где присутствуют мощные медленно соскальзывающие осыпи. Осыпи – великолепный строительный материал. Рис. 32 Осыпи, Алтай (фото с сайта http://fotki.yandex.ru) Курум – скопление крупнообломочного каменного материала, медленно передвигающегося вниз по склону, причем крутизна склонов меньше угла естественного откоса грубообломочного материала (от 3° до 35–40°). Распространены в областях распространения многолетнемерзлых пород. По своей форме могут подразделятся на «каменные плащи» (они же поля курумов) и «каменные реки» (рис.33). Каменные поля представляют собой развалы глыб, обычно изометричной формы. Каменные реки приурочены к ложбинам в рельефе. Образование курумов происходит под воздействием морозного выветривания коренных пород, выпучиванием на поверхность крупного каменного материала и вымыванием мелкозема. Движение курумов связано с совместным действием гравитационных сил и сил кристаллизации льда, попеременно замерзающего и оттаивающего в пустотах между обломками. Также способствует движению наличие в основании 109 курумов тонкого супесчано-глинистого материала. При таянии льда этот слой переувлажняется, и каменные глыбы и валуны скользят по нему. Рис. 33 Курумы. http://forum-eurasica.ru Меры борьбы: осушение глиняной подстилки (отвод вод в верховьях склона, тоннели, перенос дорог на другой склон. Обвал – катастрофическое обрушение массы горных пород без сохранения их сплошности. Обвал происходит на крутых склонах (более 45º) из-за потери сцепления с основным телом в результате роста трещин отрыва или потери опоры (например, из-за абразии или эрозии у подножия склона). Происхождение наиболее крупных обвалов в первую очередь связано с землетрясениями; в меньшей степени они могут провоцироваться деятельностью ледника. Продвижение крупных обвалов на значительные расстояния, в том числе вверх по противоположному склону, объясняется как огромной кинетической энергией, накопленной обвальными массами, так и уменьшением трения для движущихся пород. К подобному уменьшению трения приводит захват фронтальной частью обвала мас- 110 сы воздуха, который, сжавшись, превращается в своеобразную воздушную подушку, а также сорванный по пути движения дерново-почвенный слой. Рис. Обвал (фото с сайта http://900igr.net/kartinki/obg/Opolzni-seli-obvaly) Меры борьбы: Искусственное обрушение при помощи взрывов или клинованием. Отвод поверхностных вод. Улавливающие стенки, траншеи. В строительных выемках – подпорные и временные шпунтовые стенки. Нельзя перегружать края выемок, подрезать склоны, длительное время оставлять котлованы открытыми в период дождей. Оползень – отрыв масс горных пород и их перемещение вниз по склону под действием силы тяжести почти без нарушения структуры движущегося блока (рис.34). Причиной оползания может стать: потеря упора у основания склона, изменение прочности пород при их увлажнении или под действием сейсмических волн, действие напора подземных вод или развитие суффозии, появление дополнительной нагрузки искусственных сооружений или различные сочетания перечисленных факторов. 111 Рис. 34 Оползень Тайвань (фото с сайта http://mygazeta.com28-апреля-2010) Скорости движения оползней непостоянны во времени и изменяются от десятых долей метра до сотен метров в год. Периоды относительного покоя сменяются активными подвижками. Наиболее крупные оползни вызываются длительными ливневыми дождями, реже – землетрясениями. Развитию оползней способствует наличие глинистого водоупорного слоя в основании склона. Италия, 1963 г. Долина р. Пьяве плотина Вайонт ( = 265 м). С борта долины (водохр.) ушел оползень V = 240 млн.м3. На протяжении 2 км водохран. оказалось затопленным. Сейсмический удар был зарегистрирован в Бельгии. Из водохранилища волна выплеснула на 100 м над плотиной. Вниз по течению были снесены 5 городов. Погибло 3 тыс. чел. Развиваются оползни там, где есть склоны, но большей частью – в долинах рек, на водохранилищах (особенно новых) и в карьерах. Везде присутствует фактор нарушения равновесия (меняется уровень вод, подрезка, нагрузка, набухание грунтов). Географически – правобережье рр. Камы, Вятки, по склонам долины Волги, особенно от Н.Новгорода до Волгограда, Байкал. У нас в области крупных нет, но есть процессы в карьерах. Одна из классификаций оползней: структурный (когда целый блок скатывается) и пластический (течение). 112 Оползни могут быть многократными, состоящими из разновозрастных оползневых тел. По структуре перемещаемых пород выделяют блоковые оползни, при которых происходит перемещение крупных блоков твердых горных пород, глыбовые оползни – перемещаются отдельные глыбы, сохранившие первичную текстуру, и рыхлые оползни – перемещается раздробленные склоновые накопления различного происхождения и почвенный слой. Рис. 35 Многоярусный оползень (фото с сайта http://tower.ict.nsc.ru) По форме оползневых тел выделяют террасовидный оползень, при котором площадка, ограничивающая сверху тело оползня, ровная и протяжённая, вытянутая параллельно склону и цирковидный оползень, с поверхностью оползневого тела в виде полуцирка. Внешние признаки оползней. Серия концентрических трещин, ориентированных вдоль склонов. Бугристость склонов в нижней части, валы выдавливания. Террасовидные уступы. Пьяный лес, разорванные стволы деревьев. Разрушенные дома с трещинами. 113 Трещины отрыва – вертикальные зияющие трещины, заложенные параллельно обрыву или под небольшим углом к нему. Могут возникать как при динамическом воздействии на массив горных пород в результате землетрясений или, например, при взрывных работах, так и под действием силы тяжести. При дальнейшем развитии в результате физического выветривания отделяют от коренного массива блок пород, который впоследствии обваливается. Совокупность трещин отрыва, по которым произошло обрушение, составляют стенку отрыва, выглядящую как обрыв над обвальным телом. Пьяный лес - лес с растущими наклонно деревьями из-за деформаций и постоянного медленного движения грунта. На старых оползнях можно наблюдать пьяный лес с наклонёнными или искривленными старыми деревьями и вертикальными молодыми, выросшими после схода оползня. Устойчивость земляных масс на склонах выражается уравнением: Т = Ntgφ+CF (20) Т – Сдвигающая составляющая веса массива; N – нормальная составляющая веса; F – поверхность скольжения оползня; С– сцепление; tgφ – коэффициент внутреннего трения. Степень устойчивости склона определяют коэффициентом: Kуст = (Ntgφ+ CF)/Т (21) Kуст <1 – оползание; Kуст =1– предельное равновесие; Kуст>1 – устойчивое состояние (рис.36). Рис.36 Силы, действующие на склоне. а) параллелограмм сил; б) при Куст<1; в) Куст=1; г) при Куст<1 Меры борьбы: 114 Водоотводные осушительные и дренажные мероприятия делятся: – работы на поверхности (устройство покрытий, лотков и осушительных каналов и т.д.); – дренажи – продольные и поперечные галереи и шахты, откачки из скважин и колодцев; – покрытия – глинизация, замораживание, битуминизация; – защита от подмыва и размыва берегов рек (выправление русел, покрытия, набережные); – механическое закрепление склона (сваи); – закрепление подпорными и анкерными сооружениями; – перераспределение масс горных пород (контрбанкет, террасирование, полный или частичный съем оползневых масс); – искусственное улучшение свойств пород – цементация, инъекционные завесы, замораживание. – лесомелиорация (сплошное травосеяние, влаголюбивый кустарник). Строительство в зоне действия оползней Заглубление фундамента до коренных устойчивых пород. Свайные фундаменты. Устройство деформационных швов. Использование каркасных конструкций. Применение железобетонных поясов 4.1.8 Карстовые и суффозионные процессы Карст - это и форма и процесс. Карстовый процесс представляет собой длительно развивающийся процесс растворения или выщелачивания осадочных горных пород подземными и поверхностными водами (коррозионный процесс). Причины возникновения карста: Наличие трещиноватости в растворимых горных породах. 115 Движение воды и ее минерализация. Наиболее сильно растворяет породы слабоминерализованная вода и содержащая свободную углекислоту. Количество осадков. Климат. По химическому составу пород различают: карбонатный (известняки, реже доломиты), сульфатный (гипс и ангидрит), соляной (галит и сильвин). Наиболее растворимы соли, затем гипсы , труднее растворяются известняки. На интенсивность процесса влияет низкая минерализация, повышенная температура и скорость движения воды, крупность зерен в породе и ее трещиноватость. Различают карст наземный и подземный. Наземные формы карста: Карры – мелкие борозды и гребни на обнаженных поверхностях карстующихся пород. Воронки – углубления различных форм и размеров (поверхностные и провальные). Наиболее распространенные поверхностные формы карста. Воронки бывают весьма разнообразны: от пологих и мелких до крутосклонных (рис 37). Диаметр воронок редко превышает 50 м., а глубина – 15–20 м. Блюдца и западины представляют собой мелкие карстовые воронки с пологими бортами. Поноры – узкие глубокие отверстия, наклонные или вертикальные, поглощающие поверхностную воду и отводящие её вглубь карстового массива. Поноры возникают на узлах пересечения трещин при дальнейшем развитии карста. Колодцы и шахты – вертикальные или наклонные карстовые формы, уходящие в глубину на десятки и сотни метров. Они образуются при дальнейшем развитии поноров. Известны шахты глубиной до 1100 м. 116 Рис 37 Карстовая воронка, Пермский край (фото с сайта http://perm-kray.ru Слепые долины рек заканчиваются не впадением в другой водоем, а карстовыми воронками и понорами, в которых вода уходит под землю. В отличие от них, полуслепые долины сохранили хорошо различимый отрезок долины ниже поноры, называемый суходолом. Башенный карст – одна из последних стадий развития поверхностного карста, при которой подавляющая часть горных пород растворена и вынесена, а самые прочные блоки сохраняются в виде огромных отдельных останцов. Башенный карст характерен для жаркого влажного климата Юго-Восточной Азии. Подземные формы карста Пещеры – естественные подземные полости. Большие помещения называются залами, поменьше – гротами. Ходы, заполненные водой – сифонами. В сильно закарстованных районах наблюдается несколько этажей пещер. Важное значение имеет степень активности карстового процесса. Различают действующий карст, который развивается в современных условиях и пассивный или древний карст, у которого формы заполнены делювиальнопролювиальным материалом, задернованы. При изменении базиса коррозии (обычно уровень ближайшей реки) и других причин пассивный карст может 117 перейти в действующий. Нижний предел развития карста называется базисом коррозии (рис. 38). Понижение уровня базиса коррозии вызывает понижение уровня грунтовых вод, старая пещера становится осушенной, а новая формируется ниже. Рис. 38 Зоны карстового массива в известняках I – зона развития карста; II – зона цементации; УГВ – уровень грунтовых вод Пещеры могут формироваться в любых карстующихся породах, однако наиболее характерны для областей развития мощных карбонатных толщ. Самая протяженная соляная пещера находится в Иране. Её протяженность составляет 6,5 км. Она состоит из пещер «Трое обнаженных» и «Погружение», которые по результатам топографической съёмки 2005 г. оказались соединяющимися в единую систему. Самой глубокой пещерой в мире является пещера Воронья (Крубера) в Абхазии. На настоящий момент её установленная глубина превышает 2040 м. Кунгурская пещера – длина 4,6 км. Наиболее крупной пещерой является Мамонтова пещера в Северной Америке – длина всех проходов и галерей 240 км (несколько озер, река и т.д.). Просачивающаяся по трещинам вода сильно минерализована. При её попадании в большие пространства и соприкосновении с воздухом она либо теряет часть растворенной углекислоты и высаживает карбонат при карстовании известняков, либо испаряется и высаживает гипсы при развитии карста по сульфатам. При минусовых температурах натечные образования слагаются льдом. В разрезе все натечные образования (например, сталактиты) зональны, 118 что позволяет читать историю их образования. Так, значительное осушение пещеры и временное прекращение или сильное замедление роста будет отражаться в виде более плотных и шероховатых корочек. В зависимости от своего положения в пещере и формы, натечные образования подразделяются: Сталактиты – выросшие на своде пещеры из просачивающейся воды. Иногда можно наблюдать ряды сталактитов, маркирующие трещину в потолке. Сталагмиты – выросшие на полу из капающей сверху воды. Так как упавшая капля воды растекается по сталактиту, они обычно более короткие и широкие по сравнению со сталактитами. Обычно растут непосредственно под сталактитами (рис39). Сталагматы – вертикальные колонны. Образуются из доросших до пола сталактитов или из соединившихся и сросшихся сталактита и сталагмита. Рис. 39 Сталактиты и сталагмиты (© B. Merkel,2003 www.geo.tufreiberg.de/hydro/impressions.html) 119 Анемолит – сталактит или сталагмит, отклоненный от вертикального положения односторонним испарением вод, вызванным циркуляцией воздуха в пещере. Гуры – наплывы на полу пещеры, похожие на оплывший стеарин. Завесы образуются при равномерном просачивании воды через трещину в потолке, благодаря чему имеют практически постоянную толщину. Недоучет карстовых процессов в инженерно-строительной деятельности может привести к серьезным последствиям: 1) просадке и провалам жилых зданий над подземными полостями; 2) деформациям железнодорожного или автомобильного полотна; 3) значительной утечке воды из водохранилищ; 4) поступлению грунтовых вод в подземные выработки через карстовые полости. При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на повышение устойчивости и прочности пород и на прекращение развития карстовых форм. Строительство на целиках, свайные фундаменты. Повышение устойчивости и прочности пород – предотвращение доступа воды к карстующимся породам (нагнетание в трещины жидкого стекла, глинистого или цементного раствора). Прекращение развития карстовых форм – гидроизоляция поверхности жирной глиной, сооружение дренажных систем, откачки, регулирование стоков (ливнеотводы). При проектировании предусматриваются комплексные инженерногеологические изыскания согласно СП 11.105.97 ч.II, включающие геофизические методы (электроразведка), позволяющие определить формы подземного карста. Карстовые районы по степени устойчивости согласно СНиП делятся на 5 категорий: 120 – весьма неустойчивые (в год образуется 5–10 воронок на 1 квадратный км). Может достигать 100 и более (300–350), например с. Бабки (Чусовая – Кама); – неустойчивые – 1–5 воронок; – средней устойчивости – 1 воронка за 1 – 20 лет; – устойчивые – 1 воронка за 20–30 лет; – весьма устойчивые – свежих провалов не зарегистрировано за последние 50 лет. Суффозия – вымывание мельчайших нерастворимых частиц грунта подземными водами. Это явление часто приводит к образованию суффозионных воронок. Условия возникновения: неоднородность гранулометрического состава и появление критического гидростатического напора более 5. Меры: уменьшение скорости и градиента потока, дренаж, отвод вод. В городских условиях может провоцироваться хозяйственной деятельностью человека; например, протечками из труб, изменением направления грунтовых вод из-за строительства, подземными коммуникациями. Выводы: Геологическая опасность карста и суффозии – образование различных по положению и форме пустот и провалов. Процессу карстообразования подвержены осадочные породы: известняки и доломиты, гипс, каменная соль. Суффозии подвержены обломочные грунты неоднородного состава. Понижение базиса эрозии приводит к активизации процессов. Инженерно-геологические исследования производится в соответствии СП11.105.97 ч.II. При строительстве основой всех мероприятий, направленных на прекращение развития карста и суффозии является прекращение фильтрации воды. 121 Применять свайные фундаменты, специальные конструктивные решения и строительство на целиках. Проводить мониторинг. 4.1.9 Мерзлотные процессы Горные породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие в своем составе лед, называются мерзлыми. Скальные грунты при сезонном промерзании и оттаивании активно разрушаются за счет расклинивающего действия замерзающей воды, которая при переходе в твердое состояние увеличивается в объеме на 9,1 %. Дисперсные грунты связные и несвязные при замерзании увеличивают объем и становятся водонепроницаемыми. Разработка их ведется как скальных грунтов. Несвязные грунты (пески, гравийные грунты и т. д.) при низких значениях влажности практически не изменяются в процессе оттаивания и промерзания. Особенно сильно сказывается процесс оттаивания на органических (торф, ил) и глинистых грунтах, которые переходят в текучее состояние и теряют несущую способность (выдавливаются из-под здания). В строительстве учитывается глубина промерзания df, которая зависит от климата и литологических особенностей грунтов и колеблется от нескольких см. до 2–3 м. Для Екатеринбурга 1,8–2,0 м. Величина df определяется: – По карте СНиПа, – рассчитывется по формулам, – по итогам многолетних наблюдений. Криолитозона – область распространения многолетнемерзлых пород (в России около 60-70 % территории – 11 млн. км2). Европейская часть – устье С. Двины, Печоры, Баренцево море; Азия (южная граница) – район Салехарда, к югу район Игарки, до границы с Монголией. Криолитозона – область распространения многолетнемерзлых пород, т.е. пород, никогда не оттаивающих летом. Мощность криолитозоны составляет от ~15 м. (при её островном 122 распространении) до 1000-1500 м. в северных регионах. Формирование многолетнемерзлых пород определяется климатическими факторами, обеспечивающими отрицательную среднюю годовую температуру пород. Уникальная сохранность вымерших млекопитающих, таких как мамонты, мастодонты и др. свидетельствует о том, что мерзлота существовала уже тогда, когда эти животные населяли Землю. Сплошная криолитозона, уже не исчезавшая впоследствии, возникла около 650 тыс. лет назад в пределах севера Сибирской платформы. Ее сохранению способствовали ледниковые эпохи, следовавшие одна за другой. Самая низкая температура в криолитозоне (-19°С) зафиксирована в скважинах на заполярных островах Канады. Юкагирский мамонт, найденный в 2004 г. в Якутии имеет такую великолепную сохранность, что при первичном обследовании находки высказывалось предположение о сохранности генетического материала, пригодного для клонирования. В 2007 г. проходила международная конференция, посвященная результатам исследования Юкагирского мамонта. Многолетнемерзлые породы – грунты, которые находятся в мерзлом состоянии постоянно в течение тысяч и сотен тысяч лет. В России выделяют три зоны вечномерзлых грунтов: Сплошная мерзлота – крайний север Сибири, мощность сотни метров, tº=–7º–12º; Зоны с таликами – есть участки с талыми грунтами, располагается южнее, мощность 20–60 м., tº=–0.2º–2º; Островная – мерзлота участками, мощность 10–30 м., tº=0–0.3º. Деятельный слой – верхний слой земной коры в областях холодного и умеренно холодного климата, подвергающийся периодическому промерзанию и оттаиванию. Его мощность различна и, как правило, составляет в среднем 10– 20м. В зависимости от местоположения, температурного режима, и, следовательно, преобладающих в течение года процессов, деятельный слой может быть сезонноталым или сезонномерзлым. Сезонномерзлый слой (смс) – это верхний слой земной коры, подвергающийся промерзанию в холодное время года. Большую часть времени породы этого слоя остаются в талом состоянии. При промерзании сезонномезлого слоя породы, залегающие под ним, по-прежнему талые. 123 Сезонноталый слой (стс) развивается в наиболее высоких широтах существования деятельного слоя. Большую часть времени он находится в промерзшем состоянии и лишь в наиболее теплое время года оттаивает. При этом в основании сезонноталого слоя залегают мерзлые породы. Выделяется сливающийся – в зимнее время промерзает полностью и не сливающийся – не полностью промерзает до мерзлоты, остается слой талого грунта. Основная особенность мерзлых грунтов – наличие в них льда в виде цемента (массивная текстура), линз и прослоев (сложная текстура), пересекающихся прослоев в разных направлениях (сетчатая текстура). При оценке свойств мерзлых грунтов имеет значение суммарное количество льда в породе. Льдистость – общее количество льда в единице объема грунта. По физическому состоянию выделяют грунты: твердомерзлые (плотные пески), пластично-мерзлые (глинистые грунты, способны сжиматься под нагрузкой) и сыпучемерзлые (несцементированные льдом обломочные грунты – песок, гравий, щебень и т. д.). Конституционные льды возникают при промерзании влажных дисперсных горных пород (суглинков, супесей и др.). Образовавшийся лед играет роль цемента, скрепляющего части породы. Конституционные льды развиты как в толще многолетнемерзлых пород, так и в породах сезонноталого слоя. Подразделяются на лед-цемент и сегрегационный лед. Лед-цемент образуется при промерзании увлажненной горной породы и располагается между её минеральными зернами. Сегрегационный лед представлен в виде шлиров, небольших гнёзд или нитевидных, линзовидных тел, образующих криогенную текстуру (слоистую, сетчатую и т.д.). Образуется при замерзании воды, мигрирующей к фронту промерзания. Промерзание СТС начинается с образования стебелькового льда. Погребенные льды возникают на поверхности и впоследствии захораниваются осадками. Крупные сплошные массивы погребенного льда приурочены к захороненным ледниковым телам, как современным, так и останцам крупных четвертичных оледенений, перекрытым моренными и иными ледниковыми отложениями. 124 Инъекционные льды образуются в результате внедрения напорных подмерзлотных вод в мерзлую толщу, мощность линз инъекционных льдов может достигать десятков метров, а их длина - сотен метров. Пещерные льды образуются в подземных полостях и имеют различное строение. Могут образовывать как натечные формы, так и кристаллы, и их агрегаты. За счет значительной глубины пещер и горных выработок в них длительное время сохраняется низкая температура. Поэтому, однажды сформировавшись, пещерные льды могут сохраняться весьма долго. В России развитием такого рода льдов наиболее известна Кунгурская пещера. Криогенные процессы Морозное пучение – за счет промерзания деятельного слоя, локальные поднятия зимой дорожных одежд увеличение объема породы при промерзании (~ на 10 %), при оттаивании образуются ямы. Присуще рыхлым породам – пылеватым. Образуются т.н. пучины. Высота их от 2–4 см до 50 см, и длина до 10– 12 м. Особенно неприятно для линейных сооружений, железных дорог, автодорог. Борьба – осушение, замена пучинистых грунтов. Выпучивание фундаментов – морозное пучение (вымораживание) приводит к выпиранию столбов, фундаментов из основания (глинистые породы, рис. 40). Вот почему всегда глубина заложения фундаментов должна быть ниже глубины деятельного слоя (сезонного промерзания). А в области вечной мерзлоты – обмазки, гравийные, щебнистые засыпки, расширение фундаментов книзу. Бугры пучения (гидролакколиты) – подъем деятельного слоя за счет промерзания межпластовых вод. Термокарст – проседание земли за счет оттаивания при нарушении теплового режима. Наледь – скопление льда на поверхности в результате излившихся подземных или речных вод. При глубоком промерзании рек происходит сильное сужение сечения потока, и, как следствие, возрастает давление воды на лед. В ослабленных местах речной лед проламывается и вода изливается на поверхность, образуя речную 125 наледь. Подобным образом формируются наземные наледи, с той лишь разницей, что верхней коркой является замерзающий грунт, а взламывают её грунтовые воды. Наиболее крупные, многолетние наледи образуются в местах глубинных разломов восходящими напорными подмерзлотными водами. Самой большой в России является Момская наледь, мощностью 6–7 м. и площадью 100 км2. Рис. 40 Выпучивание опор трубопровода, п-ов Ямал. Фото: © Дамбев В.А., 2004. Солифлюкция – оплывание оттаявших пологих склонов южной экспозиции по мерзлоте. Курум – скопление крупнообломочного каменного материала, медленно передвигающегося вниз по склону. Любая инженерно-геологическая деятельность в криолитозоне имеет свою особую специфику. Так как многолетнемерзлые породы очень чутко реагируют на малейшее изменение локального температурного режима, а, следовательно, практически на любое вмешательство в изначальную среду, основным правилом любого строительства является прогноз и регулирование температурного состояния мерзлых грунтов. Главными опасностями для сооружений яв126 ляются специфические процессы, такие как термокарст и морозное пучение. В связи с этим здания строят либо на насыпном грунте (преимущественно одноэтажные и двухэтажные), либо на сваях, забитых ниже уровня сезонного оттаивания. Для предотвращения оттаивания мерзлоты между землей и первым этажом оставляют вентилируемое пространство, обычно 1–1,5 м. При прокладке коммуникаций особое внимание уделяют тепло- и гидроизоляции. Строительство в районах распространения многолетнемерзлых пород регламентируется специальными СНиП и СН. Строительство производится по трем принципам: – с сохранением мерзлоты на весь период эксплуатации (свайные основания, рис. 41); Рис. 41 Свайное строительство на многолетнемерзлых грунтах, Якутск.Фото: © Дамбаев В.А., 2005. – с предварительным оттаиванием и последующим укреплением основания или его заменой на другие грунты; – на скальном основании – без учета мерзлоты. 127 4.2. Инженерно-геологические (антропогенные) процессы и явления К инженерно-геологическим (антропогенным) процессам и явлениям относятся: – уплотнение пород в основании сооружений, – просадочные явления в лессах, вследствие утечек из водопроводов и фильтрации воды из каналов, – мерзлотные деформации пород в основании сооружений, – пучины на дорогах, – деформации искусственных откосов, – переработка берегов водохранилищ и сдвижение горных пород при подземных работах. 4.2.1 Деформация над горными выработками Причины деформаций: проходка подземных выработок (штолен, туннелей, штреков) вызывает в массиве горных пород перераспределение напряжений, сжатие одних и растяжение на других участках. Горное давление – сила давления на крепь, вызванная движением горных пород в сторону выработки. Горное давление зависит от геологического строения района, свойств пород и глубины заложения выработки. Проявляется в виде горных ударов, выбросов пород, пучении, обрушении, сдвижении массы горных пород. В скальных и полускальных грунтах – сдвижение происходит быстро в форме обрушения, с образованием трещин и провалов. Пластичные породы – плавный прогиб, длительное время. При чередовании пластов: скальные породы над пластичными – вся толща работает как жесткая система, если пластичные над скальными – деформация всей толщи будет пластичной. Сдвижение пластов – деформация пород над горной выработкой. Мульда сдвижения – участок земли, подвергшийся деформации. 128 Меры борьбы с деформациями Рациональная ориентировка здания по отношению мульды сдвижения (в центральной части мульды осадка происходит равномерно, а на окраинах – неравномерная осадка и значительные деформации). Разрезка зданий на отсеки. Повышение расчетного сопротивления грунтов основания. Усиление фундамента. Повышение прочности несущих конструкций, приспособление к неравномерным осадкам. Более глубокое заложение подземных выработок. 4.2.2 Особенности лессовых грунтов Лессовые грунты распространены в центральной части России, Западносибирская низменность, Алтай. Лессовые породы представлены пылеватыми суглинками и супесями. Основные свойства лессов: Сохраняют вертикальный откос в сухом состоянии; Быстро размокают в воде; Пылеватых частиц (0,05–0,005 мм) более 50 %; Пористая структура (более 40 %); Высокое содержание карбонатов и легко растворимых солей; Анизотропность фильтрационных свойств (по вертикали в 10 раз больше, чем по горизонтали). Просадочные свойства лессов. Лессы при замачивании разрушаются, уплотняются за счет веса самой породы и веса сооружения. Уплотнение приводит к опусканию поверхности земли в местах замачивания. I тип просадочности – порода разрушается при замачивании и нагрузке от сооружения (мощность просадочного слоя 8–10 м). 129 II тип просадочности – порода разрушается при замачивании под собственным весом (мощность – до глубины 25). Тип просадочности определяют в полевых условиях методом штампа. Строительство на лессовых грунтах Выбор мероприятий зависит: типа просадочности, мощности толщи, конструкции здания. Водозащитные – отвод воды, гидроизоляция поверхности, предохранение от утечек. Механические – уплотнение, замачивание, обжиг грунтов, цементация. Конструктивные – повышение жесткости стен, прочности стыков, сваи, уширение фундамента. 4.2.3 Плывуны В строительстве и горном деле плывунами называют – водонасыщенные рыхлые породы (чаще пылеватые пески), которые при вскрытии горными выработками разжижаются и ведут себя как тяжелые вязкие жидкости. Кроме песков плывунными свойствами обладают пылеватые суглинки и супеси. Причина – гидродинамическое давление поровой воды в результате перепада давления грунтовых вод при вскрытии котлована. Плывуны бывают ложные и истинные. Ложные (псевдоплывуны) – различные пески при высоком гидродинамическом давлении грунтовых вод. Отличие – легко отдают воду, при высыхании образуют рыхлую массу. Истинные плывуны – глинистые пески, пылеватые супеси и суглинки, при малом градиенте, плывут за счет физически связанной воды. Отличие – слабая отдача воды, которая окрашена за счет глинистых частиц в серый цвет (цементное молоко), при высыхании – сцементированная масса. Напоминают свежий бетон (раствор). При проходке строительных выработок плывуны заполняют выработанное пространство, трудности при бурении. 130 Оползни, провалы поверхности, деформации зданий при выпирании плывунов из-под фундамента. Опасны подрезки склонов, вскрывающие плывуны. Пример: 100 м трамплин на Воробьевых горах подрезали в нижней части склона – стремительное заполнение выемки с экскаватором и оседание откоса. Опасны динамические удары и вибрация. Особенности строительства. Свайные фундаменты или не доводить подошву фундамента до плывунных пород. Осушение котлована на период строительства (откачка при кф>1 м/сутки), иглофильтры – только для ложных плывунов. Ограждение шпунтовыми стенками. Шпунтовая крепь перерезает слой плывуна и принимает давление на себя. Деревянный шпунт 6–8 м, металлический – 20–25 м. (без прослоев галечника, и плотного грунта). Изменение физических свойств плывунов: силикатизация (нагнетание жидкого стекла – дорого, но эффективно); цементация для ложных; электрохимическое закрепление и замораживание (проходка поэтапная по 20–30 см в зимний период или циркуляция в скважинах вокруг котлована раствора СаCl при tº=–20º–40º С для истинных. Применяется повышенное давление при проходке. 131 2 V. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА Для проектирования различного рода сооружений необходимо проведение инженерно-геологических исследований в полном соответствии с СНиП 11-02–96. Инженерные изыскания. 1997 г. и СП 11-105–97, часть I. Общие правила производства работ. М.,1997. Производство инженерно-геологических изысканий подразделяется на три этапа: подготовительный, полевой, камеральный. 5.1. Подготовительный этап Подготовительный этап включает в себя следующие работы: – подготовка технического задания для инженера-геолога с приложениями. Топографическая съемка М 1:1000 или М 1:500, выполненная в последние 3 года, название объекта, местоположение, высотность здания, класс ответственности (I и II), нагрузки, глубина заложения фундамента в зависимости от глубины или этажности подземных сооружений, расположение сооружения, отмеченное на генплане. Дополнительные условия (коррозионная активность грунтов, воды и пр.) – согласование программы (предписания) на производство работ, составленное инженером-геологом на основании: а) технического задания; б) сбора архивных материалов (результаты ранее выполненных изысканий на данном участке или близлежащих, включая климат, гидрографию, рельеф); можно использовать инженерно-геологические материалы «не старше» 5 лет; в) рекогносцировки (осмотр места, рельефа, обнажений, водопроявлений, инженерно-геологических процессов, при необходимости – маршруты по сложным участкам) – определяется категория сложности . 132 г) нормативных документов: СП 11-105–97 Инженерно-геологические изыскания для строительства; СП 11-105–97 Часть I Общие правила производства работ; Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов; Часть III. Правила производства работ в районах распространения специфических грунтов, в которых изложены все необходимые объемы полевых работ. В частности, для II категории сложности инженерно-геологических условий I уровня ответственности сетка бурения скважин составляет 30–40м, глубина зависит от нагрузки на фундамент (этажности): для 2х-этажного дома, глубина бурения 6–8 м от уровня заложения фундамента, 20-этажного дома 20–23 м и т.д. Необходимые объемы работ, предлагаемые инженером геологом, должны соответствовать техническому заданию и нормативным документам. – сметная стоимость проектируемых изысканий согласованная с заказчиком, – договор и сроки выполнения работ. Все перечисленные выше документы отправляются в отдел архитектуры, существующий в каждом административном образовании (по окончании работ необходимо представить технический отчет) для получения разрешения на право производства работ на нашем объекте. Немаловажным условием для начала полевого периода является согласования точек буровых работ со всеми службами, имеющих собственные интересы на наших площадях (сети водоканала, тепло-газо-коммуникации, кабели ГИБДД, и т.д.) 5.2. Полевой период 133 Инженерно-геологическая съемка производится при изысканиях крупных объектов (плотины). Масштабы съемки - в зависимости от целей. Для типовых проектов не используется. 5.2.1. Разведочные выработки Горная выработка – это полости в земной коре, образовавшиеся в результате проведения горных работ в толще полезного ископаемого или «пустых» горных пород. Горные выработки подразделяются на открытые (расчистки, закопуши, шурфы, канавы, дудки, карьеры) и подземные (штольни, штреки, шахты). Шурф – вертикальная горная выработка квадратного или прямоугольного сечения глубиной обычно от первых метров до 20 м. Круглый шурф – дудка (круглая – более устойчивая). Крепление обязательно, при глубине более 10 м – вентиляция. Канава – горизонтальная выработка, чаще вытянутой формы (в районах новостроек для укладки коммуникации), при относительно небольшой глубине (первые метры) имеют значительную протяженность до нескольких километров. При поисковых и разведочных работах на полезные ископаемые канавы проходят вкрест простирания для бороздового опробования. Подземные горные выработки. Шахта – вертикальная или наклонная горная выработка большого сечения (2х3,3х4 м), проходимая с поверхности или из подземной горной выработки (слепая шахта) это не относится к эксплуатационным шахтам. Штольня – горизонтальная подземная выработка, имеющая выход на дневную поверхность. Штрек – горизонтальная подземная выработка, не имеющая выхода на дневную поверхность. Верх выработки – кровля, низ – подошва. 134 5.2.2. Бурение Единственный методом, позволяющим изучать (горные выработки не считаем) недра земли является бурение. Результат бурения – скважина. Скважина – это цилиндрическая выработка в земной коре, имеющая поперечное сечение малой величины при относительно большой протяженности. Начало скважины называется устьем, боковая поверхность – стенками, дно – забоем. По условному назначению скважины (бурение) – геологоразведочные, эксплуатационные, технические. Геологоразведочные скважины бурятся при съемке, поисковых и разведочных работах на полезные ископаемые, инженерно-геологических, гидрогеологических, геофизических, технологических (режимные наблюдения). Эксплуатационные скважины бурятся для добычи воды, нефти и газа, других полезных ископаемых (Аu, Cu, U и т.п.). При производстве инженерно-геологических исследований в основном применяются буровые скважины и шурфы. Значение: – установление, уточнение геологического разреза, точность установления границ – 0,25–0,5 м; – определение залегания уровня грунтовых вод; – отбор образцов (керн) и монолитов грунта для определения физических (плотность, влажность и т.д.– не менее 10 образцов на каждую разность), физико-механических свойств (не менее – 6 образцов) и не менее 3 проб воды на химический состав каждого водоносного горизонта. Для мерзлых грунтов плотность обычно определяется на скважине. – проведение полевых опытных испытаний, гидрогеологических исследований; – ведение стационарных наблюдений; – выявление и оконтуривание геологических и инженерно-геологических процессов. 135 Виды бурения: ударно-канатное, вибрационное, вращательное, роторное, ручное, шнековое. Породоразрушающий инструмент (шарошечное и крестовое долото, буровые коронки различной твердости, пневмоударники) и его диаметры (от 50 мм до 500 мм). Бурение производится с отбором и без отбора керна (сплошным забоем). Полевая документация заносится в буровые журналы (дата, время, слои, отметки, образцы). Ликвидационный тампонаж скважины проводится после завершения работ. 5.2.3. Геофизические работы Геофизические работы – магниторазведка, гравиразведка сейсморазведка, электроразведка, каротаж в сочетании с другими видами работ. Сейсморазведка – метод исследований, основанный на измерении скорости прохождения продольных волн по глубине (V2>V1). Рис.42 Сейсморазведка (сейсмозондирование) Электроразведка – метод исследований, основанный на измерении кажущихся сопротивлений грунтов по глубине (ρ2>ρ1). Два заземления (штыря) подключаются к полюсам источника постоянного тока. Прибором измеряется разность потенциалов между ними. Чем дальше друг от друга заземления (больше разнос), тем больше глубина исследования. Измеряется в Ом/м. 136 Рис. 43. Электроразведка (ВЭЗ) Каротаж скважин (электро-, сейсмо-, радиометрический) при интерпретации позволяет определять влажность, плотность грунта. Изучая керн скважин, мы имеем ограниченную информацию. Каротаж позволяет изучать пространство около скважин, породы в естественном залегании с точной привязкой. Прямые результаты свойств пород. Часто заменяет буровые работы, поскольку полученная информация дешевле. Решает многие проблемы инженерной геологии. Значение: Определение мощности рыхлых отложений; Выявление тектонических нарушений и зон повышенной трещиноватости и обводненности; Определение уровня залегания грунтовых вод, водоупоров, направление движения подземных вод, гидрогеологических параметров; Определение состава и состояния свойств грунтов. 5.2.4. Полевые исследования грунтов Полевые исследования грунтов следует проводить при изучении массивов грунтов (в основном песчано-глинистые грунты) с целью: – расчленение геологического разреза, оконтуривание прослоев и линз слабых грунтов, 137 – определение физико-механических свойств грунтов в условиях естественного залегания, – оценки пространственной изменчивости свойств грунтов, – оценка возможности погружения свай в грунты и несущей способности свай. Полевые штамповые испытания – эталонный метод деформационных испытаний на сжимаемость. Результаты других полевых и лабораторных деформационных испытаний сопоставляются с результатами штамповых испытаний. Штамп – квадратная или круглая плита, площадью 5000 см2, служащая для передачи давления на грунт при полевых испытаний грунтов методом опытных нагрузок (рис. 44). Давление создается домкратами или платформами с грузом и производится ступенями с выдержкой определенное время до стабилизации осадки. Строится график зависимости осадки штампа от давления и осадки штампа во времени по ступеням нагрузки, определяют деформационные свойства (модуль деформации Е, МПа). Штамповые испытания могут проводиться и в скважинах. Для этого используют штамп площадью 600 см2, а давление передается от платформы с грузом через штангу. Достоинство: испытание грунта ненарушенной структуры. Недостатки: трудоёмкость, продолжительность испытаний. Статическое и динамическое зондирование (пенетрация) – исследование песчаных и глинистых грунтов путем вдавливания (статическое) и забивки (динамическое) конусовидного металлического наконечника на глубину, превышающую его высоту. Определяют сопротивление проникновению зонда на глубину. По результатам испытаний определяют однородность грунтов по площади и глубине, приближенную количественную оценку свойств грунтов. 138 Рис. 44. Схема штампового испытания грунта в полевых условиях с построением кривой осадки и последующим вычислением модуля общей деформации Прессиометрия проводится в глинистых грунтах, определяя их деформационные свойства. Прессиометр – резиновая цилиндрическая камера, которая на определенной глубине в скважине расширяется за счет давления жидкости или газа, нагнетаемого в камеру (рис. 45). Замеряется давление и радиальное перемещение грунта в стенках скважины, что позволяет рассчитать модуль деформации. Рис. 45 д) радиальный прессиометр е) лопастной прессиометр Прочностные испытания грунтов. Определяется сопротивление грунтов сдвигу (скальных и дисперсных) при предельных значениях напряжений (разрушение грунта). Методы: зондирование, искусственное обрушение откосов, лопастные испытания (крыльчатка), метод шарикового штампа. 139 Крыльчатка (метод вращательного среза) – определяют прочностные свойства для слабых грунтов (рис. 46). Крыльчатка представляет собой четырехлопастной зонд, который опускают в забой скважины, вдавливают и поворачивают. Замеряют крутящий момент, что позволяет рассчитать сопротивление грунта сдвигу, величину внутреннего трения φ и удельного сцепления С, МПа. Рис. 46 Метод вращательного среза 5.2.5. Гидрогеологические исследования (опытно-фильтрационные работы) Гидрогеологические исследования выполняются в случае распространения или возможности формирования подземных вод в сфере взаимодействия проектируемого объекта с геологической средой (загрязнение, истощение, прогноз подтопления, возможность ухудшения свойств грунтов). Полевыми методами определяется коэффициент фильтрации Кф и радиус влияния скважины (депрессионной воронки) в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод. Коэффициент фильтрации для обломочных пород определяется с помощью откачек воды из скважин. Различают в зависимости от поставленных целей: экспресс-откачка (0,5 суток), пробные, опытные, опытно- эксплуатационные; одиночные и кустовые откачки из скважин. Строится график откачки (зависимость понижения (S) от времени (t) в полулогарифмическом масштабе). 140 Оборудование необходимое для проведения опытных гидрогеологических работ (насосы глубинные, поверхностные, уровнемеры, полевая лаборатория). Откачки производятся насосом (2–2,5 л/с) или эрлифтом (рис. 47) «air» – воздух, «lift» – подъем (до 10 л/с). Приборы для замеров глубины залегания уровня подземных вод в скважинах – электроуровнемеры, «хлопушки», манометры –для фонтанирующих. Рис. 47 Схема работы эрлифта Для определения Кф для супесей и суглинков применяют методы налива в шурфы и нагнетание воды в скважины. 5.2.6. Стационарные наблюдения (режимные) Стационарные наблюдения необходимо выполнять для изучения: – динамики развития опасных геологических процессов (карст, оползни, сели, переработка берегов, выветривание и пр.), – изменений состояния свойств грунтов, – изменения уровня, температуры, химического состава подземных вод; – деформации грунтов оснований. 141 Продолжительность не менее одного гидрогеологического года или сезона проявления процесса с частотой регистрации экстремальных значений. 5.3. Лабораторные и камеральные работы В течение камерального периода выполняются лабораторные работы, производится обработка полевых данных и лабораторных анализов. Составляется инженерно-геологический отчет и графические приложения (инженерногеологическая карта, геологические колонки и разрезы). Назначение и состав лабораторных испытаний. 1) Определение физических свойств грунтов – плотность, влажность, пористость и пр. 2) Определение механических свойств: – деформационные – в компрессионных приборах (рис. 48) определяют коэффициент сжимаемости грунта (μ0) и рассчитывают модуль общей деформации – Е0 (МПа); Рис.48 Компрессионный прибор Компрессия – это сжатие грунта без возможного бокового расширения. Прикладываем на образец грунта нагрузку (Р1)– произойдет уплотнение и уменьшение коэффициента пористости (е1). Затем прикладываем нагрузку Р2, получим коэффициент пористости е2 и т.д. (4–5 ступеней) По результатам испытаний строится график компрессионной кривой и рассчитывается коэффициент сжимаемости грунта μ0 = (е1-е2)/(Р2-Р1), МПа 142 (22) . Рис.49 График компрессионного испытания – прочностные – в сдвиговых приборах определяют угол внутреннего трения φ (град), сцепление С (МПа) Рис.50 Схема испытаний грунта в сдвиговом приборе. Сдвиговой прибор представляет собой толстостенный цилиндр, состоящий из 2 частей, одна из которых неподвижна, а другая может смещаться на величину S от действия сдвигающей нагрузки Т. В прибор помещается образец грунта и нагружается давлением Р1, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при τ1. Берём второй образец с Р2 и получаем τ2. 143 Рис.51 Результаты испытаний на сдвиговом приборе. φ – угол внутреннего трения грунта; Ре – давление связности; С – сцепление глинистого грунта (начальный параметр прямой). Левый график представленной схемы – доведение до разрушений 3 образцов грунта, обжатого давлениями Р1< Р2< Р3, В результате в момент разрушения образца грунта получаем максимальные значения касательных напряжений сдвига τmax1, τmax2, τmax3, значения которых откладываются на графике τmax=τmax(Р) (средний и правый графики представленной схемы). Различие в очертании графиков на данных схемах обусловлено свойствами песка и глины, обладающей способностью сцепления. – предел прочности на одноосное сжатие определяется для скальных грунтов. 3) Определение агрессивности подземных вод и коррозионной активности грунтов. 4) Определение коэффициента фильтрации. Состав камеральных работ «Технический отчет об выполненных инженерно-геологических изысканиях по объекту» включает в себя следующие главы: 1. Общая часть 2. Инженерно-геологические условия площадки 2.1. Физико-географические условия 2.2. Геолого-литологическое строение 2.3. Физико-механические свойства грунтов (ИГЭ) 2.4. Гидрогеологические условия 2.5.Специфические грунты. Геологические и инженерно-геологические процессы 144 3. Выводы 4. Литература 5. Текстовые приложения 5.1. Техническое задание на производство инженерных изысканий 5.2. Разрешение на производство работ 5.3. Каталог данных по выработкам 5.4. Таблица показателей физико-механических свойств грунтов 5.5. Определение агрессивного воздействия грунтов 5.6. Ведомость определения коррозионной агрессивности грунтов к стали 5.7. Результаты определения компрессионных свойств грунтов 5.8. Результаты определения прочностных свойств грунтов 5.9. Сводная таблица результатов химических анализов подземных вод 5.10.Свидетельство о допуске к работам по выполнению инженерных изысканий 6. Графические приложения 6.1. Схема расположения объекта 6.2. План расположения выработок М 1:500 6.3. Альбом геолого-литологических колонок 6.4. Инженерно-геологические разрезы 145