Общие сведения о Земле

Инженерная геология (ИГ), ее задачи и содержание. ИГ как наука о рациональном использовании и охране геологической среды

Лекция 1. Введение. Общие сведения о Земле.

Инженерная геология сформировалась как наука геологического цикла в 20 – 30 годах ХХ века в связи с запросами различных видов строительства – транспортного, промышленного, энергетического и др. Были созданы специализированные изыскательские организации, инженерно-геологические исследования стали необходимой стадией проектирования и строительства. ИГ, включающая на этом этапе грунтоведение и инженерную геодинамику, стала изучаться в вузах. В последующие 1940…70-е гг. она интенсивно развивалась применительно к решению проблем строительства в сложных геологических условиях транспортных сооружений, крупных ГЭС и ТЭС, атомных электростанций и др. Содержание ИГ расширилось за счет обобщения закономерностей инженерно-геологических условий обширных территорий (регионов); региональная ИГ стала третьей составной частью инженерной геологии.

В настоящее время (с 1980-х гг.) инженерная геология рассматривается как наука о геологической среде (ГС), т.е. верхней толще земной коры, ее охране и рациональном использовании. Это обусловлено резким ростом нагрузки на природную среду по многим причинам: рост численности населения в целом, городского в особенности; энерговооруженности и производительных сил общества; масштабов возводимых сооружений и т.д. Соответственно возрастает нагрузка на геологическую среду и растет опасность ее реакций на критические техногенные воздействия. Примерами таких реакций являются «наведенные» землетрясения при заполнении больших водохранилищ и закачке воды в глубокие скважины; выбросы пород, газа в глубоких шахтах и рудниках, приводящие иногда к авариям с человеческими жертвами; подтопление грунтовыми водами и наоборот, истощение глубоких водоносных горизонтов и др. Особенно велик уровень техногенных воздействий в больших городах.

Для России с ее огромной территорией (17,08 млн км²) и разнообразием природных условий значение ИГ особенно велико для всех видов строительства, разработки месторождений полезных ископаемых, надежной эксплуатации сооружений.

Земля имеет сложную форму геоида, но упрощенно представляется шаром, слегка сплюснутым вдоль полюсов (относительное сжатие около 1:300) со средним радиусом 6371 км. Поэтому строение Земли можно характеризовать совокупностью внешних и внутренних геосфер. К внешним относятся атмосфера, гидросфера и биосфера – область распространения жизни, включая все ее формы до микроорганизмов и бактерий.

Внутренние геосферы – земная кора, литосфера, мантия и ядро (рис.1.1). Вся деятельность человека протекает в верхней толще земной коры (ЗК). В ней выделяют три слоя: осадочный, мощностью до 15 км, а в среднем 3…4 км; гранитный, до 35 км (в океанической ЗК он отсутствует); базальтовый. Мощность ЗК около 70 км, глубже до 2900 км идет мантия, затем ядро. Верхний слой мантии 4 состоит из твердых пород (литифицированная мантия), как и ЗК; вместе они называются литосферой. Установлено, что под литосферой на отдельных участках верхней мантии породы находятся в состоянии расплава (астеносфера 5). С этим связано проявление на Земле вулканической деятельности и разнообразных движений ЗК. Все геосферы взаимосвязаны: например, атмосферные явления влияют на изменения горных пород и характер земной поверхности (рельеф); процессы в литосфере и биосфере влияют на состав атмосферы и т.д.

Из сопоставления средних плотностей пород ЗК и Земли в целом (соответственно 2.7 и 5,52 т/куб.м.) следует, что к центру плотность вещества возрастает. Растут также давление и температура.

В породах ЗК установлены все химические элементы. Наиболее распространены кислород (46,8), кремний (27,3), алюминий (8,7); в скобках указаны массовые доли элемента (кларки). Далее идут железо (5,1), кальций (3,6), натрий и калий (по 2,6), магний (2,1), водород (1,0). На долю всех остальных приходится менее одного процента. Отсюда ясно, что в химическом составе пород ЗК будут преобладать перечисленные элементы.

Рис. 1.1. Внутренние геосферы

Из физических полей Земли большое значение имеют тепловое, гравитационное, магнитное; закономерности последних используются в геофизических методах, применяемых в инженерной геологии.

Тепловой режим Земли формируется за счет внешней энергии, в основном солнечной, и внутренней, связанной с процессами в мантии и ядре. На поверхности действует солнечное тепло, и соответственно имеют место колебания температуры – суточные, сезонные, годовые и вековые. На глубине 10…15 м они постепенно затухают, и далее располагается зона постоянных температур, примерно равных среднегодовой для данной местности. С глубины 40…50 м сказывается влияние внутренней энергии и температура растет. Количественно ее рост характеризуют указанием геотермической ступени (ГС) или геотермического градиента (ГГ). ГС – это расстояние в глубину, на котором температура увеличивается на один градус Цельсия. ГГ – это возрастание температуры на 100 метров глубины. Очевидно соотношение ГС = 100/ГГ. В среднем ГС равна 33 м, но в общем она меняется от 5 до 100 м. Например, для Москвы ГС = 59 м, для Петербурга только 20 м; различие объясняется более близким к поверхности для последнего расположением кристаллических пород и наличием в них глубоких разломов. Учет роста температуры с глубиной имеет непосредственное практическое значение при строительстве тоннелей, шахт, бурении скважин. Так, при проходке Северо-Муйского тоннеля на БАМе температура достигала 40⁰, Симплонского тоннеля в Альпах (на глубине 2690м) - 50⁰, что значительно осложняло строительство.

Лекция 2. Минералы и горные породы. Процессы их образования, классификации, основные свойства.