Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

И крепкой цепью сил природы Весь мир таинственно объят…» И.В. Гёте Глава 1. Основные сведения о геологии     Геология – одна из древнейших наук цивилизации, названная в честь Геи – древнегреческой богини Земли, которая возникла из хаоса и дала жизнь всему, что живёт и растёт на ней. В современном представлении геология – комплекс наук о земной коре и более глубоких сферах Земли. В узком смысле слова – наука о составе, строении, движениях и истории развития земной коры. Инженерная геология тесно связана с разведкой грунтовых стройматериалов как сырья, широко используемого в промышленности, с изысканиями для проектирования и устройства оснований и фундаментов любых строительных объектов, в т.ч. со строительством заглубленных помещений при освоении подземного пространства, а также с устройством природоохранных и защитных сооружений.              1.1. Наша Земля Наша замечательная, уникальная во многих отношениях планета Земля всего лишь одна из девяти планет Солнечной системы. Она, должно быть, самая счастливая по сравнению с другими планетами, поскольку именно так она расположена в пространстве, что на ней есть вода, которая оказалась живительным неистребимым возобновляемым ресурсом на все времена. И средняя температура на Земле устраивает всех: +4˚С. (Параметры планеты Земля перечислены в прилож. А.) Другие же планеты земной группы – Меркурий, Венера и Марс – хотя и похожи на планету Земля, но отличаются от неё полной безжизненностью. Воды то на них нет, да и кислорода тоже. Средняя температура, например, на Венере +467˚С, а венерианские облака состоят из серной кислоты и углекислого газа… Подробные карты Утренней звезды показывают некоторое сходство с Землёй: рельеф сильно расчленён, имеются понижения, холмы, вулканы…   1.1.1. Происхождение планеты Земля   Человек всегда интересовался историей возникновения Земли. Строились догадки, гипотезы, учения, предположения, по мере развития общества и углубления познаний в окружающем мире. Во второй половине 18 в. шотландский геолог Джеймс Геттон (1726-1797)  впервые опубликовал книгу «Теория Земли», в которой изложил систему взглядов под названием плутонизм[1]. Он утверждал, что ведущая роль в происхождении горных пород принадлежит внутренним силам (вулканизму), осадконакоплению с последующим уплотнением и кристаллизацией. При этом история Земли рассматривалась как бесконечное повторение циклов с периодической сменой разрушения одних континентов и возникновения других. М.В. Ломоносов (1711-1765) был сторонником плутонизма, а о последующих гипотезах он не успел узнать: судьба отмерила ему слишком короткий срок земного пребывания. На стыке 18 и 19 вв. появилось альтернативное учение о происхождении горных пород – нептунизм[2], в котором движущая сила отводилась воде. Нептунисты считали, что нижние слои горных пород возникли путём химической кристаллизации из вод «первозданного всемирного океана» (потопа), а верхние – рассматривались как «механические» отложения библейского потопа. Основоположником нептунизма был немецкий минералог – Абраам Вернер (1749-1817), взгляды которого поддерживал его друг, великий поэт И.В. Гёте (1749-1832) – известный учёный минералог, естествоиспытатель с широкими познаниями, он же директор Управления дорожного строительства в Тюрингии (Герцогство «Саксония-Веймар-Эйзенах», 1779-1786). В период жизни И.В. Гёте и А.Г. Вернера происходила жаркая дискуссия между сторонниками двух вышеназванных мировоззрений о происхождении горных пород. Закономерно, что И.В. Гёте, будучи признанным естествоиспытателем, отразил эту дискуссию в своей трагедии «Фауст». В главе «Вальпургиева ночь» задействованы древнегреческие философы Анаксагор (плутонист) и Фалес (нептунист) «Огонь чадящий образует скалы!» - восклицает Анаксагор… «Вода всему живущему начало», - возражает ему Фалес. Сам И.В. Гёте устами Фалеса ставит гимн нептунистам:   Мне истина ярко предстала        Реки всюду вокруг посылающий Из воды всё возникло сначала!    Потоки поглощающий. Всё собою вода оросила!             Ты действуешь всюду в долах и горах! Океан – ты вечная сила!             Ты свежую жизнь сохраняешь в веках!»         Громады туч сгущающих,       Акад. В.И. Вернадский (1863-1945), выдающийся геохимик дал научную оценку этой дискуссии, как неизбежному этапу в развитии естествознания: «Мы видим теперь, что тот спор о нептунизме и плутонизме, который занимал десятилетия мысли геологов, особенно немецких, казался современникам важным, но в действительности им не был».     Дальнейшее развитие науки показало несостоятельность этих гипотез. В 40-х годах 20 в. акад. О.Ю. Шмидт (1891-1956) выдвинул новую гипотезу происхождения планет Солнечной системы, в т.ч. и Земли, согласно которой Солнце на своём пути пересекло и захватило одно из пылевых скоплений Галактики, поэтому планеты образовались не из раскалённых газов, а из пылевидных частиц, вращающихся вокруг Солнца. В этом скоплении со временем возникли уплотнённые сгустки материи, давшие начало планетам.     Земля, по Шмидту, первоначально была холодной. Разогрев её недр начался, когда она достигла больших размеров. Это произошло за счёт выделения теплоты в результате распада имеющихся в ней радиоактивных веществ. Недра Земли приобрели пластическое состояние, более плотные вещества сосредоточились ближе к центру планеты, более лёгкие у её периферии. Произошло расслоение Земли на отдельные оболочки. По гипотезе Шмидта расслоение продолжается до настоящего времени. По мнению ряда учёных, именно это является основной причиной движения в земной коре, т. е. причиной тектонических процессов.     Планета Земля 4,6 млрд. лет назад сформировалась как планета с нынешними геометрическими параметрами, с характерным составом и строением. Признаки жизни на Земле появились 0,7 – 0,8 млрд. лет назад, а первые скелетные организмы – 570 млн. лет назад благодаря возникновению рибонуклеиновой кислоты (РНК), обладающей способностью воспроизводить живые организмы. Это явилось прорывом в биологии и расцветом разнообразных форм живых существ на Земле.     Планета Земля образовалась, как выше сказано, именно на таком расстоянии, на котором обеспечивается наличие особой субстанции – воды, что привело к возникновению вышеупомянутой РНК и жизни на Земле. Что касается тепла, то его Солнце щедро будет излучать еще 5…7 млрд. лет, без перебоев. Лишь потом оно подаст признаки остывания, а пока циклично каждые 11 лет на поверхности Солнца наблюдаются всплески активности, что оборачивается для Земли магнитными явлениями, колебаниями погоды и климата.   1.1.2. Форма Земли   Человек уже в глубокой древности интересовался формой Земли. Впервые древнегреческий математик Пифагор (VI в. до н.э.) высказал мысль о шарообразности нашей планеты, а философ Аристотель (IV в. до н.э.) подтвердил это. Длительное время она и рассматривалась как правильный шар, пока в 1680 г. Исаак Ньютон (1643-1727) не подсчитал, что Земля сплющена вдоль оси вращения на 1/230 долю этой оси. Как ни велик был авторитет знаменитого учёного, следовало проверить его вычисления. На это ушло несколько десятилетий. В 40-х годах 18 в. французские астрономы подтвердили правоту И. Ньютона. Разница между диаметрами Земли оказалась в 42 км, т. е. полярный диаметр действительно короче. В нашей стране с 1946 г. форму Земли принимают как эллипсоид Красовского с такими параметрами: экваториальный радиус – 6378,160 км; полярный радиус – 6356,777 км; площадь поверхности Земли составляет всего около 510,2 млн. км2; суша составляет 29,2% (149,1 млн. км2). Объём – 1,083×1012 км3, масса – 5,976×1024 кг. Окружность земли по полюсам ≈ 40 008 км, а по экватору ≈ 40 075 км. Иногда форму Земли именуют сфероидом. Более точное наименование формы – геоид. Геоидом называется фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды. Эта поверхность мысленно продолженная под материками, образует замкнутую фигуру Земли. Понятие о геоиде введено в 1873 г. И.Б. Листингом – проф. Гёттингенского университета в его трудах по геодезии. Это понятие является основным в теории и методах изучения формы, размеров и строения Земли. Параметры Земли приведены в прилож. А. Размеры земного шара на протяжении нескольких млн. лет можно считать неизменными. В связи с тем, что Земля немного сплюснута вдоль полюсов, ускорение свободного падения на экваторе и вблизи него меньше, чем на полюсах. По современным данным его значение на экваторе составляет 978 Гал, а на полюсах – 983 Гал[3].     Это интересное свойство Земли количественно установлено совсем недавно, в 20 в. А заметил его французский натуралист Жан Рошé ещё в … 1676 г., по разнице в показаниях его маятниковых часов при переезде из Парижа (49˚ северной широты) в Кайенну – столицу французской Гвианы в Южной Америке (5˚ северной широты).     1.1.3. Строение Земли   Земля сложена десятью концентрическими оболочками. Тремя внешними: атмосфера (5-слойная газовая оболочка, включающая тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу), гидросфера (водная оболочка), биотехносфера (термин биотехносфера введён нами, ранее называлась биосфера). Внутренние оболочки Земли (семь номинаций) называют геосферами, включающими литосферу (А-земная кора и верхний слой мантии), 3-х слойную мантию (верхняя  – В, переходный слой  Голицына – С, нижняя  – Д) и 3-х слойное ядро (внешнее – Е, переходный слой  – F, внутреннее – G). На рис. 1.1 представлена схема северо-западного квадранта поперечного сечения геоида, на которой показано расположение и высота атмосферных оболочек, толщина гидро- и биотехносферы. Приведены радиусы (R) и толщина геосфер (А…G), а также глубины их залегания. Указаны радиусы (Rе , Rр), окружности (Le, Lp) и физические параметры (Q, γ, T) Земли.  Всё это установлено современными геофизическими исследованиями по измерению, в частности, скоростей распространения сейсмических волн, изучения плотности земного вещества, массы Земли, результатов космических экспериментов по определению распределения воздушного и водного пространств и др. данными.  Непосредственному наблюдению доступны атмосфера, гидросфера, биотехносфера и самая верхняя часть земной коры, которую в пределах суши можно назвать геотехносфера, где непосредственно осуществляется инженерно-хозяйственная и строительная деятельность. В табл.1 приведены основные геометрические параметры земных оболочек. Таблица 1 -Толщина земных оболочек (с поверхности к центру ядра) N п/п Внешние оболочки (три номинации) N п/п Внутренние оболочки (семь номинаций) Наименование Толщина, ≈ км Наименование Толщина, ≈ км I.   II. III. Атмосфера (5 оболочек): - тропосфера: в т.ч. на полюсе       на экваторе - стратосфера - мезосфера - термосфера - экзосфера   Гидросфера Биотехносфера   8…10 16…18 55…80 80…800 800…1000 >1000   3,8…11,5 <0,1 1.     2. 3.   4.   5. 6. 7. Земная кора (А): в т.ч. - под Гималаями - в океане (о.Пасхи) Литосфера (А): в т.ч. - в океане      - под щитами Мантия (3 оболочки): в т.ч. - верхняя (В) - переходный слой Голицына (С) - нижняя (Д) Ядро (3 оболочки): в т.ч. - внешнее (Е) - переходный слой (F) - внутреннее (G) 35…40 90 5   5…100 300…350 50…1500   1250..1350 300…400 1200..1250   1.2. Тепловой режим земной коры   Земная кора согревается двумя источниками тепла – внешним в виде солнечной энергии и внутренним в виде процессов радиоактивного распада элементов. Влияние обоих источников тепла обуславливает довольно сложный характер изменения температуры горных пород в пределах земной коры и особенно в верхних её частях.     1.2.1. Температурные зоны   При рассмотрении теплового режима Земли в земной коре выделяются три зоны (рис.1.2): I – зона сезонных колебаний температуры (t°C=var), II – зона постоянной температуры (t°C=const) и III – зона возрастающей температуры (t°C=ris).     Изменение температуры пород в зоне I (для средних широт) иллюстрируется двумя кривыми: для летнего и зимнего периодов. В инженерной практике слой ежегодного зимнего промерзания и летнего оттаивания носит название деятельного слоя грунтовой толщи. Мощность зоны I достигает 30 м. В зоне I может быть выдела подзона Iа, в пределах которой зимой температура пород опускается ниже -1˚С. Это – подзона зимнего (сезонного) промерзания. Если этот слой сложен пучинистыми грунтами, которые обладают микрокапиллярностью и предопределяют фильтрационную миграцию влаги из нижних тёплых горизонтов в зону промерзания, то происходит переполнение пор (Sr>1,0), заполняемых друзами льда, что и являет собой пучение грунтов. Мощность этого слоя зависит от ряда факторов и достигает в пределах северной части Европейской территории России 1,8…2 м и более. На юге она не превышает несколько десятков см. В пределах зоны II температура пород сохраняется постоянной (t°C=const), равной среднегодовой температуре на поверхности земли на глубине до 40 м. В пределах зоны III (до 3000 м) температура горных пород повышается (t°C=ris). Интенсивность этого повышения характеризуется геотермической ступенью (рис.1.3), т. е. расстоянием по вертикали (h2 – h1), на протяжении которого температура повышается на 1˚С: (ti+1+1˚С) – ti. Средняя величина геотермической ступени составляет 33 м. В районах нефтяных месторождений она снижается до 20…28 м; в районах, где сравнительно недавно проявлялась вулканическая деятельность, величина ступени уменьшается до 5…7 м. В этой же III зоне выделяют также геотермический градиент как разность температур (tв– ta) в точках породы по мере изменения их глубины на 100 м (Δh=100 м).   1.2.2. Геотермальная энергетика   Тепловая энергия, хранящаяся в III зоне, используется в России с большой выгодой в практических целях. На Камчатке известно свыше 140 кипящих и фонтанирующих источников. Местные жители давно используют тепло гейзеров (горячих источников вулканического происхождения). Туристам хорошо известна долина гейзеров, которая весной 2007 г. оказалась погребённой оползнем на 70% площади. В августе того же года долина была восстановлена и снова открыта для туристов. Примечательно, что гейзеры пробились сквозь толщу сползших масс грунта, облегчив реставрацию. На Камчатке имеется Паужетская геотермальная электростанция. В санаториях в лечебных целях применяют горячие источники, подогреваемые курящимися вулканами. Теплые подземные воды используются и рыбоводами Камчатки. В Краснодарском крае теплотворная способность горячих подземных вод используется весь год для выращивания овощей и обогрева животноводческих помещений. В Салаватском р-не Башкортостана на склонах горы Янгантау («Горящая гора») выходит горячий воздух, насыщенный водяными парáми. Этот феномен впервые исследовал в 1773 г. П.С. Паллас (1741-1811). Впоследствии многие исследователи выдвинули большое количество гипотез о природе термальных явлений. Установлено, что пары и газы Янгантау имеют ценные целебные свойства, что послужило веским обоснованием создания в 1944 г. бальнеологического курорта «Янгантау», а сама гора с 1965 г. объявлена Памятником природы. За рубежом тепло земной коры также активно используется с давних времён. Ещё в 1350-х гг. в Карловых Варах – городе, зажатом холмами, был основан курорт в результате обнаруженного там гейзера с его лечебными свойствами, к которому примыкают 12 горячих лечебных источников. Температура лечебной воды 41…72 ºС. В 1870-х гг. построена Мельничная колоннада, в которой расположено 11 источников. Она – символ Карловых Вар. Водой горячих родников – гейзеров – отапливается столица Исландии Рейкъявик, в т.ч. с транспортировкой теплоносителя до 70 км. В Италии работает геотермическая электростанция мощностью в 262 тыс. кВт, в т.ч. для тяговой подстанции железнодорожного транспорта в Лардачелло. В Новой Зеландии эксплуатируется станция мощностью 10 тыс. кВт и проектируется её увеличение до 130 тыс. кВт. В Болгарии ( г. Видин) жилые дома отапливаются подземными горячими водами (t=60…100°C). Под Парижем (г. Басин) на глубине 1800 м имеется подземное горячее озеро, вода которого является теплоносителем во многих домах. Таким образом, геотермальная энергетика используется довольно широко в различных странах на урбанизированных территориях. В Германии Технический университет успешно внедряет с 2000-х годов под руководством проф. Р. Катценбаха геотермические основания и фундаменты высотных зданий (Н ≈ 250 м) во Франкфурте-на-Майне (Главная башня, Дом Галилея и др.). При этом буронабивные сваи диаметром 1,5 м, глубиной до 30 м оснащаются специальными теплообменниками для подземной аккумуляции тепловой энергии и возвращения её в здание в зимнее время. Летом же грунтовая околосвайная прохлада подаётся в здание для кондиционирования воздуха. Надёжность системы балансируется между теплофизическими параметрами грунтов, окружающих сваи, и климата по уравнению теплопереноса.   1.2.3. Многолетнемёрзлые грунты        Северо-восточная территория России (севернее 65о широты) представлена многолетнемёрзлыми[4] грунтами, находящимися в мёрзлом состоянии длительное время, т.е. в течение многих тысячелетий, которые летом оттаивают на небольшую глубину (1…3 м). Такие грунты исследованы российскими учёными, в числе которых Н. А. Цытович – основоположник мерзлотоведения, М. И. Сумгин, Ю. К. Зарецкий, И. А. Тютюнов, С. С. Вялов, Г.В. Порхаев, Р.С. Зиангиров и др. Результаты их исследований положены в основу СНиП на проектирование оснований и фундаментов на вечномёрзлых грунтах, а также ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. Многолетнемёрзлые грунты вследствие наличия в них льдо-цементных связей при сохранении отрицательной температуры грунтов являются достаточно прочными природными образованиями. Однако при оттаивании порового льда по мере застройки территорий структурные льдо-цементные связи лавинно разрушаются, грунт переувлажняется талой водой и превращается в разжиженную массу, не способную обеспечить геостойкость построенных зданий, сооружений, как результат проявления тепловой просадки бывших многолетнемёрзлых грунтов. Многолетнемёрзлые грунты, или вечная мерзлота по старой терминологии, образовалась около 0,7 млн. лет назад во времена раннего плейстоцена в процессе похолодания на Земле, вызвавшего надвигание огромных масс льда на сушу из морей и океанов. Затем произошло потепление и оттаивание. Это повторялось периодически, причины которого не выяснены[5]. Площадь распространения многолетнемёрзлых грунтов составляет около 1/4 всей суши земного шара и около 65% площади России. Первая информация о существовании мёрзлых пород появилась в 16 в. Лишь в 19 в. возникла наука – мерзлотоведение, или геокриология, предметом изучения которой является криолитозона – часть земной коры, содержащая мёрзлые и морозные породы. Максимальная мощность многолетнемёрзлых толщ горных пород достигает 1300…1500 м, а отрицательная среднегодовая температура пород на глубинах 10…20 м от -12 до -15оС и ниже. Схематический температурный разрез толщи многолетнемёрзлых пород (грунтов) показан на рис.1.4. Как видно из кривой изменения температуры грунтов по глубине, до глубины h1, соответствующей сезонному протаиванию, температура грунта не остается постоянной. В зависимости от времени года она меняется от положительной до отрицательной. Причём амплитуда температур слоя сезонного промерзания будет тем больше, чем континентальней район области многолетнемёрзлых грунтов. Ниже верхней границы многолетнемёрзлой толщи (глубины, которой достигает максимальное летнее протаивание грунтов) температура горных пород всегда ниже или равна нулю, а изменения её с глубиной, не выходя из области отрицательных температур, распространяются до 10 м и несколько более (с точностью ±0,1оС трицательных температур, распространяются до 10 м и несколько более () постоянной, а в зависимости от времени года меняется от )[6]. Далее, начиная с некоторой глубины, на участке h2 наблюдается постепенное повышение температуры мёрзлой толщи до 0оС. Затем температурная кривая переходит в область положительных температур h3. Следует заметить, что в нижней зоне температурной кривой некоторый слой грунтов  h4 вследствие значительных в нём давлений от массы вышележащей толщи, хотя и имеет отрицательную температуру (не очень низкую), но не будет мёрзлым, т.е. не будет содержать лёд в своих порах как следствие понижения температуры замерзания воды в обжатом состоянии за счёт связанности диполей воды с минеральной поверхностью грунтовых частиц, а также за счёт возникновения эффекта режеляции по Боттомли (самопроизвольный переход льда в воду под значительной сжимающей нагрузкой в обратимом режиме). Этот слой грунтов h4 будет содержать только переохлажденную и незамерзающую при данной отрицательной температуре воду. Расстояние от верхней до нижней границы Н вечномёрзлой толщи и определяет её мощность. На основе мерзлотоведения грунтов, изученного вышеназванными учёными, сформулированы научные методы надёжного строительства зданий и сооружений на многолетнемёрзлых грунтах, а также прикладного использования искусственного замораживания грунтов в строительстве и горном деле, эффективно апробированного в 30…50 гг.20 в. при проходке тоннелей в переувлажнённых грунтах, поскольку ещё не были разработаны новые технические решения (стена в грунте, напрягаемый анкер, струйная цементация).   1.3. Состав земной коры Земная кора представляет собой верхний слой Земли. Нижняя граница коры (подошва) проходит по слою, где проявляется скачкообразное увеличение скорости распространения упругих (сейсмических) волн до 8,2 км/с. Это явление впервые обнаружил хорватский геофизик Áндрия Мохоровичич в 1909 г. на глубине 30 км при землетрясении в Загребе. Этот смежный слой между земной корой (подошвой) и литосферой (кровлей верхней мантии) теперь все геологи называют слоем Мохоровичича, являющего собой фактическую глубину земной коры, которая изменяется в большом диапазоне (0,5…40 км) в зависимости от расположения интересующей точки на поверхности Земли.     Для инженер-геолога земная кора является основной ареной исследований. Именно с её поверхности ведутся поиск грунтовых стройматериалов, инженерно-геологические изыскания для массового строительства, для реализации сложных гидротехнических узлов, протяжённых транспортных комплексов и иных геотехнических объектов, включающих объекты защиты от опасных геологических процессов и явлений.     Земная кора сложена горными породами, которые состоят из минералов и их скоплений. Минералы представлены в специальной науке – минералогии, а горные породы – в петрографии.     Различают два вида горных пород: природного происхождения, обязанные своим возникновением природным процессам в условиях естественного залегания и выветривания; искусственного происхождения, как продукт целенаправленной переработки сырья для получения строительных материалов и изделий с заданными свойствами. Искусственные строительные материалы рассматриваются в курсах строительного материаловедения.   1.3.1. Природные минералы 1.3.1.1. Общие сведения     Минералы формируются в результате геохимических процессов из элементов Периодической системы (1871) Д.И.Менделеева. Основной минералообразующий элемент – кислород. С его содержанием (О2) насчитывается 1364 минерала. На втором месте кремний Si – 430 минералов. Далее в шеренге минералообразующих элементов оказались алюминий Al, железо Fe, кальций Ca, калий K, натрий Na и магний Mg. Именно эти 8 элементов главенствуют в минеральном царстве.     Каждый минерал имеет определённый химический состав, структуру и свои физические свойства (прилож. Б). Иногда в земной коре минералы встречаются в виде самостоятельных скоплений, являя ценные месторождения полезных ископаемых, но чаще входят в состав горных пород. Минералы определяют физико-механические свойства горных пород, поэтому с этой точки зрения представляют наибольший интерес для инженер-строителей.     К настоящему времени в земной коре обнаружено и диагностировано около 2200 минералов.    Большинство из них встречаются редко и лишь немногим более 100 минералов встречаются часто и в достаточно больших количествах, входят в состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими. Помимо природных минералов в промышленных целях создана большая группа искусственных минералов. Часть из них повторяет природные образования, другие вновь созданы, с целенаправленными свойствами и характеристиками, что достигается подбором компонентов сырья и последующей его переработкой. Примером искусственных минералов являются минеральные вяжущие вещества.   1.3.1.2. Генезис и свойства минералов       Каждый минерал имеет характерное внутреннее строение, присущие только ему внешние признаки и выделяется своими свойствами. Всё это обуславливается теми геологическими процессами, в которых рождаются минералы. Каждый минерал может существовать в природе лишь в определённой термодинамической среде. При изменении среды минеральное тело видоизменяется или разрушается.     Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.     Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в её недрах. Минералы формируются из магмы – силикатного огненно-жидкого расплава. Таким путём образуются, например, кварц и различные силикаты. Эндогенные минералы обычно плотные, с большой твёрдостью, стойкие к воде, кислотам, щёлочам.     Экзогенный процесс свойственен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше и в море. В первом случае их создание связано с процессом выветривания, т.е. разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры на эндогенные минералы. Таким образом, образуются вторичные глинистые минералы (гидрослюда, монтмориллонит, каолинит и др.) (рис. 1.5). Главнейшими факторами самопроизвольной литификации глинистых осадков являются дегидратация, цементация и уплотнение. Одновременно формируются структурные связи за счёт молекулярных и электростатических сил. Высока роль клеящей способности коллоидов в повышении прочности осадков в процессе диагенеза (преобразования), на что указывали Н.Я. Денисов и П.А. Ребиндер. Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.). В экзогенном процессе ряд минералов образуется также за счёт жизнедеятельности различных организмов (опал и др.). Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В большинстве случаев они имеют низкую твёрдость, активно взаимодействуют с химреагентами, водой или растворяются в ней.     Метаморфический процесс. Под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды (флюидов) на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование минералов, ранее возникших в эндогенных и  экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность. Так образуются новые минералы-силикаты (кварц, тальк, хлорит).     Структура. Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, в котором атомы расположены в строго опредлённом порядке, создавая пространственную решётку. Благодаря этому многие минералы внешне имеют вид правильных многогранников (кристаллов). Примером могут служить кварц, галит, каолинит и др.     Со строением и конфигурацией пространственной решётки связаны свойства кристаллических тел. Прежде всего минералы обладают однородностью строения, состава и свойств, так как в каждой своей части, вплоть до элементарной ячейки, они имеют одинаковое кристаллическое строение и химический состав. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропные свойства) или разными по различным направлениям (анизотропные свойства).    Аморфные минералы имеют пастообразную массу, по     а) б) Рис. 1.5. Глинистые минералы под электронным микроскопом: а – каолинит; б – монтмориллонит     своим свойствам изотропны и для них характерен рваный излом и отсутствие каких-либо граней, рёбер, углов. Химический состав. Состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показывает количественные соотношения элементов и характер их взаимной связи в пространственной решётке. Многие минералы экзогенного происхождения содержат воду. Молекулярная вода не участвует в строении пространственной решетки и её удаление лишь обезвоживает минерал. Например, после нагревания гипса CaSO4·2H2O остаётся обезвоженный CaSO4, называемый ангидритом. Химически связанная вода в виде ионов ОН входит в пространственную решётку, например глинистых минералов, и её удаление приводит к разрушению минерала. Физические свойства. Каждый минерал имеет определённые физические свойства. Главнейшими из них являются: твёрдость, плотность, пористость, прочность, водопоглощение, морозостойкость, истираемость и др., определяющие долговечность материала изделия. 1.3.1.3. Кристаллохимическая классификация минералов       Значительное обилие минералов к настоящему времени имеет определённую классификацию. Это связано с различными критериями при оценке минералов для решения конкретных геологических задач: 1). Разделение минералов по их количественному содержанию и частоте встречаемости в земной коре – все минералы делятся на две группы: редкие и породообразующие; 2). Генетическая классификация – минералы разделяются по способу образования, при этом учитываются их физические свойства и внешние признаки; 3). Кристаллографическая классификация – за основу принята их внешняя форма; 4). Кристаллохимическая (основная) классификация – в её основе лежат внутренняя структура и химический состав минералов. Эта классификация наиболее полно отражает свойства минералов и условия их образования в природе. Согласно кристаллохимической классификации, все минералы распределяются на 10 основных классов: I – силикаты; II – карбонаты; III – оксиды; IV –гидроксиды; V – сульфиды природные; VI – сульфаты; VII – галоиды; VIII – фосфаты; IX – вольфраматы; X – самородные элементы. Ниже приводится краткое описание этих классов. В вышеупомянутом прилож. Б дана минералогическая характеристика некоторым представителям минералов.   Классы кристаллохимической классификации I. Силикаты – сложные соединения, в состав которых входят Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, O, H и др. элементы, образующие кристаллические решётки с основным элементом в виде кремнийкислородного тетраэдра SiO . Чрезвычайно широко распространены: полевые шпаты, слюда, глины, асбест (хризотил), тальк, гранит, гнейс, базальт, изумруд, топаз, аквамарин и др. Силикаты подразделяются на 10 характерных групп, в числе которых группа амфиболов, включающая хризотил-асбест, расщепляющийся на волокна диаметром 0,0001 мм. Эти волокна канцерогенны и небезопасны в производстве, применении и эксплуатации асбестовых материалов и изделий. Требуются особые меры защиты в производстве, эксплуатации и ликвидации асбоцементных материалов и изделий. II. Карбонаты – соли угольной кислоты. Распространённость очень широкая преимущественно в осадочных скальных породах: кальцит, магнезит, доломит, малахит. Широко используются в строительстве как естественные строительные материалы, добываемые в карьерах[7] и перерабатываемые в щебень, каменную крошку, дроблёный песок и минеральный порошок. Не менее широко карбонаты применяются в заводском производстве искусственных строительных материалов: гидравлические вяжущие вещества (цементы разных типов), наполнители, сухие строительные смеси[8]. Относятся к карстующимся труднорастворимым породам (qsr = 0,07 г/л), что должно учитываться при изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях. III. Оксиды формируются в основном в экзогенном процессе минералообразования. Распространены повсеместно. Включают кварц, корунд, гематит, шпинель. Используются в металлургии, в стекольной и фарфоровой промышленности, а также в оптике, для ювелирных и художественных изделий. Для изготовления пьезоэлектрических датчиков[9], абразивных изделий (точильные круги, наждаки и пр.). IV. Гидроксиды – соединения, содержащие в составе кристаллов молекулы воды, либо гидроксильные группы. Осадочные породы морских водоёмов: опал, лимонит, гётит, гидрогётит. Имеют локальное распространение и используются в составе трепела, опоки, наполнителей, а также для производства краски – железный охры. V. Сульфиды – природные сернистые соединения металлов и некоторых полуметаллов. Обнаружены в магме, в зоне вторичного обогащения, в осадочных породах, а также в метеоритах и образцах, доставленных с Луны. В химическом отношении рассматриваются как соли сероводорода[10], составляющие основу руд цветных и редких металлов в соответствующих месторождениях. Наиболее известны руды металлов: пирит, халькопирит, сфалерит, киноварь, галенит и др. для производства серной кислоты, меди, цинка, ртути, свинца. В поверхностных отложениях земной коры сульфиды и их аналоги с элементами только I и II групп таблицы Д.И. Менделеева (Li, K, Na, Ba) являются растворимыми, а с элементами III … VIII групп  (As, Mo, Bi, Fe) - нерастворимыми. Все эти руды в таких отложениях отличаются неустойчивостью, легко разрушаются и окисляются с переходом в легкорастворимые сульфаты. Неудивительно, что территории, включающие месторождения сульфидов, предрасположены к карстопроявлениям сульфидного типа, что наблюдается на юго-восточной окраине Башкортостана[11]. VI. Сульфаты – соли серной кислоты. Распространённость довольно частая. Относятся к типичным минералам осадочных образований: гипс, ангидрит, барит, мирабилит. Являются основным сырьём для получения воздушного вяжущего (строительного и формовочного гипса, а также ангидритового цемента), включающего добавки (медный купорос, известь, доменный шлак) всего 10…20%. Относятся к легкорастворимым карстующимся породам, требующим более повышенное внимание, чем при наличии в толщах земной коры карбонатных пород. Растворимость сульфатов qsr изменяется в широком диапазоне в зависимости от минерального состава, дисперсности и скважности, составляет qsr = 20…160 г/л > [10 г/л], что в 30…2300 раз больше, чем растворимость карбонатов. VII. Галоиды – составная часть осадочных пород, в т.ч. галит, карналлит, сильвин, сильвинит, флюорит. Используется в пищевой промышленности (галит), в химической промышленности (сильвин), в металлургии, оптике, для получения эмалей и цветных стёкол (флюорит). VIII. Фосфаты – соли метафосфорных кислот, имеющих общую формулу HnPnO3n, где n может принимать значения от 3 до 8. В основном эти кислоты не выделены в свободном состоянии, известны в виде смесей, в водных растворах или в виде соответствующих солей. Распространение ограниченное. Основной представитель –  апатит, разрабатываемый для получения удобрений, фосфора (г. Апатит), в т.ч. для спичечной промышленности. IХ. Вольфраматы – соли вольфрамовой кислоты. Распространённость малая: вольфрамит, шеелит. Вольфрам отличается очень высокой плотностью 19,3 г/см³, тугоплавкостью (3400°С), твёрдостью, износоустойчивостью. Незаменимы в электротехнике, в режущих и буровых инструментах. Оба минерала добываются как руда. Х. Самородные элементы такие, которые в земной коре находятся в свободном чистом состоянии, т.е. не в композиции с другими элементами, «радикалами», водой. Генезис – магматический, гипергенный, метаморфический. Включают металлы (платина, золото, серебро, медь) и металлоиды (алмаз, графит, сера). Одними из первых обнаружены человеком, в т.ч. золото 5000 лет назад. В табл. 2 приведены справочные сведения о минералах.     1.3.2. Горные породы   Представляют собой природные минеральные агрегаты земной коры, имеющие соответствующий химический и минеральный состав, характерную структуру, особенности генезиса и природного залегания. Горные породы чаще всего полиминеральны, но могут состоять и из одного минерала (кварцит, мрамор), не имеют химическую формулу. Состав их компонентов устанавливается валовым химическим анализом в %%. Всего в земной коре зарегистрировано около 1000 видов горных пород. Их подразделяют на три типа: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические.   1.3.2.1.  Магматические  породы   Общие сведения. Магма (от гр. magma – тесто, мéсиво) – расплавленная масса, преимущественно силикатного состава, богатая газами, образующаяся в глубинных зонах Земли и дающая при застывании магматические горные породы. При вулканическом происхождении их называют лава (от ит. lava – извергаемая вулканом расплавленная масса). Температура в момент извержения обычно 100 оС…1300 оС. Магма (лава) изменяется под воздействием слабо изученных сложнейших взаимосвязанных физических, химических, физико-химических процессов. В зависимости от условий, в которых происходит охлаждение и застывание магмы, горные породы делят на интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся). Разновидностями этих пород являются жильные и вулканические. Свойства и отличительные признаки даны в прилож. В. Большинство силикатов имеют ковалентную связь между основными структурными элементами, прочность которой выражается через работу, затрачиваемую для полного их разрыва. Прочность именно ковалентной связи наибольшая и составляет 50…200 ккал/моль. При этом наибольшие значения модуля деформации и наибольшая прочность проявляются у горных пород, имеющих плотную, компактную структуру с высокой ковалентностью связи (дуниты, периодотиты, пироксениты). Кроме того, на высокие прочностные и низкие деформационные параметры влияет устойчивость к выветриванию. Кварц среди силикатов наиболее устойчив к этому фактору воздействия. Одной из наиболее важных характеристик, определяющих свойства магматических пород, являются химический состав, формирующий в значительной мере их облик, и обязательно минеральный состав. При классификации магматических пород по химическому составу используются данные о содержании в них кремнезёма-диоксида кремния — SiO2 (в % по массе). Выделяют породы ультракислого (>75 %), кислого (65-75 %), среднего (55-65 %), основного (45-55 %) и ультраосновного (<45 %) состава, для которых характерны определённые главные породообразующие минералы или их ассоциации.          Таблица 2 – Классы минералов и их типичные представители Класс Количество видов, распростра- нённость Типичные представители Формула химическая № Наименование 1 2 3 4 5 I Силикаты 500 огромная 90% Ортоклаз (полевой шпат) K2O·Al2O3·6SiO2 Каолинит Al4[Si4O10](OH)8 Слюда (мусковит) K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O Асбест (хризотил) Mg6[Si4O11](OH)6·H2O Тальк 3MgO·4SiO2·H2O II Карбонаты 80 широкая 1,7% Кальцит СаСO3 Доломит СаСO3·MgCO3 Магнезит MgCO3 Малахит CuCO3·Cu(OH)2 III Оксиды, диоксиды 200 Широкая 17% Кварц SiO2 Корунд Al2O3 Гематит Fe2O3 Шпинель MgAl3O4 IV Гидроксиды Широкая   Опал SiO2·nH2O Лимонит (бурый железняк) 2Fe2O3·nH2O Гётит[12] a-FeO·OH Гидрогётит12 g-FeO·OH V Сульфиды природные 250 0,25% Пирит (железный колчедан) FeS2 Халькопирит CuFeS2 Сфалерит ZnS Киноварь HgS Галенит PbS   Окончание таблицы 2 VI Сульфаты 260 0,1% Гипс CaSo4·2H2O Ангидрит CaSo4 Барит BaSo4 Мирабилит Na2SO4·10H2O VII Галоиды 100 Галит (каменная соль) NaCl Сильвин KCl Сильвинит NaCl·KCl Флюорит CaF2 VIII Фосфаты 300 1% Апатит Ca5(F,Cl)(PO4)3 IX Вольфраматы Ограниченная 0,007% Вольфрамит (Fe,Mn)WO4 Шеелит CaWO4 X Самородные элементы 50 0,1% Платина Pt Золото Au Серебро Ag Медь Cu Алмаз, Графит C Сера S            Классификация. Классификация магматических пород, кроме деления их на глубинные и излившиеся, основана также на содержании в них кремнезёма в пересчёте на SiO2 (табл. 3). Оценка магматических пород по кремнезёму имеет практическое значение. Так, с уменьшением SiO2 в глубинных породах возрастает плотность, понижается температура плавления, породы лучше поддаются полировке, окраска их становится темнее. Все магматические горные породы, с точки зрения использования их в строительстве, имеют достаточно много общего между собой. Общность физико-механических характеристик, в частности, обусловлена практически у всех магматических пород наличием жёстких кристаллизационных связей между зёрнами минералов, возникающих в процессе формирования породы. Вследствие этого породы имеют высокую прочность, значительно превышающую нагрузки, известные и возможные в инженерно-строительной практике, нерастворимы в воде и практически водонепроницаемы в сохранном виде. Благодаря этому они широко используются в качестве оснований особых, ответственных и уникальных сооружений. Поэтому более 30% всех высоких гидротехнических плотин на Земле построено на магматических горных породах. Таблица 3 - Классификация магматических горных пород по содержанию SiO2 Состав породы Наименование породы Содержание оксида SiO2, % Наименование минерала Глубинная (интрузивная) Излившаяся (аналоги глубинной, эффузивной) Ультракислые (>75) Пегматиты Аляскиты   Кислые (75-65) Кварц, полевые шпаты (чаще ортоклаз), слюды Граниты Кварцевый порфир, липарит, 2,1 г/см3 Средние (65-55) Полевые шпаты (чаще ортоклаз), роговая обманка, биотит Сиениты, 2,62 г/см3 Ортоклазовый порфир, трахит, 2,4 г/см3   Плагиоклазы, роговая обманка, авгит, биотит Диориты, 2,8 г/см3 Порфирит, андезит Основные (55-45) Плагиоклазы (чаще лабрадор), авгит, иногда оливин Габбро, 2,95 г/см3 Диабаз, базальт, 2,85 г/см3 Ультраосновные (менее 45) Авгит Пироксениты -   Оливин, рудные минералы Перидотиты, 3,2 г/см3 -   Оливин, рудные минералы Дуниты -   Свойства и отличительные признаки главнейших магматических пород изложены в прилож. Д. Ниже приводятся показатели плотности ρd интрузивных и древних эффузивных пород. Они, естественно корреспондируются с химическим и минералогическим составом: сиенит – 2,62 г/см3, диорит – 2,8 г/см3,  габбро - 2,95 г/см3, перидотит - 3,2 г/см3, липарит - 2,1 г/см3, диабаз - 2,85 г/см3. Плотность обычно возрастает вместе с уменьшением кислотности породы, т. е. со сменой лёгких минералов относительно более тяжёлыми. Для современных эффузивных пород плотность в большей степени отражает структурно-текстурные особенности, в несколько меньшей степени – химико-минеральные характеристики. Благодаря высоким прочностным и низким деформационным параметрам магматические породы иной раз столь необходимы в строительстве, а последние 50 лет за рубежом используются и для получения кубовидного щебня, без которого невозможно приготовить прогрессивную щебёночно-мастичную асфальтобетонную смесь для дорожных покрытий, отличающихся значительным сроком эксплуатации (до 30 лет) и надёжностью. В Башкортостане в Учалинском р-не впервые в республике создан Сангалыкский диоритовый карьер открытого типа, пущенный в эксплуатацию в 2001 г. (I очередь). Карьер представлен месторождением скальных пород I класса по ГОСТ 25100-05 с кристаллизационными цементационными связями магматического интрузивного генезиса в виде габбро и диорита основного и среднего типов. Около 20% объёма производства составляет кубовидный щебень, столь необходимый для получения щебёночно-мастичного асфальтобетона для покрытия автомобильных дорог в целях обеспечения высокой надежности и долговечности.   1.3.2.2. Осадочные породы   Общие сведения. Слагают самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и метаморфического происхождения. Несмотря на то, что осадочные породы по массе составляют всего 5 % массы земной коры, 75 % земной поверхности покрыто именно этими породами, в связи с чем строительство и производится в основном на осадочных породах. Инженерная геология обоснованно этим породам уделяет наибольшее внимание. Осадочные породы в силу специфических условий образования приобретают ряд особенностей, которые существенно отличают их от магматических и метаморфических пород. Это проявляется в минеральном и химическом составе, структурах, слоистости, пористости, зависимости состава и свойств пород от климата, в содержании органических остатков. В прилож. Г дано описание осадочных и вулканогенно-осадочных пород. В образовании осадочных пород, кроме минералов, из которых формировался рыхлый осадок (кварц, полевые шпаты др.), принимают участие минералы, возникающие в данной породе в процессе её существования (кальцит, доломит и др.). Во многих случаях они играют существенную роль. Осадочные породы разнообразны по химическому составу. Это могут быть растворимые породы (карбонаты, сульфаты, сульфиды, галоиды, мергели, гажа и др.). Большая группа нерастворимых пород представлена глинистыми грунтами (каолинит, гидрослюда и монтмориллонит – основные представители из 50 разновидностей). Обычно определяют валовый химический состав. В наших исследованиях для одной из глинистых проб получено: SiO2=64,98%, Al2O3=15,42<[20%], п.п.п.=5,87<[9,0%], соотношение SiO2:R2O3=6,14, т. е. в пределах [3,2<6,14<8,0], что характеризует глину как монтмориллонитовую (рис. 1.5). В то же время содержание в пробе К2О=1,7% свидетельствует о примеси гидрослюды, а наличие СаО=1,69%>[0,79%],=Na2O исключает морозное пучение глины, что и наблюдалось впоследствии на экспериментальном полигоне БашНИИстроя. Слоистость. Осадочные породы залегают послойно по мере периодического накопления осадков в водной и воздушной средах. В составе слоя может быть микрослоистость, отражающая осадконакопление в различные времена года, характерна для озёрных и речных отложений. В слое горной породы могут быть также тонкие слои других пород. Их называют прослоями. Например, в слое песка может быть тонкий прослой глины, ила. При резком различии слоёв по составу, например слой глины лежит на слое известняка, более или менее постоянной мощности и сравнительно большой занимаемой площади слои называют пластами. В таких случаях пласты обычно ограничены по глубине поверхностями, которые называют плоскостями напластования, в т.ч. верхнюю плоскость называют - кровля, нижнюю - ложе, а пространство между ними - мощностью пласта. Наибольшей мощностью пластов обладают морские отложения (до сотен и даже тысяч метров). Континентальные образования четвертичной системы, залегающие непосредственно под слоем почвы, имеют, как правило, относительно небольшую мощность (10 - 50 м). Комплекс слоёв, объединённых сходством состава или возраста, или один слой, но значительной мощности, нередко называют толщей. Слои (толщи) образуются в процессе накопления отложений в морях, озёрах, долинах рек и т. д. Это обуславливает образование слоёв различной формы как по размеру в плане, так и по очертаниям по вертикали. Наиболее обычным является нормальный согласованный слой, для которого характерна сравнительно большая мощность и протяжённость, параллельность кровли подошве. Для континентальных отложений характерны также линзы - слои, занимающие малые площади с выклиниванием мощности к краям слоя, что иногда приводит к неравномерным деформациям основания сооружения (рис. 1.6). Слоистость залегания пород приводит к анизотропности прочностных (удельное сцепление с, угол внутреннего трения φ) и деформационных свойств (модуль общей деформации Е) грунтов. Поэтому при лабораторных анализах необходимо сохранять бывшее природное пространственное положение пробы грунта, обозначенное в момент её отбора из выработки (шурфа, буровой скважины). Климатические условия влияют на состав и свойства осадочных пород. В пустынях образуются породы обломочного характера. В замкнутых бассейнах накапливаются отложения солей, гумуса и создаётся среда с соответствующим значением рН, что имеет решающее значение при химическом выветривании. Например, определяющая роль в формировании глинистых осадков принадлежит физико-химическим условиям среды (рН, природа и концентрация катионов, соотношение количества кремнезёма и глинозёма). В кислых озёрах (рН<5) в гидротермальных условиях возникают каолинит, в щёлочной среде (рН<9) – монтмориллонит, иллит. Остатки растений и останки живых организмов практически всегда присутствуют в осадочных породах, информация о которых используется в геохронологии. Классификация. Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: обломочные, химического происхождения (хемогенные) и органогенные, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. Это деление несколько условно, т. к. многие породы имеют смешанное происхождение и неоднородный состав компонентов. Классификация обломочных и тонкодисперсных осадочных пород включает огромный спектр с размахом в 7 порядков. По гранулометрическому составу от камней (> 200мм) до глинистых частиц (< 0,001), что обеспечивается всеми факторами выветривания и осадконакопления (табл. 4).   Таблица 4 – Классификация обломочных и тонкодисперсных осадочных пород Размер зёрен, частиц d, мм Обломки, частицы Обломочные и тонкие породы Наименование по ГОСТ 25100-95 Угловатые, дроблённые Окатанные, речные Естественного сложения Сцементированные из обломков и частиц угловатые окатанные   >200     Глыбы   Валуны   Грубо-обломочные   Брекчии   Конгломераты   Валунный (глыбовый)   10…200 Щебень Галька - -   Галечниковый (щебенистый) 2...40 Дресва Гравий       Гравийный (дресвяный) 0,05…2 Песчаные Песчаные   Песчаники Песчаный 0,001…0.005 Пылеватые Пылеватые   Алевролиты Пылеватый <0,001 Глинистые Глинистые   Аргиллиты Глинистый   Структурные связи. Осадочные породы имеют различные структурные связи между составляющими компонентами. Коллоидные связи предопределяются силами молекулярного и электростатического притяжения непосредственно как между самими частицами, так и между частицами и молекулами воды, содержащейся в породе. Эти связи могут быть достаточно прочными при минимальном количестве свободной воды. Если же частицы окружены гидратными оболочками, то связи превращаются в водноколлоидные, менее прочные, а сама порода переходит в пластичное состояние с приобретением связности. Этот процесс обратимый, регулируемый в нужном направлении изменением количества воды. К связным грунтам причисляют различные глины, суглинки, супеси, лёссы и лёссовидные породы, сформировавшиеся в процессе глубокого физического и химического выветривания. Пески и обломочные породы не могут иметь аналогичных связным грунтам связи между частицами. Эти субстанции живут своей жизнью, благодаря иным поверхностным свойствам и потенциальным возможностям самих минералов. Жёсткие связи обеспечивают цементацию осадочной породы несвязного типа за счёт веществ, выделяющихся из циркулирующих водных растворов. Кроме того, в них могут выпадать из пересыщенных растворов в осадок гипс, кальцит, кремнекислота, гидроксиды железа и др. соли. При этом возникает монолитность породы из некогда дисперсной системы с образованием жестких кристаллизационных связей между частицами с превращением её в конгломерат, брекчию, песчаник. Это происходит в зоне цементации, располагаемой в земной коре на некоторой глубине ниже зоны выветривания. Песчано-пылеватые и глинистые породы претерпевают уплотнение, повышение температуры и кристаллизацию коллоидов с превращением их в аргиллиты и алевролиты в платформенных и в складчатых областях в виде прослоек в толще песчаных или песчано-карбонатных пород. Аргиллиты и алевролиты практически всегда неморозостойкие, не выдерживают механического перемятия и размягчения, а также резких температурных колебаний и возникающих в связи с этим напряжений. Породы выветриваются исключительно быстро, чему способствует слоистая текстура, которая иногда еще усугубляется наличием слюдистых включений. Многие образцы, извлечённые из скважин на поверхность, рассыпаются в труху, размокают в воде в течение первых суток, а при резких сменах температуры окружающего воздуха и ещё быстрее – «на глазах» - в течение нескольких часов. Установлено также, что глинистые алевролиты по сравнению с песчаными обладают меньшей плотностью и соответственно большей пористостью. Наличие алевролитов и аргиллитов как слабых прослоев в массивах (слоистых толщах) терригенных пород существенно осложняет общую инженерно-геологическую обстановку, затрудняет проведение инженерных изысканий, требует длительного изучения слоистой толщи, в общем, отрицательно сказывается на инженерно-геологической их оценке в качестве оснований промышленно-гражданских зданий. Не пригодны для использования в качестве материала грунтовых сооружений, особенно полотна (тела) автомобильной дороги.     Карбонаты     Карбонатные известково-магнезиальные породы – наиболее распространённые осадочные образования. Они представлены главным образом различными известняками, доломитами и породами промежуточного характера. Относятся к II классу минералов (табл.2) по кристаллохимической классификации. Известняки – породы, весьма широко распространённые в земной коре. Их происхождение связано с химическими осадками и процессами органогенных образований, т.е. они имеют в основном двойное происхождение. В состав их входят минералы кальцит и доломит. В качестве примесей могут присутствовать магнезит, кварц, глинистые минералы, сидерит, пирит и многие др., от содержания которых известняки подразделяют на доломитизированные, кремнистые, глинистые, железистые и т.д. Окраска известняков различна: серая, белая, желтоватая и обусловлена примесями. По характеру сложения все известняки бывают землистыми, ракушечниками, плотными и мраморовидными. В зависимости от условий генезиса их разделяют на четыре типа: 1) органогенные (скопления останков организмов); 2) химического происхождения (осаждение карбонатов из водных растворов); 3) обломочные (обломки известняков, сцементированные зернистым кальцитом в виде мергелей и доломитов); 4) смешанного происхождения. Они встречаются практически в составе всех стратиграфических систем, например среди нижнепалеозойских отложений Сибирской платформы, в среднем и верхнем палеозое Русской платформы, в башкирском ярусе карбона. Девонская система представлена терригенно-карбонатными и карбонатными породами, общая мощность которых меняется от 130 до 800 м. Карбонатные породы представляют большой интерес для строительного комплекса и обеспечивают его значительные потребности в камне, щебне, минеральном порошке, используются в качестве наполнителя для соответствующих классов тяжёлых бетонов, для асфальтобетонных смесей, а также в качестве сырья при производстве строительных материалов, включая сухие строительные смеси. Эти же породы относятся к растворимым, предрасположенным к карсту (по назв. плато Красс (Kras) в Словении), опасному явлению, которое является предметом инженерно-строительной карстологии – новой прикладной науки. Наиболее прочными являются массивные мелкозернистые перекристаллизованные окварцованные известняки. Прочность Rc на одноосное сжатие в воздушно-сухом состоянии изменяется в очень прочных пределах 100 – 240 МПа. В некоторых случаях после испытаний на морозостойкость она снижается до прочного предела 70 МПа, что, главным образом, объясняется их микротрещинностью, существенно нарушающей внутреннюю структуру породы. Кристаллические известняки разнообразны по структуре: от мелкозернистых до крупнозернистых и даже брекчиевидных . Наиболее прочными, при оценке известняков по структуре, являются мелкозернистые образцы (их прочность Rc достигает 100 МПа). Прочность крупнозернистых известняков меняется в диапазоне прочных и очень прочных значений (75-250 МПа) и зависит как от структуры породы, так и от её микротрещинности, которая имеет литогенетическое и тектоническое происхождение. Немалую отрицательную роль здесь играют микротрещины выветривания. Доломиты наряду с известняками являются широко распространёнными породами карбонатного комплекса. Обычно это мелко- или среднекристаллические породы, гораздо реже встречаются крупнозернистые и брекчиевидные представители. Основным признаком, определяющим физико-механические свойства доломитов, является их микротрещиноватость. Немаловажную роль в формировании свойств играет и состав доломитов. Так, известковистые доломиты имеют прочность при Rc= 80 МПа, а глинистые показывают среднюю прочность – 60 МПа, тогда как чистые образцы пород, т.е. без примесей всегда дают прочность Rc намного больше, чем 100 МПа, т.е. относятся к прочным разновидностям (ГОСТ 25100-95).     Мергель К карбонатным породам относится мергель. Это известково-глинистая смесь, в которой глинистые частицы сцементированы карбонатным материалом. Распределение глинистого и карбонатного веществ чаще всего равномерное. Обычно под мергелем понимают такую породу, в которой содержание кальцита СаСО3  колеблется в пределах 25-30 %. При бόльшем содержании СаСО3 породу называют мергелистый известняк, при меньшем – глинистый мергель. Мергели во влажной среде предрасположены к выщелачиванию - растворению и выносу подземными водами карбонатных фракций. Этот процесс называется кластокарстом, небезобидным для земляных (грунтовых) сооружений. Разновидностью мергеля является гажа – рыхлая рассыпчатая масса из кальцита и глинисто-илистых отложений. Мергель способен иногда набухать благодаря содержащемуся в нём глинистому (монтмориллонитовому) веществу, при этом все мелкие трещины и капилляры, по которым возможна циркуляция воды, тампонируется и тем самым прекращается фильтрация воды сквозь мергелистые толщи. Набухание мергелей, равно как и кластокарст зависит явным образом от соотношения в породе и дисперсности карбонатной и глинистой составляющих. Физико-механические свойства мергелей в связи с содержанием карбонатов и степенью их дисперсности‚ варьируются в очень широком диапазоне изменения. На природных склонах и откосах искусственных (временных) выемок мергели быстро выветриваются, разрушаются, формируя весьма подвижные плитчатые осыпи, обвалы, называемые коллювием. Свойства мергеля должны быть тщательно и всесторонне выявлены при любом виде строительства. Наибольшая осмотрительность нужна при использовании их, например, в автомобильных дорогах в качестве дорожного полотна, в грунтовых плотинах и др. При этом должны быть приняты упреждающие меры против проявления набухания либо переувлажнения дорожного полотна, кластокарста, разрушения откосов, активизации оползневых процессов и др. негативных проявлений. Немаловажной особенностью мергелей, обусловленной уникальностью их состава (карбонаты + глина), является (практически без дополнительного обогащения) возможность использования их в качестве природного сырья для производства цемента – гидравлического вяжущего.   Сульфаты Сульфатные породы     (VI класс минералов, табл. 2) присутствуют в виде линз, прослоев в доломитовых толщах или в лагунно-континентальных терригенных отложениях. Гипс, как типичный представитель легкорастворимых сульфатных полускальных отложений, часто встречается вместе с ангидритом. Ангидрит (СаSO4) в соприкосновении c водой активно гидратируется и переходит в гипс (СаSO4×2H2O). Этот переход сопровождается значительным увеличением объёма, с которым, в свою очередь, часто связаны деформации гипсовых толщ и соответственно они сказываются и на работе этих отложений в качестве оснований сооружений. В целом сульфатные породы предрасположены к проявлению интенсивного карстово-суффозионного процесса, зарегистрированного как опасного во многих регионах России, в т. ч. в Башкирии. Это обстоятельство следует учитывать прежде всего в инженерно-строительной практике освоения таких территорий и эксплуатации зданий и сооружений, не допуская деформаций их оснований карстопроявлениями. Для этого необходимы зонирование территории по категориям карстоопасности, прогнозирование поведения зданий и сооружений и упреждающая противокарстовая защита от аномального поведения фундаментов при карстопроявлении в их основаниях. К сульфатным породам относится гипс землистый – рыхлая рассыпчатая порошкообразная масса, состоящая из гипса, глины и песка. При строительстве на таких породах тоже наблюдаются деформации оснований, что объясняется кластокарстом. В качестве материала грунтовых сооружений гипс землистый не пригоден.   Галоиды   Галоидные породы весьма разнообразны и широко представлены в земной коре (VII класс минералов, табл. 2). Соляные месторождения достигают громадной мощности и используются как сырьё для пищевых целей и химической промышленности (г. Соль-Илецк, г. Соликамск и др.). Скорость карстовых подземных и поверхностных проявлений самая высокая из всех карстующихся пород в связи с их огромной растворимостью (357 г/л) в воде. В Башкортостане этот тип карста не характерен. В табл. 5 представлена классификация вышеупомянутых растворимых горных пород, скорреспондированная с ГОСТ 25100-95. Приведена характеристика этих пород и область применения в строительстве.     Лёсс     Лёссовые породы относятся к числу очень распространённых пород, которые встречаются на всех континентах, но особенно широко в Европе, Азии и Америке. Они лежат почти сплошным покровом значительной мощности на юге Европейской части России, широко распространены в Западной Сибири, слагают значительные массивы в Якутии и многих др. районах. В Башкирии встречаются лёссовидные суглинки, либо псевдолёссы с утраченными свойствами, как следствие повышенной природной влажности (Sr>0,8). В природных условиях лёссовые породы отличаются тем, что частицы в них находятся в агрегированном состоянии. Высокая истинная дисперсность, выраженная в преимущественном преобладании пылеватых частиц, сильная агрегированность глинистых и коллоидных частиц, наличие водорастворимых солей, кальцита в значительных количествах создают благоприятные условия для развития в лёссовых породах при замачивании водой просадочных явлений, которые во многом являются своего рода отличительной чертой лёссовых пород в инженерно-геологическом отношении. Одним из наиболее характерных признаков лёссовых пород является их низкая водоустойчивость. Она выражается в их быстром размокании и значительной размываемости, благодаря наличию растворимых солей, что часто фактически определяет просадки и оврагообразование в лёссовых толщах. Сжимаемость лёссовых пород изменяется в широких пределах (модуль общей деформации варьируется в диапазоне 2 … 52 МПа). Лёссы и лёссовидные грунты, имеющие небольшую естественную влажность, обладают незначительной сжимаемостью. Увеличение влажности, а тем более насыщение пород водой резко снижают их сопротивление сжатию. Просадочность – типичное свойство лёссовых пород. Она выражается в способности лёссов при повышении влажности выше определённого уровня проявлять так называемую просадку от внешней нагрузки (фундамента) и (или) собственной массы грунта. Возникают значительные (аварийные) деформации зданий (сооружений) на лёссовом основании, если не были предусмотрены специальные мероприятия по обеспечению прочности и эксплуатационной пригодности (гг. Волгодонск, Никополь, Грозный, Ростов-на-Дону, Одесса, Элиста и др.). Грунтовые условия площадок, сложенных просадочными грунтами, в зависимости от возможности проявления просадки грунтов от собственной массы подразделяются на два типа: I тип - грунтовые условия, в которых возможна в основном просадка грунтов от внешней нагрузки, а просадка грунтов от собственной массы отсутствует или не превышает 5 см; II тип — грунтовые условия, в которых помимо просадки грунтов от внешней нагрузки возможна их просадка от собственной массы и размер её превышает 5 см.     1.3.2.3. Метаморфические породы     На земной поверхности активно действует процесс выветривания (разрушение горных пород и строительных материалов). Под поясом выветривания располагается пояс цементации, где рыхлые осадочные породы уплотняются и цементируются природными цементами. Ниже этой зоны, примерно с глубины 1 км, простирается зона метаморфизма (рис. 1.7). В зоне метаморфизма все горные породы - магматические и осадочные - подвергаются воздействию факторов метаморфизма - высокой температуры, давления, флюидов – жидких, текучих химически активных веществ (магматических газов, растворов) - и претерпевают существенные изменения. Из них рождаются принципиально новые породы - метаморфические, которые имеют свои минеральный состав, структуру, текстуру, свойства (прилож. Д). Разнообразие метаморфических пород, с одной стороны, связано с составом исходного материала, а с другой - с действием различных факторов метаморфизма. К числу основных побудительных причин метаморфизма относятся высокие давление и температура, а также действие флюидов – магматических газов и водных растворов. В зависимости от преобладающих факторов в зоне метаморфизма выделяются два основных типа метаморфизма: 1) контактовый; 2) динамометаморфизм. Контактовый метаморфизм. Этот процесс развивается на контакте внедрившейся расплавленной магмы с вмещающими её горными породами. Последние, подвергаясь воздействию высокой температуры (850°С и более) и флюидов (газообразных компонентов и горячих растворов), претерпевают ряд изменений. Формируется новый химический и минералогический состав. Из известняков образуются новые породы - скарны, а из глин - роговики. Если породы преобразуются исключительно под действием высокой температуры, что возможно в известной близости к магматическим очагам, процесс носит название пирометаморфизма. В процессе контактового метаморфизма, особенно пирометаморфизма, могут возникать породы зернистого типа: мраморы и кварциты. Динамометаморфизм. Это преобразование исходных пород, происходящее под действием высокого давления, которое возникает при процессах горообразований или же в силу давления вышележащих многокилометровых толщ осадочных пород, образующихся при опускании земной поверхности. При таком метаморфизме происходит распад первичных минералов, образуются новые метаморфические породы со своей характерной сланцеватой структурой (текстурой) и новыми минералами, для которых характерны удлинённая форма кристаллов (роговая обманка) и чешуйчатые очертания (хлорит, биотит, мусковит, тальк). Толщи земной коры, где в процессе метаморфизма господствуют одновременно большие давления и температуры, получили наименование области регионального метаморфизма. Он проявляется на больших площадях и особенно интенсивно протекает с глубины 6-8 км. Приводим некоторые значения давлений в зоне метаморфизма: на глубине 5 км - 100 МПа, 10 км -280 МПа, 25 км — 500 МПа. С глубиной растёт и температура. Предполагают, что на глубине 15 км - 300оС, 30 км - до 600оС. В области динамометаморфизма степень преобразования исходных пород в те или иные метаморфические породы зависит от интенсивности процесса.   Подзоны метаморфизма В земной коре зона метаморфизма по глубине подразделяется на три подзоны: эпи-, мезо- и катаподзона, где последняя является аналогом области регионального метаморфизма и имеет самую высокую степень воздействия факторов метаморфизма на исходные породы (табл. 6). Эпиподзоне соответствует начальная степень метаморфизма. Изменение исходных пород слабое, структура их может сохраниться. Для этой зоны характерны минералы типа хлорита, талька, кварца. Типичными породами являются филлит, хлоритовый и тальковый сланцы. В мезоподзоне степень метаморфизма более интенсивна. Давление одностороннее, породы имеют сланцевый облик. В этой зоне особо устойчивы роговая обманка, кварц и слюды. Катаподзона представляет собой зону наиболее интенсивных давлений и высоких температур. К числу характерных минералов относятся кварц,  основные плагиоклазы, микроклин, пироксены и др. Типичной горной породой этой зоны является гнейс. В табл. 6 показана также и другая зависимость – тип метаморфизованной породы зависит от состава исходной породы. Так, если это был песок, то в процессе метаморфизма он превратится в кварцит, а если это известняк, то образуется мрамор. Магматические породы прессуются в гнейсы.   Таблица 6 - Примеры изменения с глубиной процесса динамометаморфизма   Толща осадочных пород Пояс выветривания Песок Глина Известняк Гранит Пояс цементации Песчаник Глинистый сланец Полукристаллический известняк - Зона метамор-физма Эпиподзона Кварцит Филлит Мелкозернистый мрамор - Мезо-подзона Сланцевый кварцит Слюдистый сланец Среднезернистый мрамор - Катаподзона (региональный метаморфизм) Перекристаллизованный кварцит Гнейс Крупнозернистый мрамор Гнейс   В дальнейшем уже метаморфизованные породы под действием очень медленных горообразовательных движений могут быть подняты в верхние части земной коры и обнажены в процессе размыва поверхности проточными водами. При метаморфизме рыхлые породы переходят в прочные, так называемые скальные породы. В силу этого их строительные качества улучшаются. Они приобретают водоустойчивость, повышается их плотность и прочность, уменьшается сжимаемость, увеличивается морозостойкость. Форма залегания и признаки метаморфизма. Метаморфические породы унаследуют форму залегания горных пород, из которых они образовались. Если это были осадочные породы, то метаморфические породы слоисты, а если это магматические породы, то сохраняются их прежние формы залегания – жилы, лакколиты. Характерная черта сланцев – вторичная сланцеватость (кливаж). Своеобразна форма залегания пород контактового метаморфизма. Обычно это зоны, окружающие магматические интрузивные тела.         Метаморфические породы в большинстве случаев имеют ярко выраженную кристаллическую структуру. В зависимости от степени метаморфизма в породе в той или иной мере сохраняется структура исходной породы. Для массивных пород характерна зернистая структура. Кварциты чаще всего имеют мелкозернистую структуру, при которой зёрна кварца, «обросшие» кварцевой массой, склеиваются между собой. Мраморам свойственны полнокристаллические мелко- и среднезернистые структуры. Сланцеватые породы имеют сланцеватые кристаллические структуры, где все кристаллы минералов (гнейс, сланцы) имеют вытянутую (либо чешуйчатую) форму. Текстура метаморфических зернистых пород в целом довольно однообразна, характерная для массивных пород и сохраняет зернистость. Однако текстуры сланцеватых пород более разнообразны: полосчатые, линзовидные и др. Это связано с параллельным (или каким-либо другим видом чередования) размещением тёмных и светлых минералов в породах. Развитие сланцевой текстуры породы придаёт ей способность раскалываться на отдельные плитки, т.е. они весьма анизотропны. Таким образом, метаморфические породы различаются по структурно-текстурным признакам и минеральному составу. Среди них выделяют два типа пород: массивные (зернистые) – кварцит и мрамор; сланцеватые – гнейс, различные сланцы (филлиты, слюдяные, тальковые и др.). Мрамор. Известняк, магнезит, а иногда и доломит во всех зонах метаморфизма претерпевают перекристаллизацию и превращаются в мрамор. Окраска мрамора разнообразна – белая, розовая, серая, голубая и зависит от примесей. Характерна неоднородность окраски этих пород. Имеют примеси кварца, полевых шпатов, оливина и др. минералов. Структура мрамора зернистая. По размеру зёрен эти породы подразделяются на мелко-, средне- и крупнозернистые. Плотность высокая 2,6…2,8 г/см3. Прочность Rс на одноосное сжатие достигает 100…120 МПа. Долговечность – до 100 лет. Коэффициент истираемости в машине Лос-Анжелеса (в полочном барабане) Kfr=0,25 д.е., т.е. указывает на среднюю прочность. Мраморы сравнительно легко выветриваются, особенно при воздействии на них воды и сернистых газов. Легко поддаются обработке и хорошо полируются. Признаны как отделочные породы. Для покрытия полов, ступеней не рекомендуется, не считая мраморобетон, из-за проблем с истираемостью. Кварциты. Кварцевые песчаники в процессе динамометаморфизма переходят в кварциты. Розовые, серые, желтоватые. Кварцит состоит из кварца с примесью слюды, хлорита и некоторых др. минералов. Разновидность этих пород – железистые кварциты, представляющие собой тонкослойные породы, состоящие из магнетита, гематита и кварца. Кварцит мелко- и среднезернист. Сланцеватые разновидности носят название кварцитовых сланцев. Плотность 2,8…3,0 г/см3. Прочность Rс на сжатие 120…250 МПа. Обладает высокой твёрдостью, кислото- и щёлочестойкостью. Обрабатывается с трудом. Хрупок. Отличается пониженной адгезией к минеральным вяжущим материалам. Даёт красивую полированную поверхность. Долговечность – до 500 лет. Коэффициент истираемости в машине Лос-Анжелеса (в полочном барабане) Kfr<0,1 д.е., т.е. характерен для очень прочных пород. Кварцит – хороший строительный и облицовочный материал. Применяется в качестве абразивов, кислотоупорного и штучного камня, в производстве огнеупорного динаса. Железистые кварциты являются железной рудой.     1.3.3. Антропогенные образования     Антропогенные образования входят в IV класс техногенных грунтов (скальных, дисперсных и мёрзлых) в соответствии с ГОСТ 25100-95. Они включают отходы производственной и хозяйственной деятельности в виде бытовых и промышленных отходов (строительные отходы, шлаки, шламы, золы, золошлаки и др.). Для строительных целей наибольший интерес представляют отходы горно-обогатительных фабрик, горнодобывающих предприятий и отсевы предприятий стройиндустрии, общие свойства которых унаследованы от исходных горных пород и горного сырья. Отличаются разнообразием зернового и минералогического состава. Возможность использования вышеназванных антропогенных напластований в качестве сырьевой базы для новых производств, для строительных и архитектурно-планировочных целей должна решаться по материалам репрезентативных исследований по особым программам с повышенной осмотрительностью. В Башкирии, как в целом в России, имеются отвалы и шламбассейны, в которых скопилось огромное количество отходов промпредприятий за много лет. Например, Мелеузовский з-д минудобрений накопил около 15 млн. т отходов в виде фосфогипса при ежегодном их образовании около 800 тыс. т. В Стерлитамаке значительные по площади территории отведены для сброса отходов содового производства в шламбассейны, в так называемые «белые» моря. Попытки различных местных и столичных НИИ по утилизации этих отходов дали некоторые признаки положительного решения проблемы. Однако пастообразные, жидкие отходы не стабильны по составу, часто имеют вредные компоненты, хлопотны в извлечении из шламбассейнов, энергоёмки в переработке, что переводит их в разряд экономически нецелесообразных и технически ненадёжных. За рубежом производство ориентировано на нулевые отходы усилиями самого предприятия, т.е. по режиму “zero waste” (нулевые отходы).   1.4. Геологическая хронология земной коры История развития земной коры подтверждается геологическими «документами» в виде толщ осадочных пород, которые характером своих наслоений, останками ископаемых организмов свидетельствуют о больших и малых этапах своего развития. Она начинается с определения геологического возраста горных пород, который бывает абсолютным и относительным. Краткая характеристика геохронологических событий на Земле приведена в прилож. Е.   1.4.1. Абсолютный возраст Абсолютный возраст горных пород выражается в годах. Для определения такого возраста используются методы оценки радиоактивных превращений. Радиоактивные элементы присутствуют во всех горных породах земной коры. Их количество исчисляется десятитысячными долями процента. Процесс превращений происходит в направлении образования одних химических элементов из других, например свинца из урана, аргона из калия. Для каждого элемента этот процесс происходит с определённой скоростью. Зная количество исходного элемента и количество конечного продукта превращения, можно установить, сколько же лет горной породе, которая их содержит. В настоящее время используют несколько элементов: свинец, гелий, уран, аргон, углерод и др. На  примерах поясним свинцовый и углеродный методы. Свинцовый метод – уран с атомной массой 235, распадаясь, образует изотоп свинца с атомной массой 207. Этот процесс длиться 891 млн. лет. Зная, какое количество свинца образуется из 1 г урана в год, и определяя их совместное содержание в породе (минерале), можно вычислить её (его) абсолютный возраст. Углеродный метод – подсчёт количества радиоактивного (14С) и нерадиоактивного (12С) углеродов. Их соотношение в живом организме постоянное. После отмирания организма в костных останках радиоактивный углерод начинает разрушаться, и через 5560 лет его остаётся половина от первоначального количества. Термин «абсолютный» применяется условно, т. к. каждая из полученных цифр не «абсолютна» и нередко отличается в первом приближении (с минимальной ошибкой ± 5%). 1.4.2. Относительный возраст Относительный возраст горных пород используется при поиске и разведке полезных ископаемых, грунтовых и местных строительных материалов, а также при использовании метода аналогий для оценки строительных свойств горных пород. Основной принцип определения относительного возраста исходит из освидетельствования какого-либо обнажения при ненарушенном залегании слоёв осадочных пород. Нижележащие будут более древними по отношению к вышележащим. Для определения относительного возраста используются два метода: стратиграфический и палеонтологический. Стратиграфический метод заключается в изучении взаиморазмещения слоёв осадочных пород и установлении последовательности их образования во времени, что было предложено датчанином Н. Стеноном [1638-1686] в 1669 г. Со стенонова принципа: «Слой, лежащий выше, образовался позже слоя, лежащего ниже», - берёт своё начало наука стратиграфия (от лат. stratum – «слой» и греч. «графо» - «пишу») - одна из основных отраслей геологии, которая изучает последовательность образования слоёв горных пород и закономерности их размещения. Один за другим накапливаются в морях, реках и понижениях суши слои осадочных пород. Временами их прорывают выходящие из земных недр потоки магмы, которые в свою очередь покрываются новыми слоями. Эти застывшие магматические образования будут моложе тех, которых они прорывают, и древнее покрывающих их слоёв осадочных пород. На месте морей возникают горы. Продукты их разрушения накапливаются слой за слоем в понижениях рельефа. Этим методом можно определить относительный возраст пород только на одном участке и практически невозможно сопоставить возраст пород на различных разноудалённых участках земной коры. Стратиграфический метод нагляден для слоёв в первичном (горизонтальном) залегании. Слои, смятые в складки, разорванные или перемещённые между собой очень затрудняют применение этого метода. Палеонтологический метод наиболее надёжен и даёт возможность определить относительный возраст горных пород в любом их залегании, как в горизонтальном, так и в виде складок, независимо от места расположения. Впервые палеонтологический метод для расчленения и сопоставления осадочных отложений применил при составлении геологических карт англичанин Уильям Смит [1769-1839]. Он заметил, что слои, залегающие в разрезе один на другом, содержат различные ископаемые остатки, а выходящие на поверхность в разных местах могут содержать одинаковые виды и, таким образом, могут быть взаимно сопоставлены даже в тех случаях, когда не прослеживаются непосредственно и различаются по составу пород. Ископаемые из слоёв, лежащих ниже, - древнее, а из верхних слоёв – моложе.  Существенный вклад в развитие палеонтологии внёс немецкий учёный, поэт, строитель дорог, естествоиспытатель И.В. Гёте [1749-1832], который в течение 50 лет коллекционировал остатки растений и останки организмов. В систематизированном виде 18 тыс. образцов оказались бесценным вкладом в палеонтологию. Всё это, а так же литературное, научное, производственное наследие хранится в Национальном музее И.В. Гёте, который размещён в доме, где он прожил свои последние 50 лет жизни (1782-1832) в г. Веймар. В дальнейшем естественно-научное объяснение изменений, происходящих в живой природе, дала эволюционная теория Чарлза Дарвина [1809-1888], основанная в т. ч. и на материалах предшественника И.В. Гёте. Строгое теоретическое обоснование палеонтологического метода было сформулировано лишь в 20-х гг. 20 в. бельгийским палеонтологом Луи Долло (1857-1931) в виде одного из главных законов палеонтологии – закона необратимости эволюции. Он гласит: «Организм, однажды возникнув, никогда не возвратиться к строению своего предка, даже если он попадёт в условия, полностью соответствующие условиям существования предка». Это означает, что процесс эволюции, как и время, идёт всегда только в одном направлении и для любого отрезка времени можно найти организмы, которых не было ни раньше, ни позже. Так изучение древней жизни стало служить мерилом прошлых времён – геологическими часами (прилож. Е). В палеонтологию большой вклад внесли российские исследователи: К. Ф. Рулье, В. О. Ковалевский, А. П. Карпинский, А. П. Павлов, Д. В. Обручев, Л. С. Берг и др.     1.4.3. Общая геохронологическая шкала   Успехи в изучении ископаемых в первой четверти 19 в. привели к колоссальному прогрессу в геологии, стали «золотым веком» стратиграфии. Именно тогда история Земли была разделена на эры, системы (периоды), эпохи, векá, совокупность которых составила геохронологическую шкалу – шкалу геологического времени (табл. 7). Основу её составляют выявленные учёными – палеонтологами вышеназванные этапы развития жизни на Земле. Толщи горных пород, соответствующие этим геохронологическим градациям, называются соответственно эратемами, системами, отделами и ярусами. Это есть сущность стратиграфической шкалы – шкалы последовательности образования горных пород. Границы подразделения характеризуются изменениями в общем облике жизни, а самые крупные из этих подразделений – эры – носят и названия, связанные с характером существовавшей тогда жизни. Например, палеозой – эра древней жизни. На геологической карте породы, относящиеся к разным системам (периодам), обозначаются соответствующим цветом. Это было предложено всё тем же И.В. Гёте и принято на II Международном геологическом конгрессе в 1881г. в Болонье (Италия). С тех пор некоторые цвета были заменены другими. Теперь приняты те цвета, которые можно видеть на стандартной геохронологической шкале. Геохронологическая структура и цветовое обозначение систем приведено в табл. 8.     Таблица 7 -  Геохронологическая шкала ОБЩАЯ СТРАТИГРАФИЧЕСКАЯ – I Эон (эоно-тема) Эра (эратема) Система (период), индекс Типичные организмы для данного отрезка времени Длитель-ность, млн. лет Ф а н е р о з о й Кайно-зойская, КZ Четвертичная (антропогеновый), Q Человек, современный животный и растительный мир 65 Неогеновая, N Млекопитающие, птицы, рыбы, цветковые растения Палеогеновый, Ρ Мезозойская, МZ Меловая, К Рептилии, зубастые птицы, покрытосемянные растения, млекопитающие 248 Юрская, J Рептилии, летающие ящеры, птицы, голосемянные растения (пальмы, хвойные) Триасовая, Т Костистые рыбы, сумчатые млекопитающие, хвойные растения, пальмы, хвойные П а л е о з о й с к а я, PZ Пермская, Р Рептилии, пресмыкающиеся, хвойные растения 570 Каменноугольная, С Амфибии, насекомые, хвощи, папоротники, цикады Девонская, D Панцирные рыбы, стегоцефалы, папоротники древние Силурийская, S Панцирные рыбы, акулы, скаты, псилофиты, водоросли Ордовикская, О Первые наземные животные, беспозвоночные, водоросли, псилофиты Кембрийская, Є Трилобиты и археоциаты. Водоросли, бактерии и простейшие наземные растения – псилофиты. Позвоночные отсутствуют ШКАЛА ДОКЕМБРИЯ (РЄ) - II К р и п т о з о й Акротема Эон (эонотема) Система  (период) Типичные организмы Длитель-ность, млн.лет Протеро-зой, PR Верхний, PR2 Вендский, V Морские беспозвоночные, хонурофоры, водоросли, споры, бактерии 600 Рифей, R Редкий беспозвоночные, водоросли, споры, бактерии 650_+ 50 Нижний, PR1 Водоросли, бактерии редко 1650_+ 50 Архей, AR Остатки организмов отсутствуют 2500 + 50 Примечание: 1. В табл. 7 опущено подразделение систем на отделы (эпохи) в фанерозое и в шкале докембрия. 2. Шкала докембрия (II) имеет акротему (протерозой и архей) в отличие от общей шкалы (I).                   Таблица 8 -    Геохронологическая структура и цветовое обозначение периодов Эра (группа) Период (система) Цветовое обозначение   Кайнозойская КZ Четвертичный (квартер), Q Неогеновый (неоген), N Палеогеновый (палеоген), PG Желтовато-серый Лимонно-жёлтый Оранжево-жёлтый   Мезозойская MZ Меловой (Мел), K Юрский (Юра), J Триасовый (Триас), T Зелёный Синий Фиолетовый     Палеозойская PZ Пермский (Пермь), Р Каменноугольный (Карбон), С Девонский (Девон), D Силурийский (Силур), S Ордовикский (Ордовик), О Кембрийский (Кембрий), Є Оранжево-коричневый Серый Коричневый Серо-зелёный светлый Оливковой Голубовато-зелёный                               Следы жизни в самых древних породах Земли недостаточно отчётливы, к ним не в полной мере применим палеонтологический метод. Существовавшие тогда организмы не имели твёрдого скелета. Их остатки известны в виде отпечатков, слепков, следов жизнедеятельности и встречаются не часто. И это время в истории Земли (и геохронологической шкале) названо криптозой (время скрытой жизни). Появление организмов с твёрдым минерализованным скелетом знаменует наступление фанерозоя (времени явной жизни). В криптозое выделяют два крупных подразделения: археозой, или архей (время древнейшей архаической жизни) и протерозой (время простой жизни).     В протерозое по имени легендарного древнеславянского племени вендов, живших на северо-западе Древней Руси, получил свое название вендский период, научно обоснованный в 80-х годах 20 в. сотрудниками Палеонтологического института АН СССР (ныне РФ) в результате детального исследования строения осадочных пород Русской платформы и Сибири под руководством Б. Соколова. За последние 100 лет это первое сенсационное открытие в геологии.     Фанерозойское время делится на три эры: палеозойскую (эру древней жизни), мезозойскую (эру средней жизни), кайнозойскую (эру новой жизни). Эры подразделяются на системы (периоды). И те и другие отличаются один от другого существовавшими в то время животными и растениями. В более молодых отложениях появились остатки всё более и более совершенных организмов. Один период – вендский – выделен в самом конце протерозоя, в палеозое выделяется шесть периодов, в мезозое и кайнозое – по три.     Названия периодов различны. Одни из них происходят от названий горных пород, которые наиболее характерны для того времени (например, каменноугольный период (карбон) в палеозое и меловой период в мезозое). Большинство периодов названо по тем местностям, в которых наиболее полно развиты отложения того или иного периода и где впервые эти отложения и периоды были охарактеризованы по ископаемым остаткам. Древнейший период палеозоя и фанерозоя – кембрийский – получил название от Кембрии – древнего государства, располагавшегося в Уэльсе, на западе Англии.     Названия следующих периодов палеозоя – ордовик и силур – происходят от названия древних племён ордовиков и силуров, населявших территорию нынешнего Уэльса во времена Римской империи.  Девонский период этой эры получил название от графства Девоншир в Англии; пермский (последний период палеозоя) – от Пермской земли, исторической области, находившейся в предгорьях Урала; юрский (мезозой) – по Юрским горам во Франции. В названии первого периода мезозойской эры – триас (от греч. «триас» - «три» - отражено деление на три части отложений этого возраста в северных известняковых Альпах в Австрии.     В названиях периодов кайнозойской эры (палеогеновый, неогеновый; их часто объединяют под общим названием – третичный период) отражено увеличивающееся со временем сходство живших тогда организмов с современными видами (от греч. «палеос» - «древний», «неос» - «новый», «генос» - «рождение»). Геологический период, в котором мы живём сейчас, так и называется – антропогеновый (от греч. «антропос» - «человек»), или четвертичный.          Периоды подразделяются на отделы (эпохи). Например, самая молодая эпоха (отдел) четвертичного периода (системы) называются голоцен, в котором мы и живём.   1.5. Расход продуктов земной коры По данным ООН на Земле каждый большой город с населением в 250 тыс. чел. вводит в хозяйственный оборот ежегодно крупнотоннажные земные ресурсы минералов, горных пород и полезных ископаемых 20 наименований в природном, либо в переработанном состояниях (табл. 9).   Таблица 9 – Ежегодное потребление минеральных ресурсов городом с населением 250 тыс. чел. (по G. Lutting ,& F. Wolff, 1996) № Горные породы, полезные ископаемые   Ежегодно тыс. тонн   № Горные породы, полезные ископаемые Ежегодно тыс. тонн 1 Песок, гравий 1650 11 Гипсы 20 2 Камень 500 12 Доломиты 2,5 3 Нефть 600 13 Фосфаты 2,0 4 Уголь 500 14 Сера 7,0 5 Известняк 350 15 Торф 6,5 6 Железо 50 16 Нерудные 6,5 7 Цемент 25 17 Поташ 6,0 8 Глины 100 18 Алюминий 5,0 9 Промотходы (песок) 80 19 Каолинит 4,0 10 Каменная соль 50 20 Медь 3,5   Для создания промышленных материалов и изделий используются минералы и сырьё, которые залегают в недрах Земли, имеют важное значение, включая энергетические минералы и металлическую руду. К таковым относятся и такие, которые широко используются для создания строительных материалов и изделий. Например, различные глины для буровых и тиксотропных глинистых растворов, кирпича и иных керамических изделий; пески, силикаты, бура, поташ для стекольной промышленности; уголь, нефть для пластмассовых материалов и изделий и т.п. В табл. 10 приведены наименования строительных и промышленных материалов и изделий.   Таблица 10 – Отрасли промышленности и важнейшие промышленные минералы (по G. McCall, B. Marker, 1996) Промышленность, виды материалов Наименование минералов, сырья Абразивы Корунд, алмаз, кварцевый песок, магнетит, шпинель Керамика, кирпич Глины, сланцы, поташ, пирофиллит Химическая Уголь, известь, поташ, соль, силикат, медь Фильтры Диатомит, пирофиллит Стекло, в т.ч.  строительное Силикат, бура, поташ Изоляторы Асбест*, диатомит, графит, перлит Смазочные материалы Графит, тальк Пигментная основа красителей Черные титаноферриты, ильмениты, рутилы Основа пластмасс Уголь, нефть Моющие средства Поташ, соль Сорбенты, наполнители Бентонит, диатом, каолин (китайская глина) Флюсы в металлургии Доломит, флюорит, известняк * - использование асбеста существенно снижается из-за его канцерогенности.         В табл. 11 приведены физико-механические свойства некоторых горных пород, изделий и материалов из них, а также древесины, стали и пластмасс (для сопоставления параметров).     Таблица 11 - Физико-механические свойства некоторых горных пород, материалов и изделий Наименование горной породы Предел прочности на одноосное сжатие Средняя плотность скелета грунта, материала Rc, МПа  оценка долговечности ρd, кг/м3 оценка Гранит 100-250 очень прочный 2500-2700 очень плотный Известняк плотный 50-150 прочный 1800-2200 плотный Известняк ракушечник 0,5-5 пониженной прочности 900-1400 рыхлый Кирпич керамический 7,5-30 средней прочности 1450-1600 плотный Кирпич силикатный 10-20 малой прочности 1800-1900 плотный Бетон тяжелый 5-80 прочный 1800-2500 плотный Бетон легкий 2-15 малопрочный 500-1400 рыхлый Древесина сосновая вдоль волокон 30-50 средней прочности 300-700 очень рыхлый Сталь (Ст.3, при растяжении) 380-450 зависит от коррозии 7800-7900 – Пластмассы 120-200 очень прочный 100-1200 – Портландцемент, кг/см2 (марка) 300-600 высокая прочность Насыпная плотность 1200-1300 рыхлый  

Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

 

Основная литература:

1 Ананьев, В.П. Инженерная геология/ В.П.Ананьев, А.Д.Потапов.-М.:Высш.шк., 2005.-575с.

2 Передельский Л.В., Приходченко О.Е. Инженерная геология / Передельский Л.В., Приходченко О.Е. Ростов-на-Дону: Феникс, 2009.-460с.

3 Чернышев С.Н. Задачи и упражнения по инженерной геологии/ С.Н.Чернышев, А.Н.Чумаченко,И.Л.Ревелис –М.: Высш.шк., 2006.-254с.

Дополнительная литература:

1 Швецов Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты. М.: Высшая школа, 2006

2 В.М. Безруков Геология и грунтоведение. М.: Недра, 1990, 256с.

3 ГОСТ 23100-95. Грунты. Классификация.- М.: Госстрой РФ, 1997.

4 СНиП 22-02-2003. Инженерная защита территорий, зданий и сооруже-

ний от опасных геологических процессов. Основные положения. -М.: Росстрой.-2004.-45с.-Введ.:2003.

5 ГОСТ Р 22.1.07.99. Мониторинг и прогнозирование опасных метеора-

логических явлений и процессов. Общие требования. -М.: Госстандарт России.-1999.-9с.-Введ.:200-01-01.

6    ГОСТ 21.302-96 СПДС. Условные графические обозначения в документации по инженерно-геологическим изысканиям.- М.: Госстрой РФ, 1996

Учебные пособия  кафедры:

1 Гареева Н.Б., Урманшина Н.Э., Галимнурова О.В. Учебно-методическое пособие по выполнению расчетно-графическоих заданий по дисциплине «Инженерная геология» – Уфа, УГНТУ, 2007

2 Гареева Н.Б., Мулюков Э.И., Урманшина Н.Э., Галимнурова О.В. Инженерная геология: лабораторный практикум -Уфа, УГНТУ, 2009

3 Урманшина Н.Э., Галимнурова О.В. Журнал лабораторных работ по курсу «Инженерная геология» -Уфа, УГНТУ, 2010

Интернет-ресурсы

    1 Гареева Н.Б., Галимнурова О.В. Учебное пособие для студентов строительных специальностей «Инженерная геология» www.eleaning.rusoil.net

     2 Электронно-библиотечная система образовательных и просветительских изданий: [электронный ресурс]. – URL http://www.iqlib.ru

     Российское образование. Федеральный портал: [электронный ресурс]. – URL http://www.edu.ru/modules

     Единое окно доступа к образовательным ресурсам: Информационная система: [электронный ресурс]. – URL http://window.edu.ru

 

 

[1]Плутон – бог подземного царства

[2] Нептун – бог морей и воды

[3] В честь итальянского физика, механика и астронома Галилео Галилея (1564-1642) новая единица измерения ускорения свободного падения g названа 1 Гал. Соотношение новой единицы и старой составляет: 1 Гал = 1 см/с², g = 9,8 м/с² ≈ 10 м/с² = 1000 Гал.

 

[4] Синонимы: вечная мерзлота, многолетнемёрзлая зона земной коры, криолитозона, вечномёрзлые породы

[5] Мёрзлые субстанции с космических кораблей обнаружены на Марсе, Плутоне, а также на спутниках Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона. На Марсе это углекислый лёд, а на спутниках – застывшие аммиак (NH₃), метан (CH₄) и этан (C₂H₆)

 

[6] В северных и северо-восточных районах России действует около 300 подземных холодильников, сооружённых в многолетнемёрзлых породах (побережье Сев. лед. океана, Якутия, Магаданская обл., Красноярский край)

[7] Казаякский карьер на ст. Казаяк на границе с Челябинской обл., принадлежащий строительному комплексу Башкортостана

[8] Объединение «Сода» (г. Стерлитамак) выпускает цемент, известняковую муку, имеет карьер известняка с дробильно-сортировочной фабрикой

[9] В аппаратах для определения температуры хрупкости битумов, используемых в т.ч. для асфальтобетонных смесей в покрытиях автомобильных дорог.

[10] Раствор сероводорода в воде (2,5:1) называется сероводородной водой, обладающей свойствами очень слабой кислоты.

[11] Территория Баймакского и Хайбуллинского р-нов РБ. Разработкой руд занимаются Баш. медно-сернистый комбинат (г. Баймак) и Бурибаевское рудоуправление (с. Акъяр).

 

[12] Названы в честь И.В. Гёте (1749-1832) – учёного-естествоиспытателя, минералога, геолога, палеонтолога… (см. Мулюков Э.И. Гёте И.В. был ещё и директором Управления дорожного строительства/Бюллетень стр. комплекса РБ.- 2007.-№3.)

---

Дата добавления: 2018-05-31; просмотров: 605; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!