Лекции по инженерной геологии

     Все геологическое время разделили на отрезки. Так была создана геохронологическая шкала. Для слоев пород, которые образовались в эти отрезки времени, были предложены свои названия, что позволило создать стратиграфическую шкалу (см. таблицу 1)  

     Таблица 1 – стратиграфическая шкала

     Самый длительный отрезок времени –  эон. Толщину, образованную за это время из слоев пород, называют эонотемой. Самый короткий отрезов – век. Толщу, образующуюся в течение века, называют ярусом.

     Возраст горных пород в виде индексов широко используется в геологической документации (карты и разрезы), которая является неотъемлемой частью проектирования зданий и сооружений (см. таблицу 2).

     Каждому отрезку времени геологической  истории соответствует толща  пород, которая образовалась на протяжении этого отрезка времени. Геологическая история делится на 6 эр, соответственно, толща пород земной коры разделяется на шесть групп (см. таблицу 2). Каждая эра делится на периоды (системы пород), период – на эпохи (отделы пород), эпохи – на века (ярусы пород). Каждый отрезок времени и соответствующая ему толща пород получила свое название и индекс.   

     Таблица 2 – геохронологическая шкала

     4.2 Абсолютный, относительный  показатель горных пород

     Научное и практическое значение имеет установление горных пород. Это необходимо, для  оценки свойств пород и определения  их положения среди других пород. Породы, образовавшиеся в одно и то же время в одинаковых условиях, обладают обычно одинаковым составом. Различают абсолютный и относительный возраст горных пород.

     Абсолютный  возраст выражается в годах, т.е. определяется, сколько лет прошло с момента образования породы. Для этого применяют радиоактивные методы. С их помощью устанавливают возраст в миллионах лет.

     Люминесцентные  методы абсолютной датировки основаны на способности некоторых широко распространенных минералов (например, кварца и полевого шпата) накапливать в себе энергию ионизирующего излучения, а затем, при определенных условиях, быстро отдавать ее в виде света. Ионизирующее излучение не только прилетает к нам из космоса, но и генерируется горными породами в ходе распада радиоактивных элементов. Под воздействием радиации некоторые электроны кристалла переходят в особое возбужденное состояние. Чем больше в кристалле трещин и других дефектов, тем большее число электронов способно к такой трансформации. Пока кристалл (например, песчинка) спокойно лежит в темном, прохладном месте (например, под слоем других песчинок), число «перевозбужденных» электронов в нем постепенно растет, энергия копится.

     Если  такой кристалл подвергнуть определенной стимуляции (нагреть до 500 градусов или даже просто осветить), он стремительно отдает накопленную энергию в  виде света. Возбужденные электроны  при этом успокаиваются и возвращаются на положенные орбиты, и «люминесцентный хронометр» обнуляется. Измерив количество излученного света, можно определить, как долго кристаллу дали спокойно пролежать в вышеупомянутом темном, прохладном месте после того, как он в последний раз подвергался аналогичной стимуляции (попадал на свет или нагревался). На этом и основаны методы люминесцентной датировки, соответственно: термолюминесцентный и оптико-люминесцентный (метод оптически стимулированной люминесценции). Впервые термолюминесцентный метод начали применять археологи в середине XX века для определения возраста обожженной керамики (это очень удобно, поскольку во время обжига люминесцентный хронометр гарантированно обнуляется).

     Метод электронно-парамагнитного или электронно-спинового резонанса - тоже основан на изменениях, постепенно накапливающихся в кристалле под воздействием радиации. Только в данном случае речь идет не о количестве «возбужденных» электронов, способных «успокаиваться» с излучением света, а о количестве электронов с изменившимся спином. Чтобы определить число таких электронов физики используют резонансные методы, то есть подвергают колебательную систему (в данном случае кристалл) периодическому внешнему воздействию (например, помещают в переменное магнитное поле) и наблюдают отклик, который дает система при сближении частоты внешнего воздействия с одной из частот собственных колебаний системы. Существует еще целый ряд физико-химических методов абсолютной датировки, имеющих ограниченную область применения. В качестве примера можно привести аминокислотный метод, основанный на том, что «левые» аминокислоты, из которых построены белки всех живых организмов, после смерти постепенно рацемизируются, то есть превращаются в смесь «правых» и «левых» форм. Метод применим только к образцам очень хорошей сохранности, в которых сохранилось  достаточное количество первичного органического вещества. Другая сложность заключается в том, что скорость рацемизации напрямую зависит от температуры. Поэтому, например, для образцов из умеренных широт метод имеет разрешающую способность порядка 20-30 тыс. лет, но применим лишь для молодых отложений (не старше 2 млн. лет); в полярных районах метод позволяет датировать более старые образцы (до 5-6 млн. лет), но с меньшей точностью (ошибка порядка 100 тыс. лет).

     Дендрохронологический метод - датирование по древесным кольцам. Этот метод позволяет датировать только самые молодые отложения (возрастом до 5–8 тысяч лет), зато с очень высокой точностью, вплоть до одного года. Нужно лишь, чтобы в раскопе обнаружилось достаточное количество древесины. В стволах большинства деревьев образуются годовые кольца, ширина которых колеблется в зависимости от погодных условий соответствующего года. Характерные «спектры» широких и узких колец примерно одинаковы у всех деревьев данной местности, растущих одновременно. Специалисты по дендрохронологии составляют сводные дендрохронологические шкалы, протягивающиеся от сегодняшнего дня в прошлое. Очень помогают в этом деревья–долгожители.

     К сожалению, погода в разных районах Земли сильно различается. Поэтому для каждого региона приходится составлять отдельные дендрохронологические шкалы.

     Дендрохронологический метод применим только для районов  с сильными сезонными колебаниями  климата (температуры или количества осадков) – в противном случае четких годовых колец не образуется. Кроме того, состав почвы должен способствовать хорошей сохранности древесины, а изучаемые археологические культуры – широко использовать дерево в хозяйстве.

     Метод молекулярных часов. Согласно «правилу молекулярных часов», нейтральные мутации накапливаются в геноме с примерно постоянной скоростью, если нет каких-то особых причин, заставляющих этот процесс ускоряться или замедляться. Скорость накопления мутаций варьируется у разных групп, но все эти различия в принципе можно учесть. Метод молекулярных часов крайне неточен, потому что скорость накопления мутаций может варьировать не только в зависимости от группы организмов, но и от многих других факторов. Поэтому на основе данного метода можно давать лишь весьма приблизительные оценки времени расхождения эволюционных линий.

     Неточность  большинства методов абсолютной геохронологии вовсе не дает оснований  напрочь отрицать достоверность  абсолютных датировок в палеонтологии, эволюционной биологии и археологии. Главная сила этих методов в том, что их много. И в подавляющем большинстве случаев они все-таки дают сходные результаты, которые к тому же хорошо согласуются с данными относительной геохронологии. Именно поэтому в хороших научных исследованиях возраст объектов сейчас стараются определять при помощи нескольких независимых методов.

     Относительный возраст позволяет определять возраст пород относительно друг друга, т. е. Устанавливать, какие породы древнее, какие моложе. Для определения относительного возраста используют два метода: стратиграфический и палеонтологический.

     Стратиграфический метод применяется для толщ с ненарушенным горизонтальным залеганием слоев. При этом считают, что нижележащие слои являются более древними, чем вышележащие. Этот метод мало применим при залегании слоев в виде складок.

     Палеонтологический  метод позволяет определить возраст осадочных пород по отношению друг к другу независимо от характера залегания слоев и сопоставлять возраст пород, залегающих на различных участках. В основу метода положена история органической жизни Земли. Животные и растительные организмы развивались постепенно, последовательно. Остатки вымерших организмов захоронились в тех осадках, которые накапливались в тот отрезок времени, когда они жили.  

     4.3 Сейсмическая активность и условия залегания горных пород в сфере взаимодействий сооружений с геологической средой

     Земная  кора обладает различной подвижностью. Основной частью земной коры являются платформы, между ними располагаются  геосинклинали. Геосинклинали располагаются между платформами и являются их подвижными сочленениями. Для районов геосинклиналей типичны интенсивные и разнообразные тектонические движения, в основном складчатого и разрывного характера. Отдельные участки платформы на протяжении многих десятилетий поднимаются, другие в это же время опускаются. Колебательные движения не изменяют первоначальных условий залегания пород, но геологическое их значение огромно. Для инженерной геологии особый интерес представляют современные колебательные движения, вызывающие изменения высот поверхности земли. Их необходимо учитывать при строительстве гидротехнических сооружений типа водохранилищ, плотин, морских портов, а также городов у моря. Тектонические движения выводят пласты из горизонтального положения, нарушают их первоначальное залегание. Возникают дислокации. Дислокации в зависимости от вида тектонических движений разделяют на: складчатые и разрывные. К складчатым дислокациям относятся моноклиналь, складка и флексура.

     Моноклиналь – является самой простой формой нарушения первоначального залегания пород и выражается в общем наклоне слоев по отношению к горизонту. Складка представляет собой один сплошной перегиб слоев, возникающих в результате воздействия на породы тангенциальных тектонических сил. Выделяют два главных типа: антиклиналь - складка, обращенная своей вершиной вверх; и синклиналь - вершина, обращенная вниз. Бока складок называют крыльями, а вершину - замком. Флексура представляет собой коленоподобную складку, образовавшуюся при смещении одной части толщи пород относительно другой без разрыва сплошности. При изучении геологии строительных площадок необходимо установить пространственное положение слоев и отразить это на геологических картах.

     Лекция 5 Основные породообразующие минералы

     5.1 Общие сведения о горных породах

     Горные  породы представляют собой плотные  или рыхлые, слагающие земную кору агрегаты тех или иных минералов, а также обломков других пород. Каждая горная порода имеет минералогический состав, свою структуру и текстуру.

     Структура горных пород определяется особенностями внутреннего строения, формой и размерами слагающих их элементов (минералов и цемента) и характером их взаимной связи.

     Текстура  горных пород определяется ее внешним обликом (слоистость, массивность и т.д.), обусловленным особенностями слагающих пород частиц.

     Горные  породы  по условиям происхождения и образования (генезису) делятся на: магматические, осадочные и метаморфические.  

     5.2 Магматические горные  породы

     Магматические породы образуются из застывшей магмы. Расплавленная магма, застывшая в недрах, образовывает глубинные породы, поток лавы излившийся на поверхность земли называется излившейся, Глубинные магматические породы образуются в условиях высокого давления, медленного и равномерного остывания. При этом породы характеризуются плотной полнокристаллической структурой. Излившиеся магматические породы образуются под низким давлением и температурой, при быстрой отдаче тепла и газовых компонентов. При этом породы характеризуются наличием аморфного стекла и пористой структурой. Структура и текстура магматических пород зависит от внутреннего строения.

     По  происхождению, условиям образования  и залегания магматические горные породы подразделяются на: интрузивные (глубинные), эффузивные (излившиеся) и жильные.

     Интрузивные породы образуются при силовом внедрении и остывании магмы в толще отложений горных пород земной коры без их выхода на поверхность земли.

     Жильные образования связаны с заполнением  магмой трещин, образующихся обычно в толще осадочных пород при внедрении магмы. Жилы подразделяются на пластовые и секущие.

     Эффузивные  породы образуются при излиянии с  последующим остыванием и затвердеванием магмы уже не в тоще пород земной коры, а на поверхности земли.