Свойства горных пород. Процесс внутренней динамики Земли

1.  Объяснить значение «Инженерная геология» для строительства железных дорог и их эксплуатации

Инженерная геология, отрасль геологии, изучающая верхние горизонты земной коры и динамику последней в связи с инженерно-строительной деятельностью человека. Рассматривает состав, структуру, текстуру и свойства горных пород как грунтов; разрабатывает прогнозы процессов и явлений, которые возникают при взаимодействии сооружений с природной обстановкой, и пути возможного воздействия на процессы с целью устранения их вредного влияния. Инженерная геология зародилась в 19 в. В России первые инженерно-геологические работы были связаны со строительством железных дорог (1842-1914). В них принимали участие А.П. Карпинский, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, И.В. Мушкетов, А.П. Павлов, В.А. Обручев и др. Как наука И. оформилась в СССР к концу 1930-х гг. в результате исследований, связанных главным образом с гидротехническим строительством. В её развитии большая роль принадлежит Ф.П. Саваренскому, И.В. Попову, Н.Н. Маслову, В.А. Приклонскому, М.П. Семенову и др. Инженерная геология подразделяется на: грунтоведение, изучающее горные породы и почвы, исследуемые в качестве оснований, естественных материалов и среды для инженерных сооружений; инженерную геодинамику, рассматривающую наряду с природными геологическими процессами процессы, возникающие под влиянием инженерной деятельности человека, и региональную инженерную геологию, которая изучает региональный и зональный характер распространения инженерно-геологических процессов и явлений; оценивает применительно к данной территории геологические факторы, определяющие условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений; даёт прогноз изменения инженерно-геологических условий в результате строительства.

При комплексном изучении инженерно-геологических условий территории выбранной трассы выделяют в плане и по глубине инженерно-геологические элементы с определением для них лабораторными методами прочностных и деформационных характеристик грунтов, их нормативных и расчетных значений, а также устанавливают гидрогеологические параметры, количественные показатели интенсивности развития геологических и инженерно-геологических процессов, агрессивности подземных вод к бетону и коррозионной активности к металлам в сфере взаимодействия проектируемого объекта с геологической средой.

2.  Описание минерала мусковит и породы андезит, глина, мел

 

Мусковит - минерал из группы слюд, химический состав KAl2(AlSi3O10)·(OH)2. Кристаллы таблитчатые моноклинной системы. Спайность по базису весьма совершенная. Мусковит легко расщепляется на тончайшие листочки, что обусловливается его кристаллической структурой, сложенной 3-слойными пакетами из 2 листов кремне - и алюмокислородных тетраэдров, соединённых через слой, составленный из октаэдров, в центре которых расположены ионы Al, окруженные 4 ионами кислорода и 2 группами OH; 1/3 октаэдров не заполнена ионами Al. Пакеты соединены между собой ионами калия. Твёрдость по минералогической шкале 2,5-3; плотность 2760-3100 кг/м3. Мусковит обычно бесцветен, реже светло-бурого, бледно-зелёного и др. цветов; блеск стеклянный, на плоскостях спайности - перламутровый и серебристый. Скрыто-чешуйчатые массы с шелковистым блеском называются Серицитом. Широко распространён; является составной частью магматогенных, а также метаморфических пород: гранитов и гранитных пегматитов, сиенитов, грейзенов, кристаллических сланцев, гнейсов. В пегматитовых жилах встречается в виде крупных кристаллов и скоплений до 1-2 м в поперечнике, имеющих промышленное значение. Наиболее важное практическое свойство мусковита заключается в его высоких электроизоляционных качествах. В промышленности мусковит применяется в виде листовой слюды (для изоляторов, конденсаторов, телефонов и т. п.), слюдяного порошка (при изготовлении кровельного толя, слюдяного картона, огнеупорных красок и пр.) и слюдяного фабриката (для электроизоляционных прокладок в электроприборах). Месторождения в России - на Кольском полуострове и в Восточной Сибири (Мамское, Канское); за рубежом - в Индии, в Малагасийской Республике, Канаде, США, Бразилии.

Андезит - эффузивная горная порода, тёмноокрашенная (тёмно-серая, бурая, чёрная и т. д.). Структура порфировая или гиалопилитовая (в последнем случае микролиты напоминают войлок, пропитанный стеклом). Образуется в результате застывания на дневной поверхности или близ неё лав вулканов, содержащих 56-60% кремнекислоты, много магния, кальция и железа. Минеральный состав: Плагиоклаз, вкрапленники полевых шпатов, роговой обманки, биотита Цвет: тёмно-серый или почти чёрный. Неполнокристаллическая (порфировая), мелкозернистая. Для основной массы характерна пилотакситовая структура, образованная субпараллельными лейстами плагиоклаза. Текстура: Плотная или пористая, часто флюидальная. Удельный вес: 2,5. Залегает в вулканических потоках и экструзивных куполов. Столбчатая, в случае подводных излияний - подушечная. Эффузивный аналог кварцевого диорита. Кайнотипная (неизменённая) порода. Андезиты характерны для зрелых, энсиалических островных дуг и активных континентальных окраин андийского типа. Метаандезиты встречаются в постархейских зеленокаменных поясах. Андезит - обычно свежая порода, состоящая из кристаллов среднего плагиоклаза, андезина, пироксена и реже магнетита, роговой обманки и других минералов, погруженных в стекло. Андезит широко распространены в районах современного и древнего вулканизма (Камчатка, Кавказ, Средняя Азия, Приморье). Вместе с базальтами составляют главную массу эффузивных пород. Применяется как кислотостойкий материал и для специальных облицовок. По составу темноцветных минералов во вкрапленниках различают авгитовые, гиперстеновые, роговообманковые и биотитовые андезиты. Андезиты связаны непрерывными переходами с вулканическими породами близкого состава - базальтами, дацитами, трахитами. Макроскопически определить вид вулканической породы не всегда возможно. В отличие от базальтов для андезитов не характерны вкрапленники пироксена, достаточно редко встречаются афировые разности. Как правило, вкрапленники в андезитах представлены плагиоклазом.

Глина - мелкозернистая осадочная горная порода, пылевидная в сухом состоянии, пластичная при увлажнении. Глина - это вторичный продукт земной коры, осадочная горная порода, образовавшаяся в результате разрушения скальных пород в процессе выветривания. Глина состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита (происходит от названия местности Каолин в Китае), монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов (глинистые минералы), но может содержать и песчаные и карбонатные частицы. Как правило породообразующим минералом в глине является каолинит, его состав: 47 % (мас) оксида кремния (IV) (SiO2), 39 % оксида алюминия (Al2О3) и 14 % воды (Н20). Al2O3 и SiO2 - составляют значительную часть химического состава глинообразующих минералов. Диаметр частиц глин менее 0,005 мм; породы, состоящие из более крупных частиц, принято классифицировать как лёсс. Большинство глин - серого цвета, но встречаются глины белого, красного, жёлтого, коричневого, синего, зелёного, лилового и даже чёрного цветов. Окраска обусловлена примесями ионов - хромофоров, в основном железа в валентности 3 (красный, желтый цвет) или 2 (зеленый, синеватый). Основным источником глинистых пород служит полевой шпат, при распаде которого под воздействием атмосферных явлений образуются каолинит и другие гидраты алюминиевых силикатов. Некоторые глины осадочного происхождения образуются в процессе местного накопления упомянутых минералов, но большинство из них представляют собой наносы водных потоков, выпавшие на дно озёр и морей. Различают несколько разновидностей глины. Каждая из них используется по-своему. Большую часть добываемых и поступающих в продажу глин составляет каолин, который применяется в целлюлозно-бумажной промышленности и в производстве фарфора и огнеупорных изделий. Вторыми по важности материалами являются обычная строительная глина и глинистый сланец. Огнеупорная глина идет на изготовление огнеупорного кирпича и других жаропрочных изделий. Мел - белая горная порода, мягкая и рассыпчатая, состоит почти исключительно из мельчайших зёрен скрытокристаллического минерала кальцита (природного карбоната кальция), составляющего до 99 % от общей массы. Мел не растворяется в воде. В составе мела обычно находится незначительная примесь мельчайших зёрен кварца и микроскопические псевдоморфозы кальцита по ископаемым морским организмам (радиолярии и др.) Нередко встречаются крупные окаменелости мелового периода: белемниты, аммониты и др. Его элементы относятся к семейству щелочноземельных металлов, которые составляют подгруппу периодической системы элементов. Мел - необходимый компонент «мелованной бумаги», используемой в полиграфии для печати качественных иллюстрированных изданий. Молотый мел широко применяется в качестве дешёвого материала (пигмента) для побелки, окраски заборов, стен, бордюров, для защиты стволов деревьев от солнечных ожогов. Мел применяют в лакокрасочной промышленности (белый пигмент), резиновой, бумажной, в сахарной промышленности - для очистки свекловичного сока, для производства вяжущих веществ (известь, портландцемент), в стекольной промышленности, для производства спичек. В этих случаях обычно используют т. н. Мел осаждённый, полученный химическим путём из кальцийсодержащих минералов. Мел используется для письма на больших досках для общего обозрения (например, в школах) (формованный школьный мелок на 40% состоит из мела (карбонат кальция) и на 60 % из гипса (сульфат кальция)). При недостатке кальция медицинский мел может быть прописан как добавка к пище. Мел так же используют при рентгеновском обследовании желудка.

Таблица 1 - Физические показатели минерала

Названия минерала	Плотность (р)	Твердость (u)	Влажность (w)	Вес (г/см3)
1.  Мусковит	2,77 - 2,88 г/см3	2 - 2,5	8-10%	2,76-3,10
2.  Андезит	2,77 - 2,88 г/см3	5	52-65 %	2,2- 2,7,
3.  Глина	13-14 см, кг/м3	2-5	12-14 %	1,25 - 1,50
4.  Мел	2,72 г/ м3	3	около 20 %	0.5, - 1.8

  3.  Основные физико-механические свойства горных пород, необходимых для проектирования и строительства. Условия образования и строительные свойства техногенных грунтовых отложений

Показатели физических и механических свойств скальных и нескальных грунтов между собой довольно значительно разнятся, особенно физические. Характеристики физических свойств выражают физическое состояние грунтов (плотность, влажность и др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под механическими подразумевают такие свойства, которые появляются в грунтах под воздействием внешних усилий (давлении, удара). Основные физико-механические свойства горных пород:

·  Твердость характеризует способность горной породы сопротивляться внедрению в нее резца, пуансона или другого индентора (твердого тела). Твердость породы в целом (агрегатная твердость) отличается от твердости слагающих ее минералов.

·  Абразивность горных пород - это особое свойство пород, выражающееся в способности изнашивать породоразрушающий инструмент в процессе бурения.

·  Упругость горных пород - способность породы восстанавливать первоначальную форму и объем после прекращения действия внешних усилий.

·  Хрупкость горных пород - способность горной породы разрушаться без заметной пластической деформации под воздействием внешних усилий.

·  Пластичность горных пород - способность породы необратимо изменять, без нарушения сплошности, свою форму и размеры под действием внешних усилий; чаще всего проявляется в условиях всестороннего сжатия породы.

·  Установлено, что горные породы, обладающие высокими упругопластичными свойствами, разбуриваются медленнее, чем упруго-хрупкие породы.

·  Устойчивость горных пород - способность породы длительное время сохранять первоначальное положение при вскрытии ее в массиве (при бурении скважин, проходке шахт и других горных выработок); зависит от условий залегания, характера связи между частицами породы, трещиноватости и степени выветривания.

·  Трещиноватость горных пород - совокупность в породе трещин различного происхождения и разных размеров. Наличие трещиноватости уменьшает прочность породы, но увеличивает ее абразивность.

·  Влагоёмкость горных пород - способность породы удерживать то или иное количество влаги.

·  Водопроницаемость горных пород - способность породы пропускать воду при наличии перепада давлений.

·  Водопоглощение горных пород - способность сухой породы впитывать воду при выдерживании ее в воде при атмосферном давлении и комнатной температуре; определяется как отношение разности в массах свободнонасыщенного и сухого образца породы к массе сухого образца.

·  Зернистость горных пород - совокупность расположения частиц в породе, которые могут различаться по своему внутреннему строению, форме или размеру. Различаются породы мелко-, средне- и крупнозернистые.

·  Каверхность горных пород - наличие в породе пустот (каверн).

·  Сланцеватость горных пород - сложение горных пород, делящихся на тонкие плоские параллельные слои, плоские плитки или пластинки.

·  Слоистость горных пород - повторяющаяся в разрезе неоднородность осадков: по составу, крупности зерна, окраске и другим особенностям.

Влажность горных пород - степень насыщенности водой (пленочной, капиллярной, гравитационной) пор, трещин и других пустот в естественных условиях. Такая влажность называется естественной влажностью. Она выражается в процентах по весу к абсолютно сухой породе и определяется формулой:

 

Пористость горной породы - отношение объема всех пустот в горной породе к общему объему породы.

Плотностью породы называют отношение массы твердых частиц к их объему.

Отдельную группу составляют - техногенные отложения, создаваемые человеком (отвалы горных разработок, насыпи, дамбы и пр.). По способу накопления различают следующие виды близки к различным генетическим типам четвертичных отложений. Отвалы горных выработок во многом напоминают гравитационные образования и т.п.

4. Перечислить методы определения абсолютного и относительного возраста пород. По данным таблицы №4 и №5. Назвать эры и периоды геологической истории земли

Определение относительного возраста пород – это установление, какие породы образовались раньше, а какие – позже.

Относительный возраст осадочных г.п. устанавливается с помощью геолого-стратиграфических (стратиграфического, литологического, тектонического, геофизических) и биостратиграфических методов.

Абсолютная геохронология устанавливает возраст горных пород в единицах времени. Определение абсолютного возраста необходимо для корреляции и сопоставления биостратиграфических подразделений различных участков Земли, а также установления возраста лищенных палеонтологических остатков фанерозойских и долембрийских пород.

К методам определения абсолютного возраста пород относятся методы ядерной (или изотопной геохронологии) и не радиологические методы (Соляной метод, седиментационный метод, биологический метод, метод подсчета слоев ленточных глин, накапливающихся на периферии тающих ледников)

Разработано большое число радиоактивных методов определения абсолютного возраста: свинцовый, калиево-аргоновый, рубидиево-стронциевый, радиоуглеродный и другие (выше установленный возраст Земли 4,6 млрд. лет не установлен с применением свинцового метода).

Таблица 2 - Эры и периоды геологической истории

К₂ - мезозойская эра, меловой период, верхнемеловой отдел.

О₁ - палеозойская эра, ордовикский период, нижнеордовикский отдел.

S₂ - палеозойская эра, силурийский период, верхнесилурийский.

D₁ – палеозойская эра, девонский период, нижнедевонский отдел.

5. Описать сущность процессов внутренней динамики земли (эндогенных процессов). Привести схему ступенчатого сброса и взброса. Показать зависимость силы землетрясения от геоморфологического строения участка, состава и обводиенности пород