Мдк 01. 01 проектирование зданий и сооружений

Тема 1. Инженерно-геологические исследования для строительства

Лекция 1.   Геологическое строение и возраст горных пород.

Геология – комплекс наук о составе, строении, истории развития земной коры и размещённых в ней полезных ископаемых. В настоящее время под геологией понимают историю Земли в обширном смысле этого слова, т. е. не только жизнь минеральную нашей планеты и те физические и химические изменения, которые в ней произошли, но и естественную историю всего организованного мира, населяющего земную поверхность.

Внутреннее строение Земли и методы его изучения.

Горные породы и процессы, влияющие на их образование и преобразование доступны для изучения лишь в верхней части Земли.

Итак - Земля является планетой Солнечной системы. По форме это эллипсоид, у которого экваториальный радиус = 6378,2 км; а полярный радиус = 6356,86 км. Средний радиус ~6371 км. Площадь поверхности Земли составляет~510 млн. км², из них 70,8% занимает Мировой океан.

Внутреннее строение Земли

Чтобы понять каким образом геологи создали модель строения Земли, надо знать основные свойства и их параметры, характеризующие все части Земли. К таким свойствам (или характеристикам) относятся:

1. Физические - плотность, упругие магнитные свойства, давление и температура.

2. Химические - химический состав и химические соединения, распределение химических элементов в Земле.

Исходя из этого, определяется выбор методов исследования состава и строения Земли. Кратко рассмотрим их.

Прежде всего, отметим, что все методы разделяются на:

прямые - опираются на непосредственное изучение минералов и горных пород и их размещении в толщах Земли;

косвенные - основаны на изучении физических и химических параметров минералов, пород и толщ с помощью приборов.

Прямыми методами мы можем изучить лишь верхнюю часть Земли, т.к. самая глубокая скважина (Кольская) достигла~12 км. О более глубоких частях можно судить по вулканическим извержениям.

Глубинное внутреннее строение Земли изучается косвенными методами, в основном комплексом геофизических методов.

Сопоставляя все характеристики, ученые создали модель строения Земли, в которой выделяют три главные области (или геосферы):

1-Земная кора, 2-Мантия Земли, 3-Ядро Земли.

Каждая из них в свою очередь разделяется на зоны или слои. Рассмотрим их и основные параметры суммируем в таблице.

1. Земная кора - это верхняя оболочка Земли, ее мощность колеблется от 6-7км до 75км.

2. Мантия располагается на глубине 30…2900 км. Ее масса составляет 67,8 % массы Земли и более чем в 2 раза превышает массу ядра и коры, вместе взятых. Объем составляет 82,26 %. Температура поверхности мантии колеблется в интервале 150…1000 °С.

3. Ядро - подразделяется на внешнее и внутреннее, между которыми располагается переходная зона.

Химический состав земной коры включает максимальный спектр химических элементов, который выявляется в многообразии минеральных видов, известных к настоящему времени. Количественное соотношение между химическими элементами достаточно велико. Сравнение наиболее распространенных элементов в земной коре и мантии показывает, что ведущую роль играют Si, Al и О₂.

Возраст горных пород

Историческая геология в хронологическом порядке рассматривает геологическое прошлое Земли. Изучением продолжительности и последовательности геологических событий занимается геохронология. Она в свою очередь подразделяется на абсолютную и относительную.

Абсолютная геохронология устанавливает время возникновения горных пород и других геологических явлений в астрономических единицах (годах).

Абсолютные датировки были «подвешены» к геохронологической шкале много позже, когда появились радиометрические, а затем и другие методы определения абсолютного возраста. Эти методы относятся как бы к другой епархии — соответствующие анализы проделывают химики и физики, а вовсе не геологи с палеонтологами. Анализы эти дороги и сложны, и делают их достаточно редко. Да и не нужно делать их часто. Достаточно один раз точно датировать каждую стратиграфическую границу, чтобы затем легко переводить «нормальный», то есть относительный, определенный по флоре-фауне возраст в столь любимые читателями научно-популярных изданий миллионы лет.

Методы определения абсолютного возраста

1. Радиометрический метод. Радиоактивный распад элементов (их нестабильных изотопов), например, ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K, ⁸⁷Sr, ¹⁴C, ³H, идет с постоянной скоростью и не зависит ни от каких внешних воздействий. Это своего рода «атомный часовой механизм», позволяющий измерять возраст интересующего нас геологического объекта.

2. Метод ленточных глин – это метод определения абсолютного возраста пород основан на явлении изменения состава осадков, которые отлагаются в спокойном водном бассейне при сезонном изменении климата. За 1 год образуется 2 слоя. В осенне-зимний сезон отлагается слой глинистых пород, а в весенне-летний образуется слой песчаных пород. Зная количество таких пар слоев, можно определить - сколько лет формировалась вся толща.

Относительная геохронология определяет возраст пород и последовательность их образования стратиграфическими методами, а раздел геологии, изучающий взаимоотношения горных пород во времени и пространстве называется стратиграфией (от лат. stratum – слой + греч. g rapho - пишу).

Методы относительной геохронологии распространяются только на время существования жизни на планете; они свидетельствуют о том, какой геологический слой старше и позволяют приблизительно определять время возникновения слоя.

Методы относительной геохронологии подразделяются на: палеонтологические и не палеонтологические.

Палеонтологические методы (биостратиграфия). В основе метода лежат следующие идеи: в древних геологических отложениях находятся остатки простых организмов, а в более молодых - организмы сложного строения. Этот принцип, называемый «принципом суперпозиции», сформулировал датский натуралист Николаус Стенон более 300 лет назад. Он справедлив для пород, находящихся в ненарушенном состоянии.

Границы эволюционных преобразований - это границы геологического времени накопления осадочных слоев и горизонтов. Значит, каждому геологическому слою – времени соответствуют лишь определенные живые организмы. Эта особенность используется для определения возраста пород.

Не палеонтологические методы. Основные из них подразделяются на литологические, структурно-тектонические, геофизические.

Рассмотренные методы абсолютной и относительной геохронологии позволили определить возраст и последовательность образования горных пород, а также установить периодичность геологических явлений и выделить этапы в длительной истории Земли.

В каждый этап последовательно накапливались толщи пород, и это накопление происходило в определенный промежуток времени. Поэтому всякая геохронологическая классификация содержит двойную информацию и объединяет две шкалы - стратиграфическую и геохронологическую.

Стратиграфическая шкала отражает последовательность накопления толщ, а геохронологическая шкала - соответствующий этому процессу период времени.

На основе большого количества данных по различным регионам и континентам была создана общая для земной коры Международная геохронологическая шкала, отражающая последовательность подразделений времени, в течение которых формировались определенные комплексы отложений и эволюцию органического мира.

Основные стратиграфические подразделения

1. Общие (участвуют в построении Международной и Общей стратиграфической шкал, в скобках даны геохронологические аналоги)

 

Стратиграфические подразделения	Геохронологические (временны´е) аналоги
Акротема – стратиграфическое подразделение, объединяющее горные породы, образовавшиеся в течение акрона.	Акрон - геохронологическое подразделение, объединяющее несколько эонов. Выделяют три акрона: архей (от 2600 млн. лет и древнее), протерозой (от 2600 до 570 (530) млн. лет) третий, начинающийся с палеозоя, не имеет собственного названия.
Эонотема – крупнейшая единица общей международной стратиграфической шкалы; отложения, образовавшиеся в течение эона. Bыделяются криптозойская эонотема докембрий) и фанерозойская эонотема, объединяющая палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эратемы.	Эон – длительный период времени, состоящий из нескольких эр.
Эратема (палеозойская, мезозойская, кайнозойская)	Эра
Система. В палеозойской эратеме 6 систем: кембрийская, ордовикская, силурийская, девонская, каменноугольная, пермская. В мезозойской эратеме 3 системы: триасовая, юрская, меловая. В кайнозойской эратеме 3 системы: палеогеновая, неогеновая, четвертичная (квартер).	Период
Отдел	Эпоха
Ярус	Век

Итак, например, пермский период следует определить как время, когда на Земле образовывались горные породы такого же типа, что ныне выходят на поверхность в окрестностях уральского города Пермь.

Юрская система подразделяется на 3 отдела и 11 ярусов:

Период (система)	Эпоха (отдел)	Век (ярус)	Млн. лет назад
Юрский период	Верхняя юра (Мальм)	Титонский	145,5–150,8
Кимериджский	150,8–155,7
Оксфордский	155,7–161,2
Средняя юра (Доггер)	Келловейский	161,2–164,7
Батский	164,7–167,7
Байосский	167,7–171,6
Ааленский	171,6–175,6
Нижняя юра (Лейас)	Тоарский	175,6–183,0
Плинсбахский	183,0–189,6
Синемюрский	189,6–196,5
Геттангский	196,5–199,6

2. Региональные

Горизонт

Слои с географическим названием. Например: паршинские слои.

Горизонты могут являться картируемыми подразделениями при среднемасштабной геологической съемке.

3. Местные (литостратиграфические)

Комплекс

Серия

Свита

Пачка

Местные стратиграфические подразделения выделяются в основном по литолого-петрографическим данным для удобства картирования, палеонтологическая характеристика в данном случае имеет подчиненное значение, из-за этого их часто называют литостратиграфическими подразделениями. Местные подразделения являются картируемыми подразделениями при средне- и крупномасштабной геологической съемке.

Каждое подразделение в геохронологической шкале имеет свое название. Названия происходят от греческих слов (археос -древний и т.д.) или от места, где они впервые были выделены. Кроме того, каждое подразделение имеет свой цвет и индекс, который состоит из начальных букв названия подразделения и цифр. Например: D₂ef означает - эйфельский ярус среднего девона. Такими индексами удобно пользоваться при составлении геологической карты или геологического разреза. Геологическая карта отражает распространение горных пород и их возраст на поверхности Земли.

Вопросы для подготовки:

1. Что изучает геология?

2. Строение Земли?

3. Что такое абсолютный возраст?

4. Что такое относительный возраст?

5. Как определяется возраст горных пород?

6. Что отражает стратиграфическая шкала?

7. Что такое стратиграфическое подразделение?

8. Что такое временной аналог?