Инженерно геологические изыскания в строительстве определение

Разделы геологии, посвященные геологическому времени, гео­логической истории и накопившимся толщам горных пород, на­званы геохронологией, исторической геологией и стратиграфией.

Почему геологическая наука так интересуется геологической ис­торией? Ответ следующий: в геологии широко применяется исто­рический подход, исследования без которого малоэффективны.

Исторический подход — это поиск, основанный на мысленном построении порядка цепочки событий. Так люди ищут потерянные вещи, так работают следователи, историки разбираются в про­цессах, происходивших много веков назад, врачи анализируют ис­тории болезней.

В геологии исторический подход дает ключ к ответу на многие конкретные вопросы: почему Земля и земная кора имеют именно такое строение; почему строение земной коры такое сложное; ка­ковы его закономерности; как искать и находить полезные ископа­емые; как решать прикладные задачи, связанные с использованием геологической среды для нужд природообустройства — строи­тельства, сельского, лесного, водного хозяйства, охраны природы и т.п.?

Делать ли инженерно-геологические изыскания перед строительством дома? Как их проводят и зачем

Итак, геологи давно пришли к мысли, что необходима рекон­струкция геологических событий — тектонических движений, внедрения магматических расплавов, наступления и отступления морей, накопления и размыва осадков, метаморфизма и выветри­вания, прихода ледников, работы рек, т.е. анализ того, что, как, когда и где происходило. Все это касается как крупнейших, гло­бальных участков земной коры, миллионов и миллиардов лет ис­тории, так и мелких геологических тел и элементов рельефа, сфор­мированных в современную эпоху.

Как уже отмечалось в гл. 1, Вселенная образовалась 13,7 млрд лет назад (эту цифру называют астрономы). Первые 10 из них ушло на обособление Земли как отдельного небесного тела, а в после­дующие 4,57 млрд лет появилась земная кора, и происшедшие в ней
процессы записаны в каменной летописи. Задача геологов — ее изучить и расшифровать.

Возраст древнейших пород, найденных на Земле, оценивается в 3,8 млрд лет. Отметим, что цифры возраста Вселенной и планеты Земля регулярно пересматриваются. Еще в начале XX в. возраст Земли оценивался в несколько десятков миллионов лет, и потом эта дата несколько раз передвигалась во все более отдаленное про­шлое.

Абсолютный и относительный возраст.

Абсолютный возраст — конкретные миллиарды, миллионы и тысячи лет. Методы опреде­ления, основанные на изучении радиоактивных элементов в со­ставе пород, появились к середине XX в., однако их применение по сей день считается непростым. Относительный возраст упро­щенно понимается как определение соотношения пород — какие моложе, какие старше. Верхнее всегда моложе нижнего — оче­видное обстоятельство, которое было ясно всегда. После развития палеонтологических методов учение об относительном возрасте превратилось в науку еще в XIX в.

Принципы относительной хронологии следующие:

• первичное накопление осадочных пород горизонтальное;
• вышележащие пласты моложе, нижележащие старше;
• обломки, находящиеся внутри какого-либо слоя, старше этого слоя;
• геологическое тело, пересекающее толщу слоев, моложе этих слоев;
• палеонтологические находки позволяют расставить пласты в хронологическом порядке — моложе, старше, одновозрастные.

Как и почему появилось понятие относительного возраста ? Изучение геологической среды началось с определения состава пород и разреза, однако только этих знаний оказалось явно недо­статочно. Разрез можно расчистить и пронаблюдать за ним на склоне гор или в долинах реки, можно пробурить скважины.

Как узнать какой фундамент можно строить на вашем участке? Геология!

Стратиграфический метод определения относительного возраста.

Проиллюстрируем принцип относительной хронологии. На рисунке ниже показан фрагмент горизонтального залегания пород.

Пласты пронумерованы от самого древнего и нижнего № 1 до самого молодого № 8 . Заметим, что самый верхний пласт имеет № 7. Последовательность геологических событий была следующей. Первоначально в морских условиях накопилась толща осадков с пластами, пронумерованными от 1 до 7, которые постепенно уплотнились и превратились в горные породы.

Схематический геологический разрез горизонтально залегающих пород

Далее произошло тектоническое воздымание, и на данной территории образовалась суша. Пласт № 7 оказался залегающим на поверхности. Потом на­чались эрозионные процессы, появилась река, она выработала до­лину, пласты № 6—1 обнажились на склоне, причем пласт № 1 лишь частично, его подошва (нижняя граница) на поверхность не вышла, и где она находится, мы не знаем. Некоторое время спустя на дне долины отложились речные накопления — пласт № 8 , который частично перекрывает только пласт № 1. Рассуждения такого рода используются при анализе геологических условий на сравнительно небольших площадях, в том числе при изысканиях для целей природообустройства.

Кровля и подошва — верхняя и нижняя границы пласта. На­пример, для пласта № 5 кровля — это его граница с пластом № 6 , а подошва — граница с пластом № 4.

Мощность — размер (толщина) пласта от кровли до подошвы. Положение подошвы пластов № 1 и № 8 по разрезу не опреде­ляется, соответственно не определима их полная мощность. Ви­димая мощность пласта № 1 оценивается только по его небольшому выходу на поверхность в нижней части склона, а пласта № 8 — по высоте обрыва над уровнем реки.

Петрографический метод определения относительного возраста.

Если рассматривается небольшой участок с простым залеганием пород, то, действительно, многое (но далеко не все) упрощается. Например, по сходному составу пород можно сопоставить разрезы, вскрытые на соседних склонах долины реки (рис. ниже).

Одинаковые по составу породы будут считаться фрагментами единого, существовавшего когда-то пласта, т.е. одновозрастными.

Иллюстрация петрографического метода определения относительного возраста пород.

Одинаковые по составу пласты на разных берегах долины реки являются частями единого когда-то пласта (показаны штриховкой).

Условия, аналогичные показанным, регу­лярно имеют место на площадках строительства, мелиорации и т.п. Вскрытые пласты в массовом порядке становятся предметом инже­нерно-геологических изысканий.

Однако ситуация может быть сложнее. Как сопоставить разрезы, если состав изменяется по простиранию, если разрезы не со­впадают, если расстояние между разрезами — многие километры; как быть при складчатом или нарушенном разломами залегании; как хранить геологическую информацию?

Геология отвечает на эти вопросы так: прежде всего пласты мар­кируются по возрасту и происхождению, возраст определяется биостратиграфыческими (палеонтологическими ) методами. Чем крупнее рассматриваемые территории и соответствующие им геологиче­ские тела, тем большее значение имеет возраст пород при поиске и анализе геологических закономерностей.

Вместе с тем небольшая площадка инженерного освоения обычно находится в пределах одного-двух (реже больше) геологи­ческих тел, выделенных по возрасту, и наиболее важным стано­вится правильное определение состава и свойств пород.

Геохронологическая и стратиграфическая колонка.

В конце XVIII — начале XIX в. геологи обратили пристальное внимание на окаменелости — остатки живых организмов, встречающиеся в горных породах. Довольно быстро оформилась отдельная наука — палеонтология — учение об ископаемых формах жизни.

Палеонтологам удалось выстроить единую для всей Земли цепочку жизни вымерших организмов от самых древних до современных. Именно по появлению, расцвету и исчезновению представителей животного и растительного мира история Земли была разделена на эры, периоды, эпохи и века. В 1881 г. на Международном геоло­гическом конгрессе была принята геохронологическая колонка.

Одним из ее авторов был русский ученый А.П. Карпинский. Комп­лексы пород, соответствующие геохронологическим подразделениям, были названы стратиграфическими, и была составлена стратиграфическая шкала, использующая те же названия.

Примеры сложностей при определении залегания пород

а — пород по простиранию при наклонном залегании; 6 — складчатое залегание; в — залегание, нарушенное тектоническим разломом

Соотношение геохронологических и стратиграфических подразделений

Толща, серия, свита, формация, пачка, пласт, слой, горизонт

Геохронологическая колонка оказалась очень удобным инстру­ментом систематизации геологических знаний, главное, что на ее основе строятся и применяются все стратиграфические схемы и карты. Впоследствии геохронологическая колонка многократно дополнялась и уточнялась. Она широко используется и в настоящее время в областях, использующих геологическую информацию, таких, как строительство, мелиорация, водоснабжение, агрономия, гидрогеология и инженерная геология (табл.ниже).

Геохронологическая (стратиграфическая) колонка

желто-серый или белый

Верхний Плиоцен N2

Нижний Миоцен N1

зеленый с коричневым оттенком

зеленый с синим оттенком

Примечание. На картах и разрезах нижние отделы раскрашиваются ярче, верхние — бледнее.

По сравнению с ними находки костей континентальных жи­вотных — большая или очень большая редкость. Находка костей

К ископаемым формам относятся окаменелости животных, ос­татки и отпечатки растений, споры и пыльца растений, и даже ар­хеологические находки, относящиеся к древнему человеку. Огово­римся сразу: ископаемые окаменелости — это в основном то, что в обыденной жизни зовется ракушками, а также остатки других морских животных — ежей, губок, кораллов и т.п. (рис. ниже).

Окаменелости

а — трилобит (палеозой); б — аммонит (мезозой)

По сравнению с ними находки костей континентальных жи¬вотных — большая или очень большая редкость. Находка косте й динозавров или костей мамонта — научное событие. При работе с отложениями четвертичного периода (последних 2—3 млн лет) на первый план выходит изучение спор и пыльцы’ растений.

Поиск вымерших форм жизни — совсем не простая работа, а датирование на их основе геологических тел — сложное научное исследование. Внутри пласта может быть найдено много различных окаменелостей. Наибольшее внимание к «короткоживущим» формам, которые в момент своего расцвета широко распространи­лись, но существовали недолго и быстро вымерли. Окаменелости, на основе которых производится датировка пластов, называются руководящими. Пласт, вообще не содержащий окаменелостей, на­зывается «немым».

Как можно видеть, в истории Земли выделено 5 эр, 14 периодов, 37 эпох и около 150 веков — разные авторы и справочники могут давать несколько отличающиеся класификации.

Названия эр и эонов означают: кайнозой — новая жизнь, ме­зозой — средняя жизнь, палеозой — древняя жизнь, протерозой — ранняя, архей — начальная, фанерозой — явная, криптозой — скрытая. Названия периодов взяты в основном из географии — по имени той местности, по отложениям которой данный период был выделен. Например, названия кембрий, девон — английские, юра, триас — французские, рифей, венд, пермь — российские.

Параллельно с геохронологией развивалась стратиграфия — наука об имеющихся в земной коре пластах. Любой встреченной где-либо в разрезе толще пород присваиваются наименование и геологический индекс в соответствии с ее происхождением, отно­сительным геологическим возрастом и географическим местополо­жением. Например, индекс gQII m — ледниковые среднечетвер­тичные отложения московского оледенения. Первая маленькая латинская буква в индексе означает происхождение, большая ла­тинская буква и цифра при ней — возраст (систему и отдел), по­следние маленькие буквы — ярус и прочие более мелкие стратигра­фические подразделения.

При индексировании пород морского происхождения, которых значительно больше, чем континентальных, знак морского проис­хождения — буква т опускается: С2 mр — каменноугольная система (карбон), средний отдел, московский ярус, подольский горизонт. Индекс нужен для того, чтобы можно было отмечать геологические тела на разрезах и картах, а также находить их в справочных сис­темах. Помимо индекса для обозначения геологических тел оса­дочных пород на картах и разрезах применяется окраска бледных тонов, т.е. индекс и окраска дублируют друг друга.

Для обозначения состава осадочных пород используются штри­ховые знаки — точки, галочки, штриховки, крестики и т.п., что ранее уже использовалось. Для индексирования и обозначения состава магматических пород используются буквы греческого алфавита, штриховые знаки и окраски яркого тона.

Геохронологическая и стратиграфическая колонки часто рас­сматриваются как равнозначные. Принципиальное различие со­стоит в том, что геологическое время было повсеместно и непре­рывно, а вот стратиграфическая колонка — это умозрительное по­строение. Представленные в ней подразделения собраны со всего земного шара.

На земле нет такого места, где бы стратиграфическая колонка присутствовала целиком. Временные границы имеющихся геологических тел могут не соответствовать границам геохроно­логии. Покажем это на схеме (рис. ниже).

Иллюстрация соотношения границ геохронологии и времени накопления конкретных пластов

На ней изображены четыре века с их границами и временные границы двух пластов. Как можно видеть, накопление пласта А произошло внутри первого века, а накопление пласта Б началось в середине первого и закончилось в начале четвертого.

Подобная картина наблюдается очень часто, поэтому для обозначения конкретных геологических тел широко используются термины произвольного употребления. Для простых геологических тел — термины «пласт», «пачка», «слой», «горизонт», для более сложных, состоящих из нескольких пластов, — «толща», «серия», «свита», «формация». Соответственно используется слово «время». Например, накопление упоминавшегося подольского горизонта происходило в подольское время.

Конкретных пластов в земной коре только на территории нашей страны насчитывается много тысяч.

К настоящему времени все известные геологические тела про­индексированы и расставлены в хронологическом порядке. По­строены стратиграфические схемы всех регионов мира. Сегодня они широко и эффективно используются не только геологами, но и в отраслях экономики, где необходимы геологические данные. При рассмотрении очередного геологического тела нужно взять его индекс и разыскать в системе геологической информации.

«Стратиграфический словарь СССР» (1985) — это многотом­ное издание, причем каждый том содержит несколько сотен стра­ниц [13]. В алфавитном порядке приводится характеристика всех известных стратиграфических подразделений. Указываются состав, мощность, площадь распространения, руководящая фауна, полез­ные ископаемые и прочие сведения. В разные годы были выпу­щены систематизирующие издания, посвященные различным во­просам геологии: «Геология СССР», «Гидрогеология СССР», «Ин­женерная геология СССР» и аналогичные сборники по Российской Федерации. При необходимости разыскать исходную информа­цию — полевую документацию, колонки скважин, лабораторные данные свойств пород и т.п. — приходится обращаться в геологиче­ские фонды и архивы.

Рассмотрим пример использования данных стратиграфии (гео­хронологии). На рис. приведен пример инженерно-геологичес­кого разреза.

Пример построения инженерно-геологического разреза на стратиграфической основе

Показаны три пласта, относительный возраст и происхождение которых известны, — днепровская морена ( gQII dn ), московская мо­рена ( gQII m ), аллювиальные (речные) отложения (aQIII), представ­ленные суглинком. Оба пласта морены — тоже суглинки. Пробу­рены неглубокие скважины, и в точках 1—7 отобраны образцы для измерения свойств пород в связи с намечаемым строительством.

С точки зрения геологии очевидным является факт, что свойства днепровской морены можно оценить по пробам № 2, 4, 7, свойства московской морены — по пробам № 1 , 3, свойства аллювия — по пробам № 5 и 6 . По всем четырем скважинам имеет место двух­слойное основание, представленное двумя слоями суглинков. Вопрос о возможном объединении пластов и принятии схемы од­нослойного основания может решаться только после количест­венной оценки свойств в лаборатории. Аналогичны будут рассуж­дения, если производится поиск полезных ископаемых, например, россыпи внутри одного из пластов, а два других пласта будут неин­тересны. Как быть, если вообще выделение пластов по возрасту и происхождению не было выполнено? Можно ошибиться в выби­раемой расчетной схеме.

Абсолютный возраст — возраст горных пород в миллиардах, мил­лионах и тысячах лет. Методы определения абсолютного возраста пород основаны на исследовании естественной радиоактивности горных пород и потому называются радиологическими. Всеми от­мечается их высокая стоимость.

Радиологические методы появились в середине XX в., т.е. примерно на 150 лет позже методов определе­ния относительного возраста, которые к тому времени уже получили всеобщее признание, когда история Земли, континентов и геологи­ческих провинций уже была написана. Благодаря новым методам геохронологическая колонка пополнилась конкретными времен­ными сроками в миллионы лет. Горные породы и Земля в целом оказались намного старше, чем предполагалось первоначально.

Сегодня /методы абсолютного летоисчисления преобладают в двух случаях: 1 ) при исследованиях магматических пород — в них нет и не может быть окаменелостей; 2 ) при исследованиях пород докембрия — в них мало биогенных остатков. Эти породы сильно метаморфизованы, что мешает необходимым измерениям, но дру­гих методов пока не существует.

Идея методов определения абсолютного возраста заключается в следующем. В минералах в очень незначительных количествах со­держатся радиоактивные изотопы элементов, входящих в их состав. Если суметь внутри кристаллической решетки подсчитать коли­чество исходных радиоактивных элементов и продуктов их распада, то, зная период полураспада, можно вычислить, какое время назад

образовался данный кристалл. Помимо кристаллов могут быть ис­пользованы материал раковин, скелета морскйх организмов или костная ткань наземных животных.

В настоящее время используются свинцовые, рубидий-стронци- евый, калий-аргоновый, радиоуглеродный и аргоновый методы. Приведем формулы превращений (в скобках указаны периоды по­лураспада):

238 U→ 206 РЬ + 8 4 Не (Т= 4,56 млрд лет);

235 U→ 207 РЬ + 7 4 Не (Т= 0,713 млрд лет);

232 Th→ 208 РЬ + 6 4 Не (Т= 13,89 млрд лет);

87 Rb→ 87 Sr+ β (Т= 49,9 млрд лет);

40 К + е →Са + β (7’= 1,31 млрд лет);

14N + п = 6 14 С = 7 14 N+ β (Т= 5,75 тыс. лет).

Сложности методов возникают из-за утечек газообразных про­дуктов распада и за счет привнесения дополнительных компо­нентов. Мнения в отношении точности этих методов разняться — кто-то считает ее хорошей, кто-то — нет. Однако все сходятся во мнении, что результаты должны подтверждаться за счет приме­нения разных методик.

Наиболее надежным считается свинцовый метод, так как воз­раст определяется по трем изотопам свинца, являющимся конеч­ными продуктами распада. Недостаток метода — он применим только для магматических пород.

Для датировки осадочных пород используются аргоновый и стронциевый методы.

Радиоуглеродный метод используется для установления возраста наиболее молодых пород и археологических находок. Возможный диапазон определения возраста объектов — не старше 70 тыс. лет.

С помощью радиоуглеродного метода устанавливался возраст на­ходок мамонтов в Сибири, время наступления и отступления лед­ников на Русской равнине и даже возраст Туринской плащаницы, которую датировали XIII—XIV вв.

Другие методы определения абсолютного возраста по скорости накопления осадка, по скорости тектонического опускания или подъема эффективны только для незначительных отрезков времени.

Источник: ros-pipe.ru