Инженерная геология (стр. 1 из 7)
Контрольная работа
по Инженерной геологии
Введение
Геология – комплекс наук о составе, строении, истории развития Земли, движениях земной коры и размещении в недрах Земли полезных ископаемых. Основным объектом изучения, исходя из практических задач человека, является земная кора.
Особое развитие получила такая составная часть геологии, как инженерная геология – наука, изучающая свойства горных пород (грунтов), природные геологические и техногенно - геологические (инженерно-геологические) процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека.
В современных условиях инженерная геология изучает геологическую среду для целей строительства и для обеспечения её рационального использования и охраны от неблагоприятных для человека процессов и явлений. Главная цель инженерной геологии – изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологической среде, и в первую очередь в породах, в процессе строительства и эксплуатации сооружений.
На первый план выступают задачи по оценки горных пород и их массивов как среды производства инженерных работ и размещения сооружений.
В данной работе освещены геологические процессы и явления естественного (природного) происхождения. А также рассмотрены вопросы, связанные с деятельностью человека при осуществлении строительных работ.
1. Химический состав земной коры. Понятие о кларках и их величины для основных химических элементов. Причины изменения химического состава земной коры
Земная кора является наиболее хорошо изученной твердой оболочкой Земли. Название «кора» исторически связано с представлением о твердой оболочке, образовавшейся в результате остывания поверхностных слоев расплавленного огненно-жидкого вещества Земли, из которого она состояла первоначально, как это представлялось по ранее господствовавшим космогоническим гипотезам.
Земля уникальна тем, что обладает корой двух типов: континентальной и океанической. Масса земной коры равна 2,8 х 1019 тонн (из них 21% -океаническая кора и 79% - континентальная). Кора составляет 0,473% общей массы Земли.
Земная кора образована различными по составу и происхождению горными породами. Проблемами химического состава земной коры, закономерностями его изменения в пространстве и во времени занимается наука – геохимия. По данным геохимии в земной коре установлено 93 химических элементов. Большинство из них являются сложными т.е. представлены смесью различных изотопов. В земной коре известно более 360 изотопов.
Впервые попытался оценить средний химический состав земной коры в 1815 г. английский минералог В. Филлипс на примере, правда, всего лишь 10 элементов. В общем, он правильно определил количественную последовательность распространенности их и показал, что в неорганической природе резко преобладают кислород и оксиды кремния, алюминия и железа, подобно тому как в живой природе «царствует» четверка элементов-органогенов: кислород, водород, углерод и азот. То была эпоха накопления сведений. Затем наступило время обобщений. Наиболее значимыми исследованиями были труды американского геохимика Ф. Кларка. Он проанализировал данные по химическому составу большого количества минералов и горных пород: этих данных было более 5000. В 1889 г. Ф. Кларк опубликовал первую сводную таблицу среднего химического состава земной коры. Это было лишь начало. Спустя 20 лет появился гораздо более капитальный труд, в котором Ф. Кларк обобщил работы почти 1000 исследователей. В этом справочнике можно было найти данные о составе горных пород, почв и вод. Вскоре Ф Кларк с помощью геолога Г. Вашингтона произвел классический расчет среднего содержания химических элементов в условном слое земной коры толщиной 16 км. Полученные данные для наиболее распространенных элементов q тех пор изменялись в незначительной степени.
Среднее содержание отдельных элементов в земной коре называют кларками. Различают кларки весовые (массовые), атомные и объемные. Весовые кларки – это средние массовые содержания элементов, выраженные в процентах или в граммах на грамм породы. Атомные кларки выражают процентные количества числа атомов элементов. Объемные кларки показывают, какой объем в процентах занимает данный элемент.
В сумме эти числа дают около 98%. Следовательно, на долю всех остальных элементов, существующих на Земле, приходится немногим более 2%. Словом, геохимия констатирует крайне неравномерное распределение химических элементов в земной коре.
Анализ кларковых содержаний различных химических элементов позволил установить некоторые закономерности их распространённости в земной коре:
· Кларки отдельных элементов изменяются от десятков процентов до 10-8 и ниже т. к. распространенность хим. элементов в земной коре крайне неравномерна и характеризуется большими контрастами.
· Распространенность хим. элементов связана с их положением в периодической системе. Как отмечал еще Д.И. Менделеев, наиболее распространенные элементы земной коры располагаются в начале периодической системы. С увеличением порядкового номера распространённость элементов неравномерно убывает. Таким образом, в земной коре явно преобладают легкие элементы. А.Е. Фермсан для более наглядного изображения особенностей распространения хим. элементов построил полулогарифмический график (рис. 1)
Рис. 1. Логарифмы кларков химических элементов: 1-четных; 2-нечетных.
На графике хорошо видны избыточные и недостаточные, или дефицитные, хим. элементы, дающие соответственно пики вверх и вниз.
· Из двух соседних элементов периодической системы кларк четного элемента. как правило, выше кларка нечетного. При этом наиболее высокими кларками обладают элементы, раз), разности порядковых номеров которых равны или кратны 6, например О (8), Si (14).
· Главными элементами – строителями литосферы являются всего восемь химических элементов – О, Si,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg. (см. таблицу 2). При этом ведущее место среди них принадлежит кислороду, составляющему почти половину массы литосферы и около 92% ее объема. Наиболее распространенными являются элементы с наиболее устойчивыми ядрами атомов. Дефицитность же ряды элементов, наоборот, обусловлена малой устойчивостью ядер их атомов.
Также существуют гипотезы, которые связывают закономерности распространенности хим. элементов с особенностями образования земной коры как части Земли. Предполагается, что во время возникновения земной коры, существовали такие энергетические условия, которые благоприятствовали образованию хим. элементов с энергией связи в ядре, соответствующей наиболее распространенным хим. элементам. Таким образом, распространенность хим. элементов в земной коре в настоящее время определяется двумя видами закономерностей: обусловленными свойствами ядер хим. элементов и связанными с особенностями образования земной коры как части Земли. Особенности химического состава земной коры достаточно удовлетворительно объясняются механизмом ее образования. Наиболее обоснованной и экспериментально и теоретически является гипотеза о «зонном» выплавлении вещества земной коры из мантии, разработанная А.П. Виноградовым. В основу ее экспериментального обоснования положен технологический процесс зонной плавки. Механизм этого процесса представлен на рис. 2.
Рис. 2. Моделирование процесса зонной плавки.
1-исходная смесь; 2-расплав; 3-закристаллизованное вещество; 4-нагреватель
В трубку поместили смесь соединений, обладающих различной температурой плавления. При помощи нагревателя 4 расплавим узкую зону внизу трубки и будем перемещать нагреватель вверх вдоль трубки. По мере движения нагревателя всё вещество трубки пройдет стадии плавления и последующей кристаллизации. Если такую операцию повторить неоднократно, то исходная смесь разделиться: вверху обособятся более легкоплавкие соединения, внизу – более тугоплавкие. Данные механизмы имеют место при образовании земной коры. При достижении массой Земли некоторой критической величины произошло образование ядра. Под влиянием энергии, выделяемой при распаде радиоактивных элементов, а также за счет гравитационного уплотнения, началось разогревание первоначально холодной Земли. Расплавленные массы под влиянием конвекционных токов перемещались в радиальном направлении к поверхности Земли, проплавляя при совем движении вещество мантии. Многократное повторение этого процесса обусловило закономерную дифференциацию вещества, а именно- вынос из мантии относительно легкоплавких соединений (К2О, Na2O, SiO2, Al2O3), накопление их в верхней оболочке Земли, которую мы называем земной корой. Таким образом, по механизму своего образования земная кора есть не что иное, как продукт дифференциации мантии. Одновременно с выплавлением легкоплавких соединений из вещества мантии происходило выделение паров и газов. В результате дегазации мантийного вещества образовалась основная масса газов и воды, имеющихся на Земле. В настоящее время можно считать установленным, что единственным источником паров воды, при конденсации которых могли образоваться огромные массы Мирового океана, было вещество мантии Земли.
Химический состав земной коры изменяется в течение геологического времени, причем эта эволюция продолжается по сей день. Основными причинами изменения химического состава являются:
· Процессы радиоактивного распада, приводящие к самопроизвольному превышению одних химически элементов в другие, более устойчивые в условиях земной коры.
· Поступление метеорного вещества в виде метеоритов и космической пыли.