Инженерная геология. 
Инженерная геология и горные породы

Инженерная геология — наука о строении, свойствах и динамике геологической среды, её рациональном использовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью; один из разделов геологических наук. Основные задачи инженерной геологии: исследование современной морфологии и закономерностей формирования инженерно-геологических условий, прогнозирование их изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности; инженерно-геологическое обоснование защитных мероприятий, обеспечивающих рациональное освоение территории, недр и охрану окружающей среды. Для решения задач инженерной геологии используют натурные наблюдения, полевые и лабораторные эксперименты, моделирование, аналитические расчёты, режимные стационарные наблюдения и другие общегеологические и специальные методы.

Инженерная геология, как и любая другая наука, имеет свой предмет, свои задачи и методы исследования. Она разрабатывает широкий круг научных геологических проблем и решает практические задачи, возникающие при проектировании и строительстве всевозможных сооружений (гражданских и промышленных зданий, городов, дорог, мостов, гидроузлов, тепловых и атомных электростанции, туннелей и метрополитенов, аэродромов, портов, шахт, карьеров, скважин и др.), при проведении инженерных работ по улучшению территорий (осушение, орошение, борьба с оползнями, селевыми и другими геологическими явлениями), а также при выполнении горных работ на месторождениях полезных ископаемых.

Инженерная оценка территорий, выбранных для строительства или другого хозяйственного использования, определяется в первую очередь их геологическим строением — геологическими условиями в широком смысле этого слова. Геологические условия в данном случае принято называть инженерно-геологическими, потому что их изучают и оценивают в инженерном аспекте, а прогноз их изменений составляют в связи со строительством сооружений и выполнением инженерных работ. Эффективно решать такие задачи можно только на основе познания закономерностей формирования и изменений геологических условии территории.

В инженерной практике часто приходится встречаться с геологическими условиями, неблагоприятными для строительства сооружений и выполнения инженерных работ, например со слабыми, непрочными или сильно обводненными горными породами, с развитием тех или иных геологических явлений и т. д. Инженерная геология занимается изучением и оценкой этих условий, выбором для строительства лучших участков, дает рекомендации по обеспечению устойчивости сооружений н нормальных условий их эксплуатации.

В связи с тем что возводимые сооружения и различные инженерные работы так или иначе сами влияют на природные геологические условия, инженерная геология занимается изучением и прогнозом и тех геологических явлений, которые могут возникнуть под их воздействием (просадки, провалы, оползни др.). Инженерная геология также определяет те меры, которые необходимо предпринять для обеспечения устойчивости и долговечности сооружении и нормальных условий производства работ. В связи с перечисленным возникла необходимость в постановке и решении проблем рационального использования геологической среды и ее охраны.

Инженерная геология включает грунтоведение, инженерную геодинамику, инженерную петрологию и региональную инженерную геологию. Грунтоведение исследует состав, строение и свойства грунтов, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения в процессе инженерно-хозяйственной деятельности человека.

Инженерная геодинамика изучает механизм, геологические причины и закономерности развития в геологической среде природных и инженерных геологических процессов в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью.

Региональная инженерная геология исследует строение и свойства геологической среды различных структурных зон земной коры, закономерности формирования их инженерно-геологических условий и пространственно-временного изменения в связи с инженерной деятельностью.

В инженерной петрологии исследуются свойства горных пород, определяющие их поведение в сфере воздействия инженерных работ и сооружений. В теоретическом плане главной проблемой является изучение природы свойств горных пород, знание которой составляет научную базу для их прогнозирования и управления этими свойствами.

Инженерная геология изучает объекты, расположенные как в пределах суши, так и в пределах акваторий, находящиеся на различной глубине от поверхности. Большая часть объектов находится в приповерхностной зоне геологической среды, для которой характерна высокая динамичность во времени.

Прикладные разделы: инженерная геология городов и городских агломераций, инженерная геология месторождений полезных ископаемых (инженерная геология в горном деле), мелиоративная инженерная геология, инженерная геология в гидротехническом строительстве и в строительстве дорог, трубопроводов, ЛЭП и др. Каждый из разделов решает определённые задачи, ему свойственна специальная методика исследований, которая включает методы получения, обработки и представления результатов инженерно-геологических изысканий, а также методологию и технологию их проведения Ананьев В. П., Потапов А. Д. «Инженерная геология» М, Высшая школа, 2005 г., — 511 с.

Литосфера — это твердая внешняя оболочка планеты. На Земле, она включает в себя земную кору и верхнюю часть мантии, которые представляют собой твердый и жесткий внешний слой планеты. Литосфера лежит на астеносфере, более слабой, более горячей, и более глубокой части верхней мантии. Граница между литосферой и астеносферой определяется различием в ответ на напряжение: литосфера остается жесткой в?? течение очень длительного геологического времени, и деформируется разломами, в то время как астеносфера деформируется вязко и пластично. Литосфера разбита на тектонические плиты. Самая верхняя часть литосферы, что вступает в химическую реакцию с атмосферой, гидросферой и биосферой через процесс формирования почвы, называется педосферой.

Существуют два типа литосферы:

Океаническая литосфера, которая связана с океанической корой и существует в океанических бассейнах;

Континентальная литосфера, которая связана с континентальной корой.

Океаническая литосфера, как правило, толщиной около 50−100 км (но под срединно-океаническими хребтами не толще, чем кора), в то время как континентальная литосфера имеет диапазон толщины от 40 км до 200 км, верхние 30 — 50 км типичной континентальной литосферы является корой. Мантия литосферы состоит в основном из перидотитов. Кора отличается от верхней мантии изменением химического состава.

Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли, а гидросфера — это прерывистая водная оболочка, состоящая из океанов, морей, озер, рек, болот, подземных вод, ледников и снежного покрова, расположенная на поверхности Земли. В нижней части атмосферы и в гидросфере располагается биосфера. Атмосфера и гидросфера ответственны за многие геологические экзогенные процессы.

Состав атмосферы. Воздух вблизи земной поверхности состоит (без водяного пара) из 78% по объему (76% по массе) азота и 21% по объему (23% по массе) кислорода. 1% почти полностью представлен аргоном. Все другие составляющие сухого воздуха, а это — гелий (Не), неон (№), метан (СН4), водород (Н2), оксид азота (К02), диоксид серы (802), радон (Кп), аммиак (КН3, озон (О3) содержатся в ничтожных количествах.

Воздух может содержать также частицы, попадающие в него при извержениях вулканов, лесных пожарах и за счет техногенной деятельности человека. Особенно опасны аэрозоли от окисления газов, содержащих серу, хлорфторуглероды. Хорошо известны кислотные дожди, возникающие за счет промышленной деятельности человека.

Водяной пар содержится в стратосфере в ничтожных количествах, но на высоте около 25 км присутствуют переохлажденные капельки воды, образующие тонкие перламутровые облака.

Над стратопаузой до высоты в 80 км находится мезосфера, в которой температура снова понижается до -100°С и венчается слой, с давлением воздуха в 100 раз меньшим, чем у поверхности Земли — мезопаузой. В этих 3-х слоях заключено 99,5% всей массы атмосферы.

Выше мезопаузы располагается термосфера, в которой температура сновав резко повышается до +1200−1500°С на высотах в 250 км, а верхняя граница термосферы находится на уровне 800−1000 км, выше которого выделяется экзосфера или сфера ускользания газов. Космические исследования показали, что еще до высот в 20 000 км простирается т.н. земная корона, в которой на 1 см приходится около 1000 частиц газа.

Климат Земли определяется атмосферной циркуляцией, теплооборотом и влагооборотом, а также и астрономическими факторами — наклоном оси вращения Земли к плоскости эклиптики, светимостью Солнца и т. д. Климат, присущий отдельно взятому региону, определяется рядом факторов: географической широтой, наличием морей и суши, рельефом, растительностью, ледовым покровом и другими. От климата зависит характер выветривания и другие экзогенные геологические процессы.

Гидросфера — это прерывистая оболочка Земли от распространения воды в атмосфере, до нижней границы подземных вод. Водяной пар содержится в атмосфере от 0,2% в высоких широтах до 4% в тропическом экваториальном поясе и постоянно поступает в атмосферу при испарении воды с поверхности водоемов, почвы, а также растительностью (транспирация). Вода Мирового океана покрывает 71% поверхности Земли (361 млн. км2), если сюда присоединить все остальные водоемы, то — 383 млн. км2, с учетом зимнего снежного покрова — 443 млн. км, т. е. 83% площади поверхности земного шара.

Роль океанов заключается и в том, что их вода, будучи теплее в среднем, чем атмосфера, на 3 °C, непрерывно обогревают последнюю, имея запас тепла в 21 раз больше, чем в атмосфере. Между атмосферой и гидросферой все время осуществляется сбалансированный обмен теплом.

Биосфера, по Вернадскому, — земная оболочка, область существования живого вещества. Она включает в себя не только живые организмы, но и изменённую ими среду обитания (кислород в атмосфере, горные породы органического происхождения и т. п.).

Биосфера является одной из геологических оболочек Земли или геосфер. В состав биосферы входят верхние слои литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера) и вся гидросфера, связанные между собой сложными круговоротами веществ и энергии. Нижний предел жизни на Земле (до глубины 3 км) ограничен высокой температурой земных недр, верхний предел (20 км) — жёстким излучением ультрафиолетовых лучей (всё, что находится на высоте ниже 20 км, защищено от губительного излучения двадцатикилометровым озоновым слоем). Тем не менее, на границах биосферы можно найти, в основном, лишь микроорганизмы (обычно в виде спор); наибольшая же концентрация биомассы наблюдается у поверхности суши и океана, в местах соприкосновения оболочек. Организмы, составляющие биосферу, обладают поразительной способностью к размножению и распространению по планете.

Биосфера играет важную роль в распределении энергетических потоков на Земле. В год до Земли доходит около 1024 Дж солнечной энергии; 42% из неё отражается обратно в космос, а остальное поглощается. Другим источником энергии является тепло земных недр. 20% энергии переизлучается в мировое пространство в виде тепла, 10% расходуется на испарение воды с поверхности Мирового океана. Зелёные растения преобразуют в процессе фотосинтеза около 1022 Дж в год, поглощают 1,7 • 108 т CO2, выделяют около 11,5 • 107 т кислорода и испаряют 1,6 • 1013 т воды. Исчезновение растений привело бы к катастрофическому накоплению углекислоты в атмосфере, и через сотню лет жизнь на Земле в её нынешних проявлениях погибла бы. Наряду с фотосинтезом в биосфере происходит почти такое же по масштабам окисление органических веществ в процессах дыхания и разложения.

В организмах содержатся все известные сегодня химические элементы. Если некоторые из них (водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие) являются основой жизни, то другие (рубидий, платина, уран) имеются в организмах в очень малых количествах. Организмы участвуют в миграции химических элементов как прямо (выделение кислорода в атмосферу, окисление и восстановление различных веществ в почвах и гидросфере), так и косвенно (восстановление сульфатов, окисление соединений железа, марганца и других элементов). Биогенная миграция атомов вызвана тремя основными процессами: обменом веществ, ростом и размножением организмов. Огромную роль в биогеохимической активности играет человек, извлекая ежедневно в ходе добычи полезных ископаемых миллиарды тонн горной породы. Влияние человека на глобальные геохимические процессы с каждым годом только кастет Справочник по инженерной геологии. Под ред. М. В. Чуриновой. М.: Недра, 1981, 325 с.