Химический состав земной коры. 2

Содержание

Введение..................................................................................................3

Вопрос № 1..............................................................................................4

Вопрос №2...............................................................................................6

Вопрос №3.............................................................................................10

Вопрос №4.............................................................................................14

Вопрос №5.............................................................................................17

Вопрос №6.............................................................................................21

заключение............................................................................................24

список использованной литературы...................................................25

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.

Вопрос  №1. 

Химический  состав земной коры. Понятие о кларках  и их величины для основных химических элементов. Причины изменения химического  состава земной коры

Наиболее хорошо изученной твердой оболочкой Земли является земная кора. Земля 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. [3]

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 элемента. Большинство из них являются сложными т.е. представлены смесью различных изотопов. В земной коре известно более 360 изотопов.

Первым, кто попробовал узнать средний состав земной коры, был минералог В. Филипс. Он, на примере 10 элементов показал, что в неорганической природе преобладают кислород и оксиды кремния, железа и алюминия.

Первые цифры о химическом составе этой части земной коры были опубликованы в 1889 г. американским ученым Ф. Кларком как среднеарифметические из имевшихся в его распоряжении 6000 химических анализов различных горных пород. В последующем эти цифры уточнялись. Но чтобы отметить заслугу Ф. Кларка, посвятившего этой проблеме около 40 лет, А. Е. Ферсман предложил называть процентное содержание элемента в земной коре кларком этого элемента (например, кларк железа, кларк магния и др.). В Советском Союзе вопросами химического состава земной коры занимались В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, В. Г. Хлопин, А. П. Виноградов, А. Б. Ронов, А. А. Ярошевский, Г. В. Войткевич и др.[1 стр.9]

 Различают кларки:

- весовые – это средние массовые содержания элементов, выраженные в процентах или в граммах на грамм породы;

- атомные - выражают процентные количества числа атомов элементов;

- объемные - показывают, какой объем в процентах занимает данный элемент.

Главными элементами литосферы  являются восемь химических элементов – О, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg. При этом ведущее место среди них принадлежит кислороду, составляющему почти половину массы литосферы и около 92% ее объема.

Весовые кларки наиболее распространенных химических элементов земной коры. [1 стр 11]

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.

·  Продолжающиеся процессы дифференциации вещества Земли, приводящие к миграции химических элементов из одной геосферы в другую.

Вопрос  №2.

Дизъюнктивные нарушения залегания горных пород

Дизъюнктивные нарушения это общий термин для трещин, разрывов, разломов, обозначающий разрывы сплошности геологических тел..

Дизъюнктивные нарушения делятся:

По происхождению  на: нетектонические, возникающие при  выветривании, оползнях, падении метеоритов и сокращении объёма породы; и тектонические, подразделяемые на разрывы без смещения (трещины) и разрывы со смещением (сбросы, взбросы, сдвиги, надвиги, шарьяжи и раздвиги).

По отношению  к складчатым и другим тектоническим  структурам они могут быть краевыми или граничными, внутренними и сквозными.

По глубине проявления - приповерхностными или глубинными, рассекающими земную кору и верхнюю мантию.

Разрывы в горных породах делятся на две большие  группы. К первой группе относятся трещины, представляющие собой разрывы, перемещения по которым имеют очень незначительную величину. Во вторую группу объединяются разрывы с заметными перемещениями пород, разъединяемых разрывами. Совокупность трещин, разбивающих тот или иной участок земной коры, называется трещиноватостью. По степени проявления трещины можно разделить на три группы: открытые, закрытые и скрытые.

В открытых трещинах, полость четко видима. Закрытые трещины характеризуются тем, что разрыв хорошо заметен невооруженным глазом, но стенки трещин оказываются сближенными до такой степени, что заметить полость по разрыву не удается.

Скрытые трещины обнаруживаются при разбивании или окрашивании горных пород, а при обычных наблюдениях не заметны,

В геометрической классификации трещин в осадочных и метаморфических породах, обладающих ясно выраженной слоистостью или имеющих неясную слоистость, но четкую сланцеватую текстуру, выделяются (рис.1):

а) поперечные трещины, секущие в плане слоистость или  сланцеватость по направлению падения. В разрезах поперечные трещины могут быть либо вертикальными, либо наклонными;

б) продольные трещины, параллельные линии простирания, но секущие слоистость или сланцеватость  в вертикальных разрезах;

в) косые трещины, секущие слоистость или сланцеватость  под углом относительно простирания и направления падения;

г) согласные  трещины, ориентированные параллельно  слоистости, или сланцеватости как  в плане, так и в разрезах.

В массивных, а  также в слоистых и сланцеватых  породах нередко трещины удобнее  классифицировать по углу наклона.

В таких случаях  обычно выделяются следующие виды трещин: вертикальные (с углами падения от 80 до 90°), крутые (с углами падения 45 до 80°), пологие (с углами падения 10 до 45°), слабо наклоненные и горизонтальные (с углами падения от 0 до 10°). [4, стр. 56]

Рис. 1. Геометрическая классификация трещин [4, стр. 56]

Черный слой – слоистость; абв и а’б’в’ – поперечные трещины; где и г’д’е’ – продольные трещины; жзк и ж’з’к’ – косые; клм – согласные.

 В генетической классификации выделяются следующие типы и виды трещин:

Нетектонические трещины:

1. Первичные  трещины.

2. Трещины выветривания.

3. Трещины оползней, обвалов и провалов.

4. Трещины расширения  пород при разгрузке.

Тектонические трещины:

1. Трещины отрыва;

2. Трещины скола  (скалывания);

3. Трещины раздавливания  (сплющивания).

Нетектонических трещины в горных породах образуются из-за изменений внутренних свойств пород под влиянием сил, появляющихся при экзогенных процессах на поверхности Земли или вблизи нее.

Первичные трещины  развиваются в породах при их усыхании, уплотнении, изменении объема и температуры и физико-химических превращениях.

Трещины выветривания появляются при выветривании, когда порода теряет свою монолитность. Разрушение происходит за счет раскрытия и расширения ранее существовавших в ней трещин и образования новых.

Трещины оползней, обвалов и провалов имеют местное распространение. Они обычно часты и четко выражены, хотя довольно разнообразны по происхождению.

Трещины расширения пород при разгрузке образуются при высвобождении пород от действия сжимающих сил. Это происходит у поверхности Земли, в горных выработках, в бортах речных и овражных долин и при других подобных условиях.

Тектонические трещины появляются в горных породах  под влиянием тектонических сил, вызываемых в земной коре эндогенными процессами.

Тектонические трещины отличаются от трещин нетектонических, прежде всего в том, что эти трещины более выдержаны как по простиранию, так и по падению и ориентированы по единому плану в различных по составу породах.

Трещины отрыва имеют обычно линзовидную или S – образную форму. Они образуются в результате раздвигания (приоткрывания) стенок трещин: прямого (трещины отрыва) или косого (трещины разрыва). Обычно трещины выполнены различными жильными минералами (кварц, карбонаты, рудные и др.) и / или дайками магматических пород.

Трещины скола  обычно прямолинейны или слабоизвилисты и характеризуются притертыми (тесно сжатыми) краями и наличием на плоскостях трещин штрихов (борозд) скольжения, которые свидетельствуют о перемещении стенок трещин относительно друг друга.

Трещины сплющивания  – прямолинейные, тесно сжатые, короткие, но в отличие от трещин скола на их стенках отсутствуют штрихи скольжения.

Разрывы со смещениями делятся на шесть основных групп: сбросы, взбросы, сдвиги, раздвиги, надвиги и покровы.

- сбросы - нарушения, в которых поверхность разрыва наклонена в сторону расположения опущенных пород.

- взбросы - нарушения, в которых поверхность разрыва наклонена в сторону расположения приподнятых пород.

- сдвиги - разрывы, смещения по которым происходят в горизонтальном направлении — по простиранию сместителя.

- надвиги - разрывы взбросового характера, возникающие одновременно со складчатостью.

- Тектонические покровы или шарьяжи - крупные надвиги, характеризующиеся перемещениями на километры и десятки километров по пологим, горизонтальным и волнистым поверхностям.

Вопрос №3.

Геологическая деятельность океанов, морей, озер

Мировой океан (океаносфера) - вся совокупность водных пространств океанов и морей, занимающих 70,8% поверхности Земли, Мировой океан включает четыре океана: Тихий, Индийский, Атлантический, Северный Ледовитый, все окраинные (Берингово, Охотское, Японское и др.) и внутриконтинентальные моря (Средиземное, Черное, Балтийское и др.). Море – это одна из главных геологических сил, преобразующих облик Земли. В морских бассейнах, как обычно именуют, моря и океаны, протекают сложные процессы энергичного разрушения, перемещения продуктов разрушения, отложения осадков и формирования из них различных осадочных горных пород. Эти процессы наиболее интенсивно проявляются в прибрежной мелководной зоне (0-200м) - зоне шельфа, которая окаймляет сушу полосой различной ширины и представляет собой подводное продолжение континентов (рис. 2). Площадь шельфа составляет 7,6% площади морей и океанов.

Рис. 2 Поперечный разрез океана. I – зона шельфа, II – материковый склон, III – ложе океана, IV – глубоководные впадины на дне. [5]

На глубине  от 200 до 2000 м располагается материковый  склон , от 2000 до 6000 м - океаническое ложе и более 6000 м – глубоководные впадины. На глубине свыше 200 м волнения, происходящие на поверхности воды, не сказываются на донных отложениях. Дневной свет сюда не проникает. Эта глубина является пределом распространения донных растительных организмов.

В прибрежной зоне ветром, реками добавляется материал для формирования морского осадка), так же сказывается результат разрушения берегов. Органические горные породы формируются благодаря многочисленным организмам, имеющим твердые скелеты (раковины, панцири), состоящие из СаСО3 иSiO2. Большое место среди морских отложений занимают отложения химического происхождения, из-за того, что морская вода богата солями

В результате вертикальных колебаний земной коры происходят процессы трансгрессии (наступление) и регрессии (отступление) моря. В одних местах берег отступает, и населенные пункты заметно удаляются от моря. В другие море наступает. Берег погружается под воду, энергично размывается.

Для освоения морских прибрежных территорий, или для строительства зданий и сооружений на берегах, проводят инженерно-геологические исследования

Абразия - геологическая деятельность моря в виде разрушения горных пород, берегов и дна. Эти процессы зависят от особенностей движения воды, направления и интенсивности дующих ветров и течений. Основную разрушительную работу совершают морской прибой и в меньшей мере различные течения.

Даже при  слабом волнении у берегов плещутся волны, непрерывно подтачивая прибрежные скалы. Во время сильных штормов  на берега обрушиваются колоссальные массы воды, способные причинить серьёзные разрушения. Сила прибоя во время шторма может достигать нескольких тонн на квадратный метр. Разрушение берегов морем производится в результате: 1) гидравлического удара самой воды, 2) ударов обломками горных пород, захватываемых волнами, 3) химического действия воды. [5]

На скорость подмыва существенно влияет характер напластовывания (рис. 3). Берега, сложенные породами с пологим углом падения от моря разрушаются наиболее быстро, и менее быстро – с пологим уклоном падения в сторону моря. В этом случае волны скользят по поверхности слоев, причиняя им незначительные разрушения.

Рис. 3 Устойчивость берега моря в зависимости от напластования пород: а) – средняя; б) – минимальная; в) – максимальная; 1 – волны; 2 – положение слоев пород. [5]

Разрушительная работа волн особенно значительна у крутых, обрывистых берегов, где глубина моря сравнительно большая. В результате абразии на берегах образуются волноприбойные террасы (рис. 4).

Рис. 4 Строение морского берега, террасы: 1 и 2 – надводные; 3 и 4 – подводные; 5 – пляжная. [5]

Морские террасы могут располагаться выше пляжа или находиться под водой. Террасы выше пляжа показывают поднятие берега и отступление береговой линии в сторону моря (морские террасы). Подводные террасы свидетельствуют о наступлении моря и опускании берега ниже уровня воды.

Морская вода, помимо механического разрушения оказывает химическое воздействие. Она растворяет породы и строительные материалы. Значительное разрушительное воздействие оказывают так же многие морские организмы и растения.

В морях и океанах осадки распределяются довольно закономерно. У берегов накапливается грубообломочная масса (галечники, гравий); в зоне шельфа – пески различной крупности; на материковом склоне преобладает глинистый материал. По мере удаления от берега к обломочным накоплениям все более примешивается органический материал (илы) и осадки химического происхождения. Главная масса осадков откладывается в прибрежной и мелководной части моря. На материковом склоне и океанском ложе более всего развиты органогенные осадки. Обломочные и химические осадки имеют подчиненное значение. Отложения, образовавшиеся в морской среде, широко распространены на суше, где они занимают огромные пространства на континентах в виде отложений большой мощности и различного литологического состава

По мере отступления от береговой линии разрушительная работа моря уступает место созидательной. Материал, из которого образуются осадки, может иметь различное происхождение. Основная масса его поступает  с суши в виде растворённых или твёрдых частиц различных размеров. Могут они возникать и органогенным путём за счёт отмирания морских организмов. В соответствии с этим выделяются осадки терригенные, органогенные и химические. [6]

Озера – замкнутые  углубления, на поверхности Земли, заполненные водой и не имеющие непосредственной связи с морем. Озера занимают 2 % поверхности суши. Берега многих озер, особенно крупных, довольно плотно населены и широко используются для промышленного и гражданского строительства. Озера имеют различные происхождения. Среди них различают:

- тектонические  – во впадинах тектонического  происхождения (Байкал, Ладожское);

- эрозионные  – в котлованах размыва;

- карстовые  – в заполненных водой карстовых  воронках;

- запрудные  – образовавшиеся запруживанием рек в результате обвалов.

Озера подобно  морям совершают геологическую  работу разрушительного и созидательного характеров, только в меньших масштабах.

Вопрос №4.

Приток  воды в безнапорные совершенные  дрены¹

Дрены - устройства, отбирающие из пределов водоносного горизонта воду. Могут быть горизонтальными и вертикальными. Дрены совершенного типа пересекают водоносный горизонт полностью, достигая водоупора. Дрены несовершенного типа прорезают лишь часть водоносного горизонта.

Приток воды к ней происходит по всей поверхности соприкосновения стенок выработки с водоносным горизонтом. Если же выработка не доходит до водоупора, она называется несовершенной по степени вскрытия водоносного горизонта. Зачастую выработки закрепляются от обрушения, цементируются, скважины оборудуются обсадными трубами, фильтрами и т. п. Естественно, что приток воды в такие выработки затруднен и их называют несовершенными по характеру вскрытия водоносного горизонта. Основные уравнения притока воды к водозаборам (скважинам и дренам) будем выводить при условии совершенства выработок.

Представим  себе плоский поток грунтовых  вод. Гидравлический градиент I в данном случае равен 

(1)      

где х — расстояние между сечениями h1 и h2

Если мы будем  сближать сечения h1 и h2 так, чтобы расстояние между ними стало равно нулю, то получим уклон (гидравлический градиент) в точке а, который равен тангенсу угла наклона зеркала грунтовых вод или первой производной 

 (2)    

Подставив полученное выражение гидравлического уклона в выражение закона Дарси, получим для безнапорных вод

 (3)     

После устройства дрены скорость движения воды в ней  увеличивается и уровень воды понижается на величину S, которую в  гидрогеологии принято называть величиной понижения. Величина понижения представляет собой разницу между статическим и динамическим уровнями. Мощность водоносного горизонта до понижения обозначим через H, глубину воды в дрене — через ho. В результате понижения уровня в дрене в водоносном горизонте образуется депрессионная воронка. Расстояние R, на которое сказывается влияние понижения, называют радиусом влияния.

Для расчета  притока воды в дрену Q выбираем на расстоянии хот стенки дрены сечение  с напором к,которое находится в интервале от нуля до R.

В общем виде приток воды в дрену будет равен  выражению (3). Подставим сюда величину площади фильтрации 

(4)     

где В — длина дрены. Получим 

(5)     

При расчете притока воды в дрену удобно пользоваться понятием единичного притока д, т. е. притока воды на единицу длины дрены  

(6)     

Отсюда элементарная формула для расчета притока  воды 

(7)    

Разделим переменные в выражении, т. е. умножим обе его части на dх и проинтегрируем 

  (8)      

В результате получим  

 (9)        

 (10)        

 (11)      

Формула (11) выражает величину единичного притока с одной стороны дрены. Для получения полного притока воды в дрену необходимо умножить единичный приток на два, а затем — на длину дрены. Приток воды в торцы дрены обычно не учитывают, так как он при большой длине дрены составляет ничтожную долю.

По формуле (11) можно рассчитать расход плоского грунтового потока. Подставив вместо радиуса  влияния расстояние между сечениями, равное I, получим

 (12)      

т. е. единичный  расход равен 

 (13)      

а полный расход составит 

 (14)      

Исследуя выражение (11), мы сможем решить одну из весьма важных задач в гидрогеологических расчетах — вывести уравнение депрессионной  кривой. Построение депрессионной кривой необходимо при возникновении угрозы затопления подземными водами котлованов, подвалов зданий и т. п..

Изменив пределы  интегрирования в выражении (9) по X от 0 до х, а по У от h0 до h К получим  

 (15)      

Естественно, что  приток воды в выражениях (11) и (15) одинаков, т. е. 

  (16)      

Решаем (16) относительно h 

 (17)      

Для построения депрессионной кривой мы задаемся величиной hо в зависимости от 5, мощность водоносного горизонта H легко получить по данным бурения, величину радиуса влияния можно найти по эмпирическим формулам.

На миллиметровой  бумаге строим разрез через дрену  и котлован и, задаваясь разными  значениями х(х,x2,..., хп), например 10, 20, 30 и т. д. метров, получаем величины h(h,h2,..., hп). Соединив полученные точки плавной линией, получим кривую депрессии. Если она проходит через котлован, строят новую кривую, задавшись большей величиной понижения и, естественно, меньшим значением глубины воды в дрене. Построение производят до тех пор, пока депрессионная кривая не опустится ниже дна котлована.

Вопрос  №5.

Схемы и системы осушения при проектировании котлованов и траншей. 

 Для защиты котлованов и траншей от затопления  ливневыми и талыми водами необходим водоотвод. Для водоотвода обычно используют расположенные с нагорной стороны резервы, водоотводящие канавы, лотки и системы дренажей. Канавы или лотки устраивают с продольным уклоном 0,002-0,003, а их размеры и виды креплений принимают в зависимости от расхода ливневых или талых вод и предельных значений неразмывающих скоростей их течения. Воду из всех водоотводящих устройств, а также от резервов и кавальеров отводят в пониженные места, удаленные от возводимых и существующих сооружений

Большинство сооружений и сетей водоснабжения и водоотведения возводят либо в непосредственной близости от водоемов, либо в условиях обводненных и неустойчивых грунтов. Именно поэтому часто осуществляется предварительное осушение при устройстве котлованов и траншей. При небольшом притоке грунтовых вод выемки (котлованы и траншеи) разрабатывают с применением открытого водоотлива, а если приток значителен и толщина водонасыщенного слоя, подлежащего разработке, большая, то до начала производства работ уровень грунтовых вод (УГВ) искусственно понижают с использованием различных способов закрытого, т.е. грунтового, водоотлива, называемого еще строительным водопонижением. Работы по строительному водопонижению во многом зависят от принятого метода механизированной разработки котлованов и траншей. Соответственно устанавливают очередность работ как по монтажу водоотливных и водопонизительных установок, их эксплуатации, так и по разработке котлованов и траншей. Начальное осушение котлованов требуется после ограждения их перемычками. При этом объем воды, подлежащий откачке,

W = V+qt (18)

где V - объем  воды в котловане, м3; q - приток воды в котловане, м3/ч; t - продолжительность  осушения котлована, ч. [2]

Тип и количество насосных агрегатов подбирают по величине объема начального водоотлива. Для откачки воды из неглубоких котлованов, когда глубина воды в них не превышает высоты всасывания, применяют стационарные центробежные насосы, а при больших глубинах используют плавучие или передвижные насосные установки. Очень быстрое осушение котлована может вызывать повреждение перемычек, откосов и дна котлована, поэтому очень важно правильно выбрать скорость откачки воды. Открытый водоотлив предусматривает откачку притекающей воды непосредственно из котлована или траншей. Способ применим в скальных, обломочных, галечниковых и гравийных грунтах, устойчивых против фильтрационных деформаций. При открытом водоотливе грунтовая вода, просачиваясь через откосы и дно котлована, поступает в водосборные канавы и по ним в приямки (зумпфы), откуда ее откачивают насосами. Размеры приямков в плане в целях удобства их очистки принимают 1х1 или 1,5х1,5 м, а глубину от 2 до 5 м, в зависимости от требуемой глубины погружения водоприемного рукава насоса. Минимальные размеры приямка назначают из условия обеспечения непрерывной работы насоса в течение 10 мин. Приямки в устойчивых грунтах крепят деревянным срубом из бревен (без дна), а в оплывающих - шпунтовой стенкой и на дне его устраивают обратный фильтр. Примерно также крепят траншеи в неустойчивых грунтах при использовании открытого водоотлива. Число приямков зависит от расчетного притока воды к котловану и производительности насосного оборудования. Приток воды к котловану (или дебит) рассчитывают по формулам установившегося движения грунтовых вод. [2]