Глава ii. основные сведения по геологии и гидрогеологии

Виды горных пород

Земная кора состоит из разнообразных по происхождению и составу горных пород. Горные породы — это минеральная масса более или менее постоянного состава и структуры, образующая самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. По происхождению различают три большие группы горных пород: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические (или изверженные) горные породы образовались в результате остывания и затвердевания расплавленной магмы, поднявшейся из глубин земли.

В результате остыванця магмы, не достигнувшей земной поверхности, образовались глубинные изверженные породы — граниты, диориты, гранодиориты, сиениты. Магма, излившаяся на поверхность земли при вулканических извержениях, при остывании образовала изверженные породы —базальты, диабазы, порфиры, туфы, пемзу.

Осадочные горные породы широко распространены в верхних частях земной коры. Эти горные породы являются продуктом разрушения других пород, а также результатом жизнедеятельности организмов и выпадания из воздушной или водной среды материалов любого происхождения. Осадочные породы в зависимости от условий их образования делят на три группы: обломочные, химические, органогенные.

Обломочные породы образовались в результате механического разрушения других под действием ветра, воды, суточных и сезонных колебаний температуры воздуха. К обломочным породам относят щебень, гальку, гравий, песок. В природных условиях рыхлые обломочные породы могут подвергаться связыванию частицами глины и других пород, образуя сцементированные обломочные породы. К ним относятся песчаники, алевролиты, аргиллиты, конгломераты, а также другие породы.

Осадочные породы химического происхождения образовались в результате выделения из водных растворов кристаллов различных минералов и осаждения их на дне водоемов. К таким породам относятся каменная соль, ангидрид, гипс и др.

Осадочные породы органического происхождения образовались из остатков древней растительности и живых организмов — это каменный уголь, известняк, доломит, торф.

Метаморфические горные породы образовались из магматических или осадочных пород на больших глубинах при воздействии на них высоких температур и давлений. К метаморфическим породам относят сланцы, гнейсы, кварциты, мраморы.

История Земли делится на несколько очень длительных эр, каждая из которых состоит из нескольких геологических периодов (их продолжительность исчисляется миллионами лет).

Верхний слой земной коры имеет покров из маломощных отложений четвертичного периода, представленных суглинками, супесями, глинами и другими рыхлыми породами. К ним относятся также моренные отложения, образовавшиеся из обломков горных пород, перенесенных и отложенных древними ледниками (валуны, щебень, песок), озерно-ледниковые отложения, образовавшиеся после таяния ледников на дне озер (перемежающиеся песчаные и глинистые прослойки).

Отложения продуктов выветривания горных пород, залегающие на месте своего первоначального образования, называют элювиальными. К таким породам относится, например, дресва — слабоцементированный грубозернистый материал, являющийся продуктом выветривания гранита. Обломочные отложения в долинах и. руслах рек, образовавшиеся из рыхлых продуктов выветривания горных пород, носят названия алювиальных. Они представлены гравием и галькой, песком различной крупности, глинами и суглинками (глинами с примесью песка). Отложения, возникшие в результате накопления рыхлых продуктов выветривания, смытых со склонов гор атмосферными водами, называют делювиальными. Породы, отличающиеся отсутствием слоистости, малой связностью, наличием большого количества крупных пор (макропористые), относят к лессовым.

В результате деятельности человека в местах его поселений образовался культурный слой, мощность которого в больших городах достигает 10 м.

Для каждого вида горных пород характерны свои формы залегания. Осадочные породы часто залегают в виде горизонтальных или наклонных пластов. Пласт (рис. 3) — это плоское геологическое тело, мощность (толщина) которого во много раз меньше размеров площади его распространения. Для определения положения пласта в пространстве введены понятия об элементах залегания (рис. 4). Линия простирания — это линия пересечения поверхности пласта с горизонтальной плоскостью.

Линия падения — линия, лежащая на поверхности пласта и перпендикулярная к линии простирания. Угол падения — угол между поверхностью пласта и горизонтальной плоскостью. Угол падения изменяется от 0 (для горизонтально залегающих пластов) до 90? (для пластов, расположенных вертикально).

Рис. 3. Разрез толщи осадочных пород:
1 — кровля пласта; 2 — горизонтальный пласт; 3 — почва пласта; 4 — пережим пласта; 5 — раздув пласта; 6 — линза

Рис. 4. Схемы к определению положения пласта в пространстве:
а — элементы залекания наклонного пласта; б — выход пластовых наслоений на поверхность откоса; 1 — пласт, имеющий угол падения а; 2-условная горизонтальная плоскость; 3-линия простирания .пласта; 4 — линия падения пласта (стрелкой показано направление падения)

Рис. 5. Примеры разрывных нарушений горных пород:
а — сброс; б — надвиг; в — сдвиг

Под воздействием процессов, происходящих в недрах Земли, происходят изменения первичной формы залегания горных пород, называемые тектоническими нарушениями (рис. 5). Тектонические нарушения приводят к образованию в пластах складок и разрывов. Складка, обращенная выпуклостью вверх, называется антиклиналью, выпуклостью вниз — синклиналью.

Тектонические разрывы (разломы) создают при горнопроходческих работах серьезнее затруднения, поскольку зоны разломов сложены сильно трещиноватыми или раздробленными неустойчивыми породами. При вскрытии разломов забоями в выработках часто резко увеличиваются притоки воды, могут происходить также вывалы породы.

Подземные (грунтовые) воды

Наука, изучающая подземные воды, их движение, свойства и состав, называется гидрогеологией.

Наличие подземных вод при проходке тоннеля всегда осложняет производство проходческих работ. В зависимости от гидрогеологических условий приток воды в выработку может изменяться в больших пределах: от нескольких кубических метров в час до 2000-2500 м³/ч. Большие водопритоки требуют специальных мер по отводу воды и высокопроизводительного оборудования для ее откачки на поверхность.

В ряде случаев подземные воды изменяют свойства горных пород, Некоторые глины при увлажнении набухают и тяжело разрабатываются. Глинистые сланцы при попадании воды теряют устойчивость. Насыщенные водой пески легко отдают воду при проходке выработки, это требует их предварительного осушения. Тонкозернистые пески с примесью илистых частиц способны удерживать воду и превращаться в плывуны. Проходка в таких условиях очень сложна и требует применения специальных способов.

Подземные воды являются важным фактором, который надо учитывать при проектировании метрополитена — выборе трассы, применении тех или иных конструкций, способах гидроизоляции, составлении проекта организации строительства. При проведении инженерно-геологических изысканий определяют наличие подземных вод, их характер, химический состав, ожидаемые водопритоки лри проходке. Наличие подземных вод в слое породы определяется бурением разведочных скважин. Основными типами подземных вод являются верховодка, грунтовые безнапорные воды и напорные (артезианские) воды.

Верховодкой называют воду, находящуюся на глубине 2-3 м от поверхности земли над водоупорным слоем. В местах, где водо-упор кончается, верховодка также исчезает, стекая в нижележащие пласты водопроницаемых пород (песков, трещиноватых известняков и др.). В засушливую погоду, а также зимой верховодка обычно исчезает.

Грунтовые воды — это подземные воды, находящиеся выше первого водонепроницаемого слоя пород. Основным источником их образования являются атмосферные осадки. В скважине или в выработке уровень грунтовых вод сохраняется на той глубине, на которой они появились, так как напор в грунтовых водах отсутствует. Верхняя свободная их поверхность называется зеркалом грунтовых вод.

Более глубокие, перекрытые водоупорными пластами водоносные слои (их называют еще водоносными горизонтами) несут межпластовые (напорные) воды. При вскрытии межпластового водоносного горизонта скважиной напорные воды поднимаются в скважине и устанавливаются выше водоупорной кровли водоносного пласта.

Подземные воды, содержащие вредные примеси, которые оказывают разрушающее действие на обделку тоннеля, называют агрессивными.