Сведения по кристаллографии

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Кафедра «Инженерная экология»

П.А. ИГНАТОВ

ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ, ГИДРОГЕОЛОГИИ И ПОЧВОВЕДЕНИЯ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ДИСЦЕПЛИНЕ

«ПОЧВОВЕДЕНИЕ, ЭКОЛОГИЯ, ГИДРОГЕОЛОГИЯ»

Москва – 2009 г.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Кафедра «Инженерная экология»

П.А. ИГНАТОВ

ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ, ГИДРОГЕОЛОГИИ И ПОЧВОВЕДЕНИЯ

Рекомендовано редакционно-издательским советом

Университета в качестве учебного пособия

Для студентов специальности 28.02.02

«Почвоведение, экология, гидрогеология»

Москва – 2009 г.

УДК 551 (07)

П.А. Игнатов. Основы геологии, гидрогеологии и почвоведения. Учебное пособие. - М.: МИИТ, 2009. – 127 с.

В учебном пособии приведена краткая характеристика наук о Земле, включая сведения по кристаллографии, минералогии, петрографии, геохимии, геофизическим наукам, тектонике, общей, исторической и структурной геологии, гидрогеологии и инженерной геологии, почвоведению. Изложены справочные данные по основным породообразующим и рудным минералам и горным породам. Сделан акцент на опасные геологические явления и процессы, особенно те из них, которые обуславливают более 50% аварийных ситуаций на железных дорогах.

Пособие предназначено для студентов и аспирантов МИИТа, а также широкого круга инженеров-экологов, включая инженеров, занимающихся проблемами безопасности на транспорте.

Рецензенты:

Доктор геолого-минералогических наук, профессор Российского государственного геологоразведочного университета В.В.Пендин Доктор технических наук, профессор кафедры Инженерной экологии МИИТ А.Ф.Демьяненко

Содержание

Введение. - 5 -

1. Науки о Земле. - 6 -

1.1. Науки о веществе. - 6 -

1.1.1. Сведения по кристаллографии. - 7 -

1.1.2. Свойства распространенных минералов. - 10 -

1.1.3. Cведения о горных породах. - 30 -

1.2. Задачи базовых геологических наук. - 41 -

1.3. Задачи геофизических наук. - 47 -

2. Основные понятия геохимии. - 51 -

2.1. Внутренние факторы миграции элементов. - 51 -

2.2. Внешние факторы миграции элементов. - 56 -

3. Эндогенные процессы.. - 64 -

3.1. Источники внутренней энергии Земли. - 64 -

3.2. Представления об эндогенных процессах. - 65 -

3.3. Представления об образовании эндогенных месторождений полезных ископаемых - 70 -

3.4. Опасные следствия эндогенных процессов. - 74 -

4. Экзогенные процессы.. - 75 -

5. Основы гидрогеологии. - 86 -

5.1 Общие сведения. - 86 -

5.2. Понятия динамики подземных вод. - 89 -

5.3. Понятия гидрогеохимии. - 94 -

5.4. Техногенные нарушения подземных вод. - 96 -

6. Основы инженерной геологии. - 98 -

6.1. Типы грунтов. - 98 -

6.2. Общие физические свойства горных пород. - 99 -

6.3. Механические свойства горных пород. - 104 -

6.4. Опасные инженерно - геологические процессы и явления. - 108 -

7. Основы почвоведения. - 113 -

7.1. Состав почв. - 113 -

7.2. Строение почв. - 117 -

7.3. Типы почв. - 119 -

7.4. Деградация почв. - 125 -

Заключение. - 126 -

Литература. - 127 -

Введение

Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов практически незнакомых с основами геологических наук. Оно подготовлено на основе лекционных и практических занятий, проводимых в течение ряда лет на факультете Экологической безопасности Московского Государственного университета инженеров транспорта, бывшего МИИТа.

Учебный курс по государственному стандарту имеет название «Почвоведение, геология и гидрогеология». Автор посчитал более целесообразным и естественным расставить приоритеты в следующем порядке – геология, гидрогеология и почвоведение.

В процессе подготовки пособия автор столкнулся с очевидными трудностями изложения материала. Главная проблема заключалась в весьма широком круге вопросов и проблем, которые надо было охватить в данном пособии. Ее разрешение заключалось в выделении самых главных сущностей отдельных научных дисциплин. При этом автор старался не потерять глубины изложения понятий, отражающих сложнейшие природные геологические процессы и явления.

Во-вторых, это изобилие специальных терминов и понятий. По мере возможности внутри текста они разъяснены. Помимо этого, в ряде разделов имеются понятийные схемы, в которых обобщены главные сведения по тем или иным природным образованиям. Их автор создавал при подготовке лекционных электронных презентаций.

В-третьих, необходимо было излагать материал максимально кратко, учитывая использование данного пособия студентами при подготовке к зачетам. В какой мере это удалось, судить читателям.

По всем наукам приведены лишь основные понятия. С этих позиций данный курс имеет в большей мере ознакомительный характер. Однако приведенные сведения в качестве справочного материала необходимы для инженеров-экологов любых специальностей. Пособие также может представлять интерес в качестве вводных данных в области естественных наук для студентов негеологических специальностей.

Автор будет весьма благодарен всем заинтересованным лицам, прочитавшим данное пособие, в случае получения от них любых критических замечаний.

Науки о Земле

В рамках представляемого курса необходимо сделать обзор по наукам о Земле, определить предметы и задачи, которые они решают. Предметами их изучения являются явления и процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли. Рассматриваемые науки можно разделить на пять групп: вещественные; базовые геологические; гидрогеологические; геофизические и горные. Кроме того, имеются межотраслевые науки – геоинформатика и геоэкология. В какой-то мере к ним следует отнести и почвоведение.

Науки о веществе

Предметами вещественных наук являются элементы (геохимические науки), их устойчивые соединения – минералы (кристаллография и минералогия) и ассоциации минералов – горные породы (петрография, литология и петрология).

Закономерности распространения, миграции и концентрации элементов, слагающих Землю, изучает геохимия. Частные задачи решают разные геохимические науки. Распространение природных радиоактивных элементов (урана, тория, радия и радона) и стабильных изотопов водорода, углерода, кислорода, азота, серы и др. и нестабильных изотопов урана, калия, тория, стронция, рубидия, самария, неодима, углерода и др. изучаются в радиогеохимии и изотопной геохимии. Методами изотопной геохимии можно определять различные источники природных образований и их модельный возраст. Распределение элементов и органического вещества изучается в биогеохимии. Геохимические методы используются при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых в прикладной геохимии. Проблемы связи геологической среды обитания животных и человека с геохимических позиций решаются в экогеохимии. Более подробные сведения по геохимии приведены ниже в самостоятельном разделе.

Определению и изучению минералов в отраженном свете под микроскопом посвящена рудная микроскопия или минераграфия, в проходящем свете - петрография. Минералы, как правило, слагают устойчивые по составу и строению соединения, которые получили название горных пород (пород). Изучением свойств и происхождения осадочных пород занимается литология. Обстановки накопления осадков исследуются в седиментологии. Свойства и генезис пород, которые произошли за счет внутренней энергии Земли в результате кристаллизации из расплавов или глубокого преобразования уже существовавших пород (метаморфизма) изучаются в петрографии.Главным методом в литологии и петрографии является петрографический. Он заключается в определении оптических эффектов и констант в поляризованном свете в тонких (0,03 мм) прозрачных срезах пород, называемых шлифами. Условия образования магматических (из расплавов) и метаморфических пород освещаются в петрологии и петрохимии.

Все вещественные науки широко используют результаты натурных наблюдений и лабораторных экспериментов, физико-химические и термодинамические расчеты и аналитические данные общей, коллоидной и физической химии, дифрактометрии, оптической и рентгеновской спектроскопии, электронной микроскопии, эмиссионного анализа, лазерной спектроскопии, люминесценции, инфракрасной спектроскопии, термического анализа, ядерно-физических методов (масс-спектрального анализа, электронного парамагнитного резонанса, рентген-радиометрические и пр.). В круг интересов данных наук, прежде всего, входят природные соединения, однако, методы этих наук широко используются в металлургии и материаловедении.

Сведения по кристаллографии

Большинство минералов представляют собой кристаллы и их агрегаты, им посвящена наука кристаллография. Кристаллы это анизотропные вещества, имеющие упорядоченное расположение атомов (ионов и молекул). Атомы в кристаллах размещаются в геометрическом порядке параллельными рядами с постоянными расстояниями между ними, свойственными каждому кристаллическому соединению. Это строение выражается в виде пространственной решетки, которую можно представить в виде бесконечно большого количества одинаковых по форме и размеру параллелепипедов. Вершины параллелепипедов, в которых находятся атомы, ионы или молекулы, называются узлами пространственной решетки, а прямые линии, проведенные через них, - рядами решетки. Параметры кристаллической решетки минералов определяются при прохождении по ним рентгеновских лучей. Их дифракция доказывает также периодичность расположения атомов в кристаллах. По параметрам кристаллической решетки диагностируются минералы. Этим занимаются, проводя рентгено-структурный и дифрактометрический анализы. Упорядоченное внутреннее строение кристаллических веществ обусловливает их основные свойства: анизотропность, способность самоограняться, сохраняя постоянные углы между гранями кристалла, и вид симметрии.

Симметрия определяется присутствием центра, осей и плоскостей симметрии. Центр симметрии - это точка внутри кристалла, от которой на одинаковых расстояниях в диаметрально-противоположных направлениях располагаются одинаковые части фигуры. Внешним выражением наличия центра симметрии в кристалле является присутствие параллельных граней и ребер. Плоскость, ось и центр симметрии находятся в кристаллах во взаимной связи и сочетания их ограничены. Возможны только 32 комбинации элементов симметрии. Каждая комбинация соответствует определённым кристаллографическим классам или видам симметрии. Кристаллографические классы (виды симметрии) объединяются в семь групп – сингонии. Различают триклинную, моноклинную, ромбическую, тригональную, гексагональную, тетрагональную (квадратную) и кубическую сингонии

Каждая группа отличается совокупностью простых геометрических форм и их закономерных комбинаций. Триклинная, моноклинная и ромбическая сингонии называются низшими, так как они не имеют осей симметрии выше второго порядка. Тригональная, гексагональная и тетрагональная сингонии называются средними; наряду с осями симметрии второго порядка они имеют одну ось симметрии высшего порядка. Кубическая сингония характеризуется несколькими осями симметрии высшего порядка и является высшей сингонией. Для каждой группы сингоний имеются характерные формы кристаллов (табл. 1.1). Всего возможно 47 вариантов простых форм (рис. 1.1.-1.3).

Таблица 1.1

Группа сингоний	Формы кристаллов
Низшая	Моноэдр, диэдр, ромбическая призма, ромбический тетраэдр, ромбическая пирамида, ромбическая дипирамида
Средняя гексагональная)	Призмы: гексагональные, тетрагональные, тригональные; пирамиды и бипирамиды; гексагональные, тетрагональные, тригональные; ромбоэдр и др .
Высшая	Куб, октаэдр, тетраэдр, ромбододекаэдр, пентагондодекаэдр и др.